1 概述

　　鈦裝備主要應(yīng)用于石油、化工和熱能電站等工業(yè)部門。而鈦管件(如彎頭、三通及異徑管等)與管子的連接是其重要組成部分。根據(jù)多次調(diào)查，鈦裝備(由于有其特殊的使用性能。應(yīng)用日益廣泛)中管件與管子連接處事故率較高，這與該處斷面工況條件陡變。受力較為惡劣有關(guān)。

　　2 材料焊接缺陷分析

　　2．1 性能與特點(diǎn)

　　鈦在885℃時(shí)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。在885℃以下為密排六方晶格結(jié)構(gòu)，稱為a鈦(工業(yè)純鈦為此類，本文重點(diǎn)研究對(duì)象)。在885℃ 以上為體心立方晶格結(jié)構(gòu)，稱為J3鈦。鈦合金的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度則隨加入的合金元素種類和含量不同而變化。工業(yè)純鈦根據(jù)其雜質(zhì)(主要是氧和鐵)含量以及由此而引起的強(qiáng)度差別分為TA1、TA2、TA3三個(gè)牌號(hào)。它們具有良好的耐蝕性、塑性和韌性，但對(duì)其加工性、焊接性要求較高。

　　2．2 焊接缺陷及其形成機(jī)理

　　(1)焊接氣孔 鈦材焊接中，易于發(fā)生氣孔，

　　它的主要影響因素及防治措施見表l。

　　(2)脆裂與過熱氫是鈦中最有害的元素之一， 它能降低鈦的塑性與韌性，導(dǎo)致脆裂。若母材或焊接材料中含氫量較大，則應(yīng)預(yù)先作脫氫處理。鈦在600℃ 以上就會(huì)急劇地和氧、氮化合，生成二氧化鈦和氮化鈦(硬度極大)。當(dāng)加熱到800℃以上，二氧化鈦即溶解于鈦中并擴(kuò)散深入到金屬鈦的內(nèi)部組織中去，形成0．01～0．08 mm的中間脆性層。溫度越高，時(shí)間越長，氧化、氮化也越嚴(yán)重，焊接接頭的塑性就會(huì)急劇降低。此外，鈦還易與碳形成脆性的碳化物，降低塑性和可焊性。

　　表1 鈦材焊接氣孔及其防治措施形成氣孔原因 防治措施

　　母材、焊絲的含氣量 1． 要求母材、焊絲的含氣量<150 pp

　　2 焊絲進(jìn)行1 h 700—850℃、10 ～

　　10 Pa真空退火處理氬氣的純度 使用純度≥99．99％的氫氣

　　坡口及其周圍污染 焊前清理，加強(qiáng)氬氣防護(hù)

　　焊絲表面粗糙度大及表1 使用表面粗糙度小的焊絲面污染 2．清理焊絲表面

　　鈦材的熔點(diǎn)高，屬難熔金屬，在焊接時(shí)需要高溫?zé)嵩础ｂ伒膶?dǎo)熱系數(shù)低，僅為碳鋼的一半，熱量不易散失，過熱傾向嚴(yán)重。當(dāng)結(jié)構(gòu)剛性較大時(shí)，在焊接拉應(yīng)力作用下，還會(huì)引發(fā)薄弱區(qū)開裂。另外鈦沾染鐵離子即變脆。這也是導(dǎo)致鈦材管件一管子對(duì)接焊縫區(qū)產(chǎn)生裂紋的重要原因之一。

