摘要：钛材以其优良的耐腐蚀能力，且造价相对其他钛合金较低，在化工行业管道上获得了广泛的应用。本文针对钛合金焊接特性，焊接区需要多重氩气保护，增加了焊接施工的难度， 过对钛管焊接工艺规范的不断摸索，以及对试验过程出现的问题的合理分析，总结出钛管焊接工艺特点及操作要领，通过在分工，焊接工艺参数和施工方法等方面的改进，提高了凝汽器钛管焊接一次成功率。
关键词：钛管；焊接一次成功率；氧化色彩；裂纹；气孔；钛管焊接试验；焊接工艺参数
0前言
钛材料具有良好的耐酸碱的腐蚀能力，且造价相对其他钛基材料较低，目前，化工行业较多的走腐蚀性较强介质的管线都趋向于选用这种钛基材料。由于钛管敏感的焊接特性和各种外部因素导致在钛管焊接过程中钛管焊缝极易出现氧化色彩、裂纹、气孔等缺陷。从而降低了钛管焊接一次成功率，对工程质量造成负面影响。为提高钛管焊接一次成功率, 针对以钛管焊接容易出现的焊接缺陷，进行了详细分析和钛管焊接试验。求找到合适的焊接工艺参数、正确的焊接对方等以提高钛管焊接一次成功率。
1、钛合金的焊接特性
钛合金的焊接性能，具有许多显著特点，这些焊接特点是由于钛合金的物理化学性能决定的。
1.1气体等杂质污染引起焊接接头脆化
钛材具有良好的焊接性能，在常温下，钛及钛合金是比较稳定的。但是其在焊接过程中，温度达到250度时开始吸氢；温度达到400度时开始吸氧；温度达到600度时开始吸氮；从而使焊缝的硬度、强度增加，塑性、韧性降低，引起脆化。钛及钛合金焊接时气孔是最常见的焊接缺陷。焊丝或母材表面清理不干净或氩气不纯都会造成气孔产生，因此保护气-氩气纯度要求在99.99％ 以上。在实际生过程中，只要能有效的控制这些气体元素的来源，就能有效的控制钛材的焊接质量。
（1）氢的影响
氢是气体杂质中对钛的机械性能影响最严重的因素。焊缝含氢量变化对焊缝冲击性能影响最为显著，氢的增加会使钛的焊缝金属冲击韧性急剧下降，而塑性下降少许，氢化物会引起接头的脆性，其主要原因是随缝含氢弹量增加，焊缝中析出的片状或针状TiH2增多。TiH2强度很低，故片状或针状卫HiH2的作用例以缺口，合冲击性能显著降低；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。
（2）氧的影响
焊缝含氧量基本上是随氩气中含氧量增加而直线上升的随焊缝含氧量上升，焊缝的硬度和抗拉强度明显增加，而塑性却显著降低。为了保证焊接接头的性能，在焊接过程中应严防焊缝及焊接热影响区发氧化。
（3）氮的影响
对力学性能的影响。氮是提高焊缝金属强度、降低其塑性和韧性的元素气焊时，当焊接区保护不良，就会使空气中的氮进入焊缝金属熔池中。
工业纯钛焊缝的抗拉强度、硬度，降低焊缝的塑性性能比氧更为显著。当焊缝含氮量在0.13％以上是，焊缝由于过脆而产生裂纹。
（4）碳的影响
碳也是钛及钛合金中常见的杂质，实验表明，当碳含量为0.13%以下时，碳因深在α钛中，焊缝强度极限有些提高，塑性有些下降，但不及氧氮的作用强烈。但是当进一步提高焊缝含碳量时，焊缝却出现网状TiC，其数量随碳含量增高而增多，使焊缝塑性急剧下降，在焊接应力作用下易出现裂纹。碳当量大时在焊接热影响区易产生淬硬的马氏体组织，对裂纹和氢淬敏感。淬硬会形成更多的晶格缺陷，在焊缝中应力和热力不平衡的条件下，晶格缺陷会称为裂纹源，增加了焊缝中形成冷裂纹的倾向。
1.2钛管焊缝缺陷及产生机理
（1）氧化色彩
大约在250℃左右钛开始吸收氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮，而空气种含有大量氮和氧。在进行钛管焊接时，因氩弧焊枪形成的氩气气体保护层只能保护好焊接熔池不受空气的有害作用，而对已凝固而处于高温状态附近的焊缝及其附近区域则无保护作用，而处于这种状态的钛管焊缝及其附近的区域仍有很强的吸收空气中的氮及氧的能力。随氧化程度逐步加重，钛管焊缝颜色发生变化及焊缝塑性下降的规律。银白色（无氧化），金黄色（TiO,轻微氧化），蓝色（Ti2O3 ，氧化稍为严重），灰色（TiO2，氧化严重）。
