[ 來源：　|　作者：本站　|　發(fā)布時間：2018-04-09 |　瀏覽：465次 ]

摘要：鈦鋼復(fù)合板常應(yīng)用于耐腐蝕性壓力容器的制造，其制造技術(shù)在國內(nèi)只有少數(shù)幾家有成熟的經(jīng)驗。該文對鈦鋼復(fù)合板焊接時存在的難度和特殊性做了比較全面的敘述。對焊接用保護罩進行了精心的制作，分析了鈦材在焊接過程中易產(chǎn)生的缺陷及處理方法。尤其是對坡口形式、焊材選擇、參數(shù)確定、氣體保護方案和清潔措施進行了詳細的說明。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

該大型醋酸母液罐體直徑為5400mm，高為9600mm，材質(zhì)為TA1+16MnR，厚度為14mm（12mm+2mm），介質(zhì)為醋酸、水。設(shè)備制造檢驗驗收應(yīng)符合《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》；GB/T 150-1998《鋼制壓力容器》；GB/T13149-1991《鈦及鈦合金復(fù)合板焊接技術(shù)條件》；JB/T 4745-2002《鈦制焊接容器》的規(guī)定，且必須滿足本規(guī)定的要求。

2 焊接技術(shù)要求

2.1焊縫表面要求 碳鋼焊縫表面不得有氣孔、咬邊、裂紋等表面缺陷，鈦焊縫（包括熱影響區(qū)）表面以銀白色、金黃色、局部少量藍色為合格。

2.2焊縫檢驗要求 焊縫、16MnR部分需進行20%射線探傷，按JB 4730-1994標(biāo)準(zhǔn)，Ⅱ級合格。所有復(fù)合層及接管內(nèi)焊接完畢，均需對焊縫全部長度進行著色檢驗。本試驗應(yīng)用可靠的純白色顯影劑，同時在碳鋼焊接的檢漏孔通入294MPa的空氣后氬氣，用肥皂水進行泄露檢查，所有鈦焊縫都要進行氦氣檢漏試驗，水壓試驗后鈦襯里的 蓋板初焊縫還要進行著色檢驗，最終容器進行熱氣循環(huán)試驗。

3鈦材焊接所面臨的影響

3.1氣體及雜質(zhì)污染的問題
　　工業(yè)純鈦具有良好的耐蝕性、塑性、韌性、焊接性和較高的比強度，其熔點高達1672℃，在常溫下，由于鈦表面致密氧化膜的作用，使其性能很穩(wěn)定。但在高溫下具有很強的化學(xué)活潑性，隨著溫度的升高，其化學(xué)活潑性會迅速增強。在焊接過程中，液態(tài)熔滴和熔池金屬具有強烈吸收氫、氧、氮的作用，而且在固態(tài)下，這些氣體已與其發(fā)生作用。隨著溫度的升高，鈦吸收氫、氧、氮的能力也隨之明顯上升，大約在250℃左右開始吸收氫（生成的TiH2強度很低，對鈦的機械性能產(chǎn)生嚴重影響），從400℃開始吸收氧（提高鈦及鈦合金的硬度和強度，使塑性卻顯著降低），從600℃開始吸收氮（形成脆硬的氮化鈦（riN）而且氮與鈦形成間隙固溶體時所引起的晶格歪挪程度，比氧引起的后果更為嚴重），這些氣體被吸收后，將會直接引起焊接接頭脆化，是影響焊接質(zhì)量的極為重要的因素。此外，碳也是鈦及鈦合金中常見的雜質(zhì)。
實踐證明，焊接時如果對鈦與氧、氫、氮等氣體的吸收和溶解不加以控制，最終將導(dǎo)致產(chǎn)品的報廢。所以，以上現(xiàn)象的產(chǎn)生，無疑給鈦的施焊工作和焊接質(zhì)量帶來了極大的困難和影響。防止氣體及雜質(zhì)污染的工藝措施主要有：

（1）做好焊前準(zhǔn)備。嚴格清洗焊縫表面，杜絕氫、氧、氮的侵入。

（2）選用精確的氬氣流量計以控制氣流量。氣體流量的選擇以達到良好的保護效果為準(zhǔn)，氬氣流量大小對保護有著相當(dāng)?shù)挠绊?，過大的流量不容易形成穩(wěn)定的氣流層，反而在保護區(qū)內(nèi)形成紊流，使有害氣體浸入熔池，使焊縫表面容易出現(xiàn)微裂紋。過小的氣流使保護不到位，達不到保護效果，拖罩中的氬氣流量不足時，焊縫呈現(xiàn)出不同的氧化色澤。