　　(3)焊接熱溫波裂紋常見金屬焊接裂紋有熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋與層狀撕裂裂紋等，焊接熱溫波裂紋是近年來發(fā)現(xiàn)的又一種新裂紋。即焊縫處經(jīng)過反復(fù)多次加熱與冷卻后而形成的一種裂紋，其發(fā)展趨勢(shì)最終為斷裂。它多發(fā)生在厚壁管件一管子的多層多道焊焊縫區(qū)域上(主要在熔合區(qū)附近)或焊縫修補(bǔ)之處。其特征是裂紋區(qū)域材質(zhì)性能發(fā)生變化(尤其是塑性、韌性降低)，晶粒松弛，晶格歪扭。有局部硬化現(xiàn)象，有時(shí)裂紋旁邊伴有若干更細(xì)微裂紋。它發(fā)生的滯后性強(qiáng)，其隱蔽性危害性比冷裂紋更大。目前形成機(jī)理仍在研究之中。從本質(zhì)上看。它不完全同于熱疲勞裂紋(有的學(xué)者觀點(diǎn)不同)。由于鈦材焊縫處多次反復(fù)加熱與冷卻，一是應(yīng)力不斷擴(kuò)張、收縮。致使焊縫疲勞開裂；二是加熱過程中晶粒不斷長大(有時(shí)連續(xù)有時(shí)斷續(xù)，但多為波段式變化。鈦的熔點(diǎn)高， 比熱容小，熱導(dǎo)率小，使焊縫金屬和熱影響區(qū)在高溫下的停留時(shí)間增長)。從而使顯著長大的粗化晶粒間松弛、脆弱，也易出現(xiàn)裂紋。另外，焊縫處若干次地快速冷卻，TiH2逐漸析出，積聚，延伸，出現(xiàn)薄弱邊緣而致裂。而焊縫的多次熱循環(huán)及相變(組織變化)，Ct鈦馬氏體(a 是0相通過無擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變而形成的某些元素在六方晶格a鈦中的過飽和固溶體，在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)為針狀組織)數(shù)量增多，塑、韌性下降亦極易開裂。總之，此類溫波裂紋是若干因素綜合作用的結(jié)果。消除其中的任何不利因素。對(duì)于防止它的產(chǎn)生都是有利的?？偨Y(jié)多次施工經(jīng)驗(yàn)及研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)管件與管子焊縫部位，經(jīng)常受到大小不同和方向變化的熱循環(huán)交變應(yīng)力。這種交變應(yīng)力常常使材料在小于其屈服極限，甚至小于其彈性極限的情況下。經(jīng)多次熱循后，并無顯著的外觀變形卻會(huì)發(fā)生裂紋。管件一管子對(duì)接及施焊中，事先都不產(chǎn)生明顯的塑性變形而突裂，實(shí)際上裂紋已經(jīng)歷了一個(gè)由脆化、臨界危險(xiǎn)點(diǎn)及開裂的完整過程(有的時(shí)間較短，有的時(shí)間卻很長)。即使施工后經(jīng)檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)任何缺陷，裝置在運(yùn)行過程中，亦隨時(shí)有可能產(chǎn)生裂紋。且往往是出乎預(yù)料的。材料在交變應(yīng)力的作用下，首先在應(yīng)力最大及材料最薄弱的部位(如內(nèi)部的缺陷、表面的傷痕處)出現(xiàn)極細(xì)微的裂紋，這種微裂紋再隨熱循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展，從而使管件與管子的有效截面不斷減小，以至最后承受不住外力的作用，在偶然的震動(dòng)和沖擊下便發(fā)生脆性斷裂。所以材料斷裂是在交變熱應(yīng)力作用下經(jīng)過一定的熱循環(huán)周次之后(隨著環(huán)境條件的波動(dòng)及時(shí)間推移，材質(zhì)本身亦逐漸退化與弱化，此點(diǎn)往往被人們所忽視)才出現(xiàn)的。因此它具有很大的危險(xiǎn)性，常常造成難以想象的嚴(yán)重事故。這就給施工者提出更高要求，隨時(shí)防范鈦材管接口待裂和臨裂狀態(tài)與隱患，亦須引起足夠的重視。僅從焊接工藝分析，適度控制焊接的最高加熱溫度、加熱速度、高溫停留時(shí)間和冷卻速度。以及盡量減少焊縫區(qū)的加熱與冷卻頻率和次數(shù)，是必須

　　注意的問題。管件與管子對(duì)接時(shí)嚴(yán)禁采用較大的鋸齒形橫向擺動(dòng)施焊法(尤其是高壓管接口)。

　　3 焊接工藝

　　一般鈦材管件與管子焊接施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備(包括合格焊工培訓(xùn)、焊接設(shè)備選型、材質(zhì)化驗(yàn)和施工場(chǎng)地清理等)一管件及管子除油一管子下料一坡口加工一坡口表面、焊絲表面清理和坡口尺寸修整一焊件組對(duì)一管口施焊一焊縫檢驗(yàn)一焊縫返修及復(fù)驗(yàn)一管道系統(tǒng)試壓試漏一管道系統(tǒng)吹除一管道(分高低壓)系統(tǒng)氣密性試驗(yàn)等。

