工业用钛材的焊接
摘要：本文介绍了钛材的化学成分、力学性能及焊接工艺特点，结合具体焊接工艺评定，说明钛材焊接时焊接环境的清洁、焊前焊材和待焊表面的清理及保护气体的有效保护是确保焊接质量的关键因素。
关键词：钛材；焊接；气体保护
钛及钛合金作为结构材料有许多优点，如比重小、抗拉强度和屈服强度高，在300~500℃下仍具有足够高的强度，在海水及大多数酸碱盐的介质中均具有优良的抗腐蚀性能，在航空、化工、核工业上日益获得广泛的应用。钛材具有优良的耐腐蚀性能，可用于其它金属材料难以胜任的高氯离子浓度介质下工作的设备，选材上一般采用加工性能及力学性能优良的工业纯钛。
1 工业纯钛的性能
ASME规范中，SB265技术条件中对工业纯钛的化学成分和机械性能的规定分别见表1及表2。
表1 ASME SB265中对钛材化学成分的规定
表2 ASME SB265中对钛材力学性能的规定
工业纯钛中的杂质能提高材料的强度，但会使塑性显著降低，以上3种等级的工业钛材随杂质的增多强度依次增加，塑性同时依次下降。与钛合金相比，纯钛的强度较低，但塑性及韧性较好，特别是低温冲击韧性优良, 缺点是温度升高时强度显著下降，故只能在350℃以下温度使用，与普通容器用钢相比，钛材屈强比较高，塑性韧性相对较差。
2 纯钛的焊接性分析
2.1 气体等杂质污染引起的接头脆化
常温下钛材是很稳定的，但随着温度升高，钛焊缝吸收氢、氧、氮的能力随之也明显上升。试验研究表明, 钛材一般从250℃开始就吸收氢、氧、氮，在焊接时，温度越高，保温时间越长，焊缝塑性则越差，所以在焊接钛材时，如采用氩弧焊接，普通的焊枪是不能满足要求的，因为它不能使焊缝得到有效的保护，普通焊枪形成的保护气只能保护焊接熔池，对于处于已凝固的高温区的焊缝及热影响区, 不能提供保护，就会造成高温焊缝及热影响区吸收氢、氧、氮等气体。氮、氧和氢的侵入均能在焊缝形成间隙固溶体，使焊缝的强度提高，降低焊缝的塑性及韧性，而氢还会显著降低焊缝的冲击韧性进而使焊接接头脆化。因此，焊接时要对于400℃以上的高温区给予充分的保护，包括焊缝背面。
2.2 焊接接头裂纹
当焊缝氢、氧、氮、碳的含量较高时，焊缝及热影响区会变脆，在较大焊接应力作用下会出现裂纹，这些裂纹一般是在较低温度下形成的，产生原因主要与焊接区气体的保护及待焊工件表面的清理有关。对于钨极氩弧焊而言，良好的气体保护，彻底地清理干净待焊区域，即可避免裂纹的产生。
2.3 焊接气孔
钛材焊接时的气孔形成原因主要是在保护气及母材焊丝中含有的氢、氧、氮、水等杂质，工件表面或焊丝上的油脂、氧化物等污染未能清理干净。所以消除气孔形成的方法就是要使用较高纯度的氩气进行保护，一般纯度要达到99.99%，并对焊接时400℃ 以上的区域进行充分的保护，同时焊接前仔细清理焊丝、坡口、工件上的油脂等氧化物。
3 钛材的焊接及性能试验
在某工程项目上，设备的主体材质为钛材，牌号为TA2，考虑到产品的厚度和评定覆盖范围，在产品焊接前, 我们选用30mm厚的钛材，采用手工钨极氩弧焊进行焊接工艺评定试验。nextpage
3.1 坡口选择
由于板材厚度为30mm，考虑到尽量减少焊材的填充量，我们采用如附图所示的双面U型坡口。
3.2 焊接工艺要点
3.2.1 焊接环境：钛材的焊接应在清洁的环境中进行，严禁在含有铁、磨料粉末、灰尘的空气中施焊。焊接时应避开通风口和敞开的门窗，防止外界气流对保护气的影响。
3.2.2 坡口加工和清理：坡口宜采用机械加工，并去除毛刺，坡口附近20mm 范围应使用不锈钢丝刷清理干净，机械清理后应立即用丙酮清洗上述表面并擦拭干净。
3.2.3 氩气保护：对熔池及处于400℃ 以上的区域（包括焊缝背面）进行良好的氩气保护。需要采用大喷嘴焊枪, 一般喷嘴直径为Φ16mm左右，喷嘴内应设置气体透镜以确保保护效果。另外需根据实际焊接结构，设计制作气体保护装置，除了喷嘴氩气保护外，还应设置拖罩保护以保护凝固的高温焊缝，制作反面保护罩以保护焊缝背面，在焊接时，背面保护装置应随着正面焊接同时移动。
3.3 焊接规范
焊材的选择一般是要求焊材的成分与被焊钛材相匹配，但为了改善接头性能，有时也可选用屈服强度低于母材的焊接材料。在AWS A5.16中规定有工业纯钛焊丝的成分与性能，国标中规定的焊丝成分与性能同AWS一致。
在确保严格清理干净待焊区域及保护气良好的情况下，采用如表3规范进行焊接，焊材选用与母材等成分的TA2（AWS 为ERTi-2）焊丝，层间温度控制≤100℃，层间清理干净焊缝表面。焊缝保护效果判断：银白色为保护最好；浅黄色为轻微氧化；蓝色表示氧化严重；灰色则为极差，按不合格处理。
表3 焊接规范
3.4 理化性能试验
试板焊接完成后，表面成形良好, 焊缝表面为银白色，之后进行100% RT 检验合格，然后进行了理化试验，结果如表4所示。
表4 理化性能试验结果
焊接工艺评定试板经焊后100%无损检测合格，抗拉强度、冷弯试验、冲击试验和化学成分均满足产品技术条件的要求。
4 结束语
钛材焊接时，焊接环境的清洁、焊前对焊丝和工件的清理、焊接时保护气体的纯度和400℃以上高温区域的有效保护是影响焊接质量的重要因素。从焊接工艺评定的结果可以看出，焊接接头性能满足技术要求，证明焊接评定试验所采用的焊接工艺参数合理、可靠，可以用于产品焊缝的焊接。
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