（3）加強焊縫保護。焊接時，不得將焊絲端部移出氬氣保護區(qū)；斷弧及焊縫收尾時，要繼續(xù)通氬氣保護，直到焊縫及熱影響區(qū)金屬冷卻到100℃以下時方可移開焊槍。

3.2焊接接頭裂紋問題
　鈦焊接時，焊接接頭產(chǎn)生熱裂紋的可能性很小，這是因為鈦及鈦合金中S、P、C等雜質(zhì)含量很少，由S、P形成的低熔點共晶不易在晶界出現(xiàn)，加之有效結(jié)晶溫度區(qū)間窄小，鈦及鈦合金凝固時收縮量小，焊縫金屬不會產(chǎn)生熱裂紋。
　 鈦焊接時，熱影響區(qū)可出現(xiàn)冷裂紋，其特征是裂紋產(chǎn)生在焊后數(shù)小時甚至更長時間。經(jīng)研究表明這種裂紋主要是碳、氫的影響及過快的冷卻速度所致。防止這種延遲裂紋產(chǎn)生的辦法，主要是減少焊接接頭氫、碳的來源，焊前對焊縫區(qū)域進行保護清理，防止有害雜質(zhì)玷污。其次，應(yīng)嚴格控制層間溫度。在保證熔合良好的前提下，盡可能采用低熱輸入量施焊，即降低熔合比。采用小直徑焊絲、低焊接電流、窄焊道技術(shù)、快速焊。冷卻速度控制在100℃∕s左右最好。

3.3焊縫中的氣孔問題
　氣孔是鈦材焊接是比較容易產(chǎn)生的缺陷，主要原因是由于氫影響的結(jié)果。板材、焊材表面不干凈，操作者手套上的水分、油脂，角磨機磨下的沙粒、飛塵等都是氫的來源。焊縫金屬形成氣孔主要影響到接頭的疲勞強度。
防止產(chǎn)生氣孔的工藝措施主要有：
?。?/span>1）保護氖氣要純，純度應(yīng)不低于99.99%，導(dǎo)氣管應(yīng)用增強塑料管，不能用橡膠管。
（2）徹底清除焊件表面、焊絲表面上的氧化皮油污等有機物。
（3）對熔池施以良好的氣體保護，控制好氬氣的流量及流速，防止產(chǎn)生紊流現(xiàn)象，影響保護效果。
（4）正確選擇焊接工藝參數(shù)，增加熔池焊縫金屬停留時間，使氣泡逸出，可有效地減少氣孔。

（5）焊接時采用小的熱輸入，最好采用脈沖氬弧焊，既可改善接頭塑性，減小過熱和粗晶、減小變形，又可增加了熔深，減小了氣孔的產(chǎn)生。

3.4酸母液罐的特殊性

1屬于壓力容器范疇 醋酸母液罐不能像其他設(shè)備那樣可隨時停下檢修。如果突然停止運行，就會給一條生產(chǎn)線間接和直接的經(jīng)濟損失是非常大的。由于儲罐本身是化工廠的關(guān)鍵壓力容器，工作要求很高，加上又是鋼鈦復(fù)合板的高難度焊接，這無疑對焊接的各個環(huán)節(jié)提出了相當(dāng)高的要求，任何一點小小的疏忽，將會導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失，甚至是人身傷亡。因此，他對焊接的要求特別的嚴格，焊完的焊縫需滿足下面幾點要求：

① 與母材等強性 ②與母材等塑性 ③與母材等耐蝕性

2 工作條件惡劣

① 載荷。除承受靜載荷外，還承受低周疲勞載荷，局部區(qū)域受力情況比較復(fù)雜且容易超負載運行。

② 環(huán)境溫度。在高溫高壓下工作

③ 介質(zhì)。有水、腐蝕性的醋酸

4鈦-鋼復(fù)合板對接接頭的設(shè)計

鈦和鋼是不能直接熔焊的，因為液態(tài)下鈦與鋼會產(chǎn)生金屬間化合物而嚴重的脆化，因而無法焊接。選用的鈦-鋼復(fù)合板的焊接接頭形式坡口形式及尺寸如圖1：圖1為對接焊縫上加鈦蓋板，先焊16MnR的1、2、3部分，第4道焊完冷卻后磨平，底層用碳弧氣刨清根，再焊第5層(1-5用焊條電弧焊)。在焊縫4上鋪鈦板b，保證壓緊平整，最后鋪焊鈦蓋板a。