　　3．1 施工準(zhǔn)備

　　管件一管子的對(duì)接大致分為水平固定管、垂直固定管和45。固定管焊法，水平固定管焊法由于焊縫為環(huán)狀。焊接中須經(jīng)過仰焊、立焊及平焊等幾種位置，因此焊材角度變化很大，操作比較困難。焊接前。應(yīng)當(dāng)用丙酮或乙醇(勿含硫)溶劑清除附在管端或焊口的油污。然后仔細(xì)清除距焊口3O～60 mm區(qū)域內(nèi)的氧化膜，直到呈銀白色為止。焊接必須在清刷后1 h內(nèi)進(jìn)行。以避免管口重新氧化及沾染污物。管件一管子對(duì)口連接時(shí)，壁厚在3mm以下不開坡口，對(duì)口間隙為0．5—1．0 mm。當(dāng)管壁厚度大于3 mm。采用v形坡口焊接。鈦材與不銹鋼和鋁材一樣。表面不得有硬印標(biāo)記(樣沖孔等)，應(yīng)用鉛筆(色筆)劃線。鈦管可用氧乙炔焰或等離子弧切割。切VI要留出足夠的加工余量， 用機(jī)械方法去除表面污染層。鈦表面打磨只能用橡膠或尼龍滲合氧化鋁的砂輪，絕不能用打磨過碳鋼的砂輪。打磨時(shí)不允許出現(xiàn)過熱的色澤。為了使焊縫得到與基體金屬近似的成分和抗腐蝕性能。應(yīng)采用與基體金屬成分www.t0917.com相同的焊絲。要嚴(yán)格控制鈦材及焊接材料的純度，尤其是母材及焊絲中的氫、氧、氮和碳要盡可能少。實(shí)踐證明，鈦材的含碳量較低(≤0．1％)時(shí)焊接裂紋產(chǎn)生的概率很小。其次是嚴(yán)格控制氬氣的純度，要求A >99．99％ ， N < 0．005％ ， O < 0．002％ ， H <0．002％，水分在0．001 mg／L以下。焊接前焊絲要清除氧化膜及污物。表2為TIG焊工業(yè)純鈦TA2填充金屬雜質(zhì)含量與焊縫金屬力學(xué)性能之間的關(guān)系。

　　表2 管件一管子TIG焊焊縫金屬的力學(xué)性能

　　注：TIG為鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊

　　3．2 焊接操作

　　管子及管件組對(duì)時(shí)應(yīng)保持同心，嚴(yán)禁強(qiáng)制對(duì)口。以避免產(chǎn)生較大的應(yīng)力。壁厚相同的管子或管件組對(duì)時(shí)應(yīng)內(nèi)壁平齊，壁厚不同管子或管件組對(duì)時(shí)，當(dāng)內(nèi)壁錯(cuò)邊量超過規(guī)定時(shí)，應(yīng)進(jìn)行修理或壁厚削薄。使其錯(cuò)邊量不超過壁厚的10％，且不大于1．0 mm。管接口焊接時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行點(diǎn)焊定位。定位焊縫的焊接工藝及焊材應(yīng)與正式焊接相同。焊縫長度為10～15 mm，高度不應(yīng)超過壁厚的2／3，點(diǎn)焊數(shù)應(yīng)根據(jù)管件及管子直徑和壁厚確定。焊接過程中，施工人員必須穿戴清潔的工作服和手套，以免混入灰塵影響質(zhì)量。焊道表面應(yīng)清理干凈。焊接過程中，工件嚴(yán)禁振動(dòng)。工件在焊接過程中需翻轉(zhuǎn)時(shí)，必須等待焊縫金屬冷卻至200℃以下時(shí)，再輕輕翻轉(zhuǎn)。為可靠的保護(hù)好鈦管接頭焊口，要制作并合理運(yùn)用各種各樣的氣體保護(hù)罩。如焊把保護(hù)罩，角焊背面保護(hù)罩，內(nèi)部充氬保護(hù)罩等。對(duì)于#108 mm以下管子采用整體充氬保護(hù)為好。

　　表3 幾種不同壁厚管接口的鎢極氟弧焊規(guī)范參數(shù)

