摘要：在工业纯钛管道的安装中，由于现场焊接条件的局限性，采用钨极氩弧焊是最经济、可靠的焊接方式。在焊接过程中，钛对保护气、工件表面的氢、氮、氧等元素有极大的化学活性，极易存在于熔池中并形成气孔。气孔是钛焊接中最主要的缺陷，因此，需要采取有效的措施减少并消除气孔。
关键词：纯钛管道；焊接；气孔；控制措施
一、钛的焊接特点
在常温下，钛与空气中的氧发生反应并形成一层致密的氧化膜，此时，钛的化学性能稳定，具有良好的耐腐蚀性、耐高温性（350℃）。但是在焊接过程中，液态熔滴和熔池金属具有强烈吸收氢、氧、氮的作用，而且在固态下，这些气体已与其发生作用。随着温度的升高，钛及钛吸收氢、氧、氮的能力也随之明显上升。当温度高于300℃时，在表面就会吸附氢气；而400℃开始吸收氧气；600℃吸收氮气。含有氧、氮、氢等杂质元素的纯钛，焊接接头的强度显著提高，而塑性和韧性急剧下降。钛的熔化温度高、热容量大、热导率低，因此钛的焊接熔池具有较高的温度和较大的熔池尺寸，热影响区的高温停留时间长，容易引起焊接接头的过热倾向，使晶粒变得十分粗大，塑性降低。
二、工业纯钛管道焊接气孔
1、气孔缺陷的类型
在焊接过程中，施工人员的素质参差不齐，再加上焊接材料、焊接环境也存在着一定的差异，相关的焊接影响因素也不相同，因此焊缝气孔的形态特征并不完全一样。这使得气孔缺陷的类型可以按照多种标准来进行划分。一般说来，气孔缺陷的类型分为以下三种：第一，按照气孔的形状可以将气孔缺陷分为条形气孔和球形气孔，条形气孔细长窄平，是气体在焊液中定向移动的产物；而球形气孔均匀圆润，是气体四周等速扩散所形成的。第二，根据气孔的分布情况可以将气孔划分为均匀集中分布和孤立离散分布，焊缝里集中分布的气泡表面该区域内气泡的产生数量多，而离散分布通常表现为气泡的体积大。第三，根据焊缝中气孔的来源来分可以分为析出气孔和反应气孔，析出型气孔是随着熔池温度下降，熔融金属的气体溶解度下降，从熔融金属中析出而形成，主要是外来的氢气和氮气；而反应型气孔是金属在高温环境下反应生成的一氧化碳等气体。
2、气孔缺陷的产生原因
无论哪种类型的气孔，其形成原因归根到底是气体在熔池凝固时来不及逸出，从而残留在焊液中最终形成的缺陷。气孔缺陷的形成可以分为气孔成核和稳定生长两个过程，在焊接过程中，当气体进入到焊液之中，开始都会聚集成气孔核，随着焊接过程的继续，气孔核逐渐成长，变成一个个独立的气泡开始往外溢出，而此时金属焊液也开始逐渐冷却，封锁了气泡的逸出途径，从而最终将气泡留在焊缝之中，最终形成气孔缺陷。总而言之，气泡的逸出速率和金属焊液的凝固速率之间的相对快慢是决定焊接过程中是否会产生气孔缺陷的关键因素，而这些通常和气泡自身的大小、金属焊液的粘度和密度息息相关。首先气泡自身尺寸越大，则气泡的逸出速率就越大，那么形成气孔缺陷的概率就越小；其次金属焊液的密度越大，气泡所受的浮力越大，则逸出速率也会随之增大；最后金属焊液的粘度越大，气泡逸出过程中所受阻力越大，逸出速率越慢，则越容易形成气孔缺陷。
三、工业纯钛管道焊接气孔控制措施
1、焊前准备
①坡口加工：采用氧化铝砂轮机打磨出坡口，坡口角度为单边 30°±2.5°，钝边0.5～1.5 mm。加工坡口不允许使母材产生过热变色。
②坡口及焊丝清理：坡口及其两侧各25 mm以内的内外表面进行清理，程序如下：磨光机打磨→砂纸轮抛光→丙酮清洗。清洗后不能直接进行焊接作业，待坡口端面晾干后方可以作业。如不能及时焊接，应用自粘胶带 及塑料布对坡口予以保护。焊丝也用沾丙酮的海绵擦拭干净，并存放在专用的。
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③焊工用手套应洁净，用前也用无水乙醇（或丙酮）清洗，避免将棉质纤维附于焊件表面。