5保護罩的制作

鈦材焊接時用的保護罩是十分重要的。一個技能嫻熟的焊工，沒有一個好的保護罩，即使焊縫焊得再漂亮，焊后全部氧化變色，這道焊縫仍舊是不合格的，而且要報廢。

筒體的A、B焊縫的保護罩如圖2。這個罩就是對常用的保護罩做了一些改進，在進氣管的下面放進去一層不銹鋼絲球（超市有售），將其展平，在下面用粗一些的銅絲將網(wǎng)拖住，與罩的邊緣點固焊住即可。不銹鋼絲球?qū)又饕饸夂Y和分布的作用，使氬氣流動更平穩(wěn)，焊接保護效果更好。然后將制作好的罩放在窗戶的玻璃上用嘴在進氣口吹一大口氣，拿開罩子看玻璃上的蒸汽是否均勻，如不均勻或有出氣多的地方要進行修整，直至整個蒸汽面均勻為止?？傊?，不管做任何形式的托罩，罩子噴出的保護氣體應(yīng)該是層流，而不是束流。

6焊接

6.1焊接工藝評定

焊接工藝評定是保證醋酸母液罐筒體焊接質(zhì)量的重要措施。焊接工藝評定完成后，焊接工藝指導(dǎo)書或焊接工藝卡發(fā)給有關(guān)部門和焊工，焊工必須遵照實施，不得任意修改。鈦設(shè)備施焊前應(yīng)按有關(guān)規(guī)范及規(guī)程要求進行焊接工藝評定。然后根據(jù)此焊接工藝評定在正式施焊前組織參加焊接的焊工進行適應(yīng)性試驗，以保證正式焊接中獲得較好的質(zhì)量。

6.2焊接材料的選擇

16MnR的焊接選用J507，焊前350℃烘干1小時，而后放在保溫箱內(nèi)隨用隨??；TA1的焊接材料選擇，原則上采用與母材化學(xué)成分相同的純鈦材料，一般要求焊絲中有害雜質(zhì)越少越好，以保證焊縫與母材等強。由于從母材剪下的條寬窄有誤，還有毛刺，容易氧化，同時給焊縫性能帶來一定的影響，所以不能從母材上切取的方法來解決焊絲的問題。選擇相應(yīng)的焊絲作為填充料，焊前將焊絲放在專用的酸洗槽內(nèi)，嚴格按酸的比例進行酸洗，而后放在保溫箱內(nèi)隨用隨取，焊前用白絲綢滲入丙酮后擦洗。酸洗到焊接的時間一般不超過2小時，否則要放到干燥潔凈的環(huán)境中儲存，儲存時間不超過120小時。

6.3焊前準(zhǔn)備

在鈦材的焊接現(xiàn)場最好單獨劃分出一塊區(qū)域，非專業(yè)人員不得入內(nèi)，以保護該區(qū)域的潔凈，所有施焊人員應(yīng)穿干凈工作服，戴針織手套或薄羊皮手套，不能戴棉線手套，進入罐內(nèi)施焊，鞋要套上鞋套。

坡口及其兩側(cè)各50 mm以內(nèi)的內(nèi)外表面及焊絲表面應(yīng)清除油污，并用細銼奧氏體不銹鋼絲刷、銑刀等機械方法清除氧化膜、毛刺和表面缺陷，清理工具應(yīng)專用，并保持清潔；經(jīng)機械清理后的表面，焊接前應(yīng)使用不含硫的丙酮或乙醇進行脫脂處理，嚴禁使用三氯乙烯、四氯化碳等氯化物溶劑，不得將棉質(zhì)纖維附于坡口表面。根據(jù)技術(shù)要求，焊前對施焊環(huán)境作了“菲繞琳”試驗，在焊縫周圍做了“鐵離子”污染試驗，經(jīng)試驗合格后才進行施焊。

6.4裝配

為了減少焊接變形，焊前需進行定位焊，定位焊縫應(yīng)采用與正式焊接相同的焊接材料及焊接工藝，即所用的焊絲、焊接工藝參數(shù)及氣體保護條件應(yīng)與焊接接頭焊接時相同。焊前清除焊絲表面和焊接坡口及其兩側(cè)各20mm范圍內(nèi)的氧化層、油污、水分、銹蝕等，且應(yīng)由合格焊工施焊，定位焊焊在基層焊縫上，焊縫長度宜為10一15mm，間距為100-150mm，高度不應(yīng)超過壁厚的1／3。間隙0-1mm，鈍邊0-1.0mm。焊縫不得有裂紋、氣孔、夾渣及氧化變色等缺陷，當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷時應(yīng)及時消除。