　　管壁厚度鎢極直徑焊絲直徑焊接電流 氬氣流量(L／min)mm ／mm ~／mm A 焊槍 保護(hù)罩

　　3．3 焊后處理

　　管口的焊后處理主要有2個(gè)方面。一是消除焊接應(yīng)力(通常多用退火法)。二是進(jìn)行管道清洗。焊后應(yīng)使接頭在空氣中緩慢冷卻(焊后立即用水快速冷卻會(huì)導(dǎo)致收縮應(yīng)力裂紋)。接頭冷到可用手摸時(shí)，即可進(jìn)行焊后的清洗工作(保證管道的清潔與耐腐蝕性)。此外。對(duì)每個(gè)焊縫均進(jìn)行外觀檢查和著色試驗(yàn)，在無咬邊、焊瘤、裂縫和氣孔的條件下，再進(jìn)行無損探傷檢查、水壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)。要求較高的管道內(nèi)外焊縫均需進(jìn)行清洗。首先用60～80℃的熱水沖洗，并去掉污物和殘?jiān)Ｈ缓笥?0％的硝酸溶液洗滌，再用清水予以沖洗。

　　3．4 注意事項(xiàng)

　　鈦TA2管件一管子對(duì)接采用鎢極氬弧焊時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

　　①施焊環(huán)境溫度不得低于5℃，相對(duì)濕度在80％以內(nèi)。

　?、诤附訁^(qū)域應(yīng)設(shè)置適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)裝置，使其不受風(fēng)、雨和雪等天氣的影響。

　　③施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)保持清潔。必要時(shí)搭設(shè)防塵棚，鋪設(shè)地板，配備去濕機(jī)。鋼鐵類機(jī)具不得直接接觸鈦管件及管材。

　?、芄芙涌诤附訒r(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)焊后顏色不是銀白色或金黃色，應(yīng)及時(shí)磨去重新焊接。如出現(xiàn)氣孔、裂紋，也應(yīng)磨去重焊。但亦要嚴(yán)格控制返修及補(bǔ)焊的次數(shù)。焊縫同一部位的焊補(bǔ)次數(shù)不宜超過2次。

　?、輫?yán)禁在管道表面任意引弧，焊接前應(yīng)在引弧板上試焊，測(cè)定提前送氬氣，滯后停氬氣的數(shù)據(jù)是否符合工藝要求。

　?、抻墒┕T配合材料員對(duì)進(jìn)場(chǎng)的材料進(jìn)行嚴(yán)格管理。必要時(shí)對(duì)材料進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。

　　⑦采用短弧焊效果好，勿擺動(dòng)焊槍。用較大口徑的噴嘴時(shí)。噴嘴與工件的距離適當(dāng)縮小以加用水和水的丙三醇溶液可以得到具有公稱粘性為1和550 mPas的液體。這些液體用來得到管道流體的摩擦力要素，孔口板和噴嘴的排放系數(shù)，突然增大，噴嘴，孔板和雷諾數(shù)范圍從10—200的截止閥的損耗系數(shù)。現(xiàn)有方法已經(jīng)表明預(yù)測(cè)摩擦力要素和排放系數(shù)的適合性，但是對(duì)于預(yù)測(cè)損耗系數(shù)的不適應(yīng)性些，以不妨礙觀察到熔池為限。

　?、嗪附z熱端在焊接過程中不能脫離保護(hù)區(qū)，須將氧化部分切去才能繼續(xù)使用。焊接結(jié)束時(shí)要滯后停氣，直至焊接區(qū)溫度降至材質(zhì)穩(wěn)定的范圍，一般溫度在200℃以下。

　　4 結(jié)語

　　在焊接某裝置的鈦(TA2)管件一管子數(shù)個(gè)接口后，對(duì)焊縫進(jìn)行無損探傷檢查，按規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，焊接一次合格率為97％，其他焊接缺陷一次返修后復(fù)檢全部合格。另對(duì)其焊縫進(jìn)行著色滲透探傷，均未發(fā)現(xiàn)裂紋和分層缺陷。由此可見，只要充分了解和掌握鈦的基本特性，管接口施焊安裝過程中，有針對(duì)性地采取相應(yīng)技術(shù)措施，嚴(yán)格把好各個(gè)施工環(huán)節(jié)質(zhì)量關(guān)，就可取得優(yōu)質(zhì)滿意的效果。