2、焊接方法的选用
钛焊接方法主要有惰性气体保护焊、等离子焊、电子束焊等。工业管道安装时一般采用钨极氩弧焊，焊机应选择脉冲式焊机。为获得优质焊缝，对焊接熔池及400℃以上的热影响区都必须采取保护措施，以免受空气中的气体污染。
3、焊接工艺的优化
①焊接时应在评定合格的工艺参数范围内选用小线能量焊接，层间温度不得高于200℃，防止高温时间过长晶粒长大。
②焊接作业均应在氩气保护下进行：采用焊炬喷嘴保护熔池，焊炬拖罩保护热态焊缝及近缝区的外表面，管内充氩保护焊缝及近缝区的内表面。具体措施：直径较大的管子焊接时，管内工作人员佩带长管呼吸器，手持保护罩对焊接熔池背面进行保护；直径较小的管子或固定口焊接时，在管子内表面距离坡口150～300 mm（根据可操作性取较大值）处采用可溶纸密封，再塞入一团可溶纸防止管内气压过大将密封可溶纸破坏，然后充入氩气将管内空气排净。焊接前必须充分预充氩气，焊后应延时充氩，以使高温区充分冷却，防止表面氧化。
③焊接过程中填充焊丝应始终保持在氩气的保护之下。熄弧后焊丝不得立即暴露在大气中，应在焊缝脱离保护时取出。焊丝如被污染、氧化变色时，污染部分应予以切除。
④不得在焊件表面引弧或试验电弧；焊接中应确保起弧 与收弧的质量；收弧时应将弧坑填满，多层焊的层间接头应相互错开。
⑤除有特殊要求外，每条焊缝应一次连续焊完，如因故被迫中断，再焊时必须进行检查，确认无裂纹后方可继续施焊。
⑥如果焊接作业时不慎出现夹钨时，应停止焊接作业，用磨光机清除钨点，钨级端部重新打磨，达到要求后方可重新进行焊接作业，要求与开始焊接作业相同。
⑦定位焊应与正式的焊接工艺相同，定位焊的焊缝长度 宜为5～10 mm，高宜为2～4 mm，且不超过壁厚的2/3。定位焊的焊缝不得有裂纹及其它缺陷，定位焊焊缝两端，宜磨成缓坡形。
4、加强焊接区的保护
钛在250℃以上吸氢，400℃以上吸氧，600℃以上吸氮，这些元素的渗入将大大降低钛的力学性能。因此氩气对热态焊缝的保护是焊接接头质量优劣的关键因素。钛材管道的焊接保护都是通过管内通氩，管外用专门的保护罩来进行的。
管内充氩保护，一般采用分段充氩的方法。在焊口的两侧200～300nnn的地方，作好密封装置，封好充氩；部分较大直径的转动口焊接也可以采用加内拖罩的方式进行保护，以节约氩气；对安装固定口焊接，充氩比较困难，因为焊口两端距离较长，并且有弯头、三通等。充氩仍采用分段充氩方法。在该道焊缝组对前，就将密封垫片（由不锈钢夹板与胶皮组成，充氩管为软胶管，并联一根有一定强度的不锈钢丝）放置在管道内距焊口200～300mm处。待焊缝组对焊接完成后，将密封垫片取出即可。
结论
钛管的焊接过程中，应当做好工件的焊前清理工作，优先选择较小的焊接线能量，严格按照焊接工艺文件采取有效的气体保护措施减小气孔产生的可能性。氢是对钛的机械性能影响最严重的因素，其主要原因是氢不仅形成氢气孔减小焊缝有效截面积，而且随焊缝含氢量增加，焊缝中析出的片状或针状TiH2增多，TiH2强度很低，使得焊接接头的缺口冲击性能显著降低；焊缝含氢量变化对强度的提高及塑性的降低的作用不很时显。
参考文献：
[1]黄德明.工业纯钛TA2的氧化行为研究[J].钢铁钒钛，2010，01：11-16.
[2]王娜，高磊，张莹莹，刘进生.工业纯钛TA2的焊接[J].热加工工艺，2010，05：132-133.
论文作者:安波
论文发表刊物:《电力设备》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/11
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