6.5焊接順序
焊接順序見圖1：手工電弧焊（1、2、3、4）→打磨第4道焊縫→碳弧氣刨清根第1道底部→手工電弧焊第5道→鋪蓋過渡層鈦板b熱壓成型→鋪蓋過渡層鈦板a→氬弧焊焊接鈦蓋板角焊縫6、7（第一層自熔焊，第二層加絲焊）

6.6焊接工藝參數(shù)

16MnR系列壓力容器板具有良好的綜合性能和低溫沖擊韌性，時效敏感性、缺口敏感性低，焊接性能優(yōu)能優(yōu)良（厚度在30mm以下時，焊前一般不預(yù)熱，焊后可不熱處理），可用手工電弧焊進行焊接，既容易保證焊縫質(zhì)量，又能提高熔敷效率，在此對其焊接工藝參數(shù)不作詳細說明。

鈦的焊接考慮到板薄，焊接量小，用氬弧焊焊接能保證各方面的要求。鈦蓋板角焊縫焊接工藝參數(shù)可見下表：

附：工藝參數(shù)的選擇依據(jù)

1）焊接電流 如采用大電流，焊接時非常的順暢，但焊縫的晶粒粗大，性能差，焊縫周圍易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。所以應(yīng)控制焊接電流上限，在確定蓋板角焊縫的電流時第1遍自熔，第2遍加絲，焊接電流為130-140A.

2）電弧電壓 選擇電弧電壓實際上就是選擇電弧的長短，常用的氬弧焊機沒有電壓選擇鈕，應(yīng)盡量使電弧短一些，以控制電弧電壓在14-16V之間。

3）焊接速度 鈦材在焊接時的導(dǎo)熱性很差，電流和速度要匹配好，否則熔合不好。經(jīng)試驗，焊接電流在130-140A時，焊接速度為160-170mm/min較合適。

4）氬氣流量的確定 鈦在焊接時熔池后面的焊縫區(qū)100mm內(nèi)（包括焊縫和熱影響區(qū)正反面）全部要在氬氣保護氛圍內(nèi)進行冷卻，否則焊縫就要氧化變色，使性能下降。經(jīng)現(xiàn)場試驗調(diào)整，最終確定的氬氣流量為：噴嘴10-11 L/min、托罩12-13 L/min、背面3-5 L/min 。

6.7焊接工藝及操作要點

1 氬氣純度應(yīng)不低于99.99%，露點在-40℃以下，雜質(zhì)總的質(zhì)量分數(shù)應(yīng)小于0.001%。當(dāng)氬氣瓶中的壓力降至0.981MPa時，應(yīng)停止使用，以防止影響焊接接頭質(zhì)量。

2 鈦板氬弧焊選用具有下降外特性、高頻引弧的直流氬弧焊電源，鎢極端部應(yīng)修磨成圓錐形，采用水平轉(zhuǎn)動平焊。焊炬應(yīng)提前送氣，熄弧時應(yīng)采用電流衰減裝置和氣體延時保護裝置，延遲遞氣時間不少于15秒，避免焊縫遭受到氧化、污染。

3 施焊中嚴禁采用擦弧引燃的方法。送氣軟管選用塑料管，不宜采用橡膠管輸送氬氣。保護罩的材質(zhì)選用奧氏體不銹鋼或鋁、銅，不得使用碳鋼。所用清理工具只能用于鈦，不得混用，在使用前應(yīng)清洗干凈。

4 采用焊炬噴嘴和焊炬拖罩保護熔池，噴出的氬氣應(yīng)保持穩(wěn)定的層流狀態(tài)。焊接過程中電弧應(yīng)保持穩(wěn)定，防止鎢極與焊件或焊絲接觸造成夾鎢，當(dāng)出現(xiàn)夾鎢時，應(yīng)消除缺陷后方可繼續(xù)施焊。

5 鈦手工鎢極氬弧焊操作要領(lǐng)
　1）手工氬弧焊時，焊絲與焊件間應(yīng)盡量保持最小的夾角（10~15°）。焊絲沿著熔池前端平穩(wěn)、均勻的送入熔池，不得將焊絲端部移出氬氣保護區(qū)。
　2）焊接時，焊槍基本不作橫向擺動，當(dāng)需要擺動時，頻率要低，擺動幅度也不宜太大，以防止影響氬氣的保護。
　3）斷弧及焊縫收尾時，要繼續(xù)通氬氣保護，直到焊縫及熱影響區(qū)金屬冷卻到100℃以下時方可移開焊槍。

6清洗質(zhì)量的好壞會直接影響到焊接裂紋的產(chǎn)生，清洗質(zhì)量不好時，會在母材及焊絲表面上生成一層灰白色的吸氣層，導(dǎo)致焊接裂紋和氣孔的產(chǎn)生，因此清洗時要注意以下幾點：①先采用酸洗。酸洗液為2%~4%HF+30%~40%HNO3+H2O（余量）。最后用清水沖洗干凈并吹干，臨焊前用丙酮或酒精擦洗。②焊絲在酸洗后一般需要進行脫氫處理，焊前再用丙酮脫脂。③嚴禁使用氧化物脫脂。④清洗時不得戴橡皮手套，以免橡皮和脫脂溶劑發(fā)生反應(yīng)使焊縫產(chǎn)生氣孔。⑤清洗后的焊口必須馬上焊完，不宜久放（一般不得超過4h），否則需要按前面步驟重新清洗。

7 在冬季低溫和夏季高溫時焊接鈦材都應(yīng)做好相應(yīng)的工藝準(zhǔn)備，避免因溫差懸殊而產(chǎn)生使材料性能下降的可能性。在施焊環(huán)境溫度底于5℃時禁止施焊。

6.8對焊縫返修的要求

①應(yīng)分析缺陷產(chǎn)生的原因，提出相應(yīng)的返修方案

②返修應(yīng)編制詳細的工藝，經(jīng)焊接責(zé)任工程師批準(zhǔn)后才能實施

③同一部位的返修次數(shù)不宜超過2次。如超過2次以上的返修，需經(jīng)單位技術(shù)總負責(zé)人的批準(zhǔn)。返修次數(shù)、部位、檢測結(jié)果，以及單位技術(shù)總負責(zé)人批準(zhǔn)字樣一并載入壓力容器質(zhì)量證明書的產(chǎn)品制造變更報告中

④施工現(xiàn)場（工廠及工地）焊接記錄應(yīng)詳盡。其內(nèi)容應(yīng)包括天氣情況、返修長度、焊接工藝參數(shù)（電流、電壓、速度、預(yù)熱溫度、層間溫度、后熱溫度、保溫溫度、保溫時間、焊材牌號、規(guī)格及焊接位置等）和施焊者及其鋼印等

⑤需焊后進行熱處理的壓力容器應(yīng)在返修后。否則，焊接返修完，還要做一次熱處理。

⑥壓力試驗后需返修的，返修部位必須按原檢測方法要求檢測合格。由于焊接接頭或接管泄漏而進行返修的，或返修厚度大于1∕2壁厚的壓力容器，還應(yīng)重新進行壓力試驗

⑦有抗晶間腐蝕要求的壓力容器，返修部位仍需保證原有的抗晶間腐蝕性能

7焊后熱處理

對該醋酸容器焊接結(jié)構(gòu)進行焊后熱處理，可以提高斷裂韌性、降低殘余應(yīng)力水平，并使之較均勻的分布，在工藝較完善的前提下一般不需要焊后熱處理。但也可以進行焊后退火消除應(yīng)力，退火需要在真空或氬氣的保護下進行，退火溫度為610-620℃，時間為3小時。

8質(zhì)檢

壓力容器的檢驗內(nèi)容主要有：對材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能的常規(guī)理化檢驗；對焊接接頭的各種性能檢驗；對壓力容器各部分存在的各類缺陷的無損檢測；用于操作壓力的液體對容器進行耐壓試驗等。詳細的質(zhì)檢見焊縫檢驗要求。

總結(jié)：

1 鈦焊接時的氣體保護問題是影響焊接接頭質(zhì)量的首要因素。精心制作各個位置焊接時的保護罩是成功的關(guān)鍵。盡量采用小的熱輸入, 嚴格控制氫的來源，防止冷裂紋的產(chǎn)生，同時應(yīng)注意防止氣孔的產(chǎn)生。

2 在冬季低溫和夏季高溫時焊接鈦材都應(yīng)做好相應(yīng)的工藝準(zhǔn)備，避免因溫差懸殊而產(chǎn)生使材料性能下降的可能性。在施焊環(huán)境溫度底于5℃時禁止施焊。

3 只要嚴格按照焊接工藝要求施焊，并采取有效的氣體保護措施，即可獲得高質(zhì)量的焊接接頭。