（2）钛管焊缝的裂纹问题
钛管焊缝缺陷是由于钛管焊接时，因氩弧焊枪形成的氩气气体维护层只能维护好焊接熔池不受空气的有害作用，而对已凝固而处于高温状态附近的焊缝及其附近区域则无保护作用，而处于这种状态的钛管焊缝及其附近的区域仍有很强的吸收空气中的氮及氧的能力。钛及钛合金焊接时，当焊缝含氧、氮量较高时，焊缝或热影响区性能变脆，在较大的焊接应力作用下，会出现冷裂纹。其特征是裂纹产生在焊后数小时甚至更长时间称作延迟裂纹。经研究表明焊接过程中氢的扩散是引起这种裂纹的主要原因。焊接过程中氢由高温深池向较低温的热影响区扩散，氢含量的提高使该区析出TiH2量增加，增大热影响区脆性，另外由于氢化物析出时体积膨胀引起较大的组织应力，再加上氢原子向该区的高应力部位扩散及聚集，以致形成裂纹。防止这种延迟裂纹产生的办法，主要是减少焊接接头氢的来源。
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（3）钛管焊缝中的气孔问题
钛管焊接时，气孔是经常碰到的一个主要问题。形成气孔的根本原因是由于氢影响的结果。
防止产生气孔的工艺措施主要有：
1）在高纯度的氩气保护下进行焊接，氩气纯度不应低于99.99%
2）彻底清除钛管、钛板和钛板管眼表面上的氧化皮油污等有机物。可以用化学和机械方法清洗。
3）对熔池施以良好的气体保护，控制好氩气的流量及流速，防止产生紊流现象，影响保护效果。
4）选择焊接合适的工艺参数、焊接规范，增加深池停留时间使用便于气泡
逸出，可有效地减少气孔。
2钛管焊接
采用全钨极氩弧焊（GTAW）焊接方法。氩弧焊的电弧在氩气流的保护与冷却作用下，电弧热量较为集中，电流密度高，热影响区小，焊接质量较高。
2.1焊前准备焊前应严格清除工件焊口及焊丝表面的氧化膜和油污，清除质量直接影响焊接工艺与接头质量，如焊缝气孔产生的倾向和力学性能等。常采用化学清洗和机械清理两种方法。根据广州天气潮湿潮湿对焊接造成的不利影响，变过去钛管全面胀接完毕后施焊为胀接一部分后立即施焊，避免了管板的重复清洗，保证了焊接质量。
（1）穿钛管前应首先对凝结器钛复合板管孔进行清理，清理时，用浓度大于95%的酒精进行清洗，孔内可借助圆柱形尼龙绳子和白绸子布擦拭，清理时严禁戴橡皮手套。清理标准：用白绸子布擦拭不变色为合格。
（2）穿完管用酒精清洗钛管时，两部必须同时协调进行，一端把钛管推入，清理钛板管孔，另一端把钛管抽出，清理钛管外壁，反之亦然，往返应不少于5次。
（3）胀管经验收合格后方可焊接。且在进行钛管焊接前焊工用手指摸，再检查一次确认无欠胀、漏胀，并用酒精清理后方可进行焊接。
A、钛管焊接过程中将钛管区划分为若干区域，焊工分区负责施焊，避
免因交叉焊接引起的漏焊。
B、钛管胀管欠胀及漏胀是焊接时产生氧化钛管及翻边的主要原因，往往产生不可修补的缺陷，如造成管短，将不能再继续施焊，裂纹也是不易修补的缺陷。所以焊工焊前对仔细进行胀管检查，发现有欠胀、漏胀时重新进行胀管。
C、施焊期间应随清理随焊接，清理可用小型喷雾器在钛管上喷酒精，用白稠布擦净。焊接过程出现夹钨必须清理干净，重新施焊。
2.2手工钨板氩弧焊焊接工艺及参数的选择
经过钛管焊接试验，确定出最终钛管焊接工艺参数：
焊接电流：70~90A（脉冲电流）
焊接速度：2.5—2.7转/分钟
氩气喷嘴流量：5—6L/min
氩气滞后保护流量：9—11L/min
油污等有机物和杂质即严格控制氢的来源，以防止冷裂纹的产生，同时应注意防止气孔的产生，提高钛管焊接一次成功率。
2.3焊缝后拖保护装置
焊缝后拖保护一般采用拖罩，小型轻便拖罩可以和焊枪连在一起，焊接时可以直接起到保护作用，也可由另外一个人单独手持拖罩跟踪操作保护。拖罩应由导热性能好的材料制成，如铜、铝等，拖罩的形状、尺寸、曲率半径应根据管径、焊口形式制作，不得有缝隙，四周应圆滑，必要时罩内可增加通水冷却散热。
焊接时，为了保证焊接的质量，管道背面以及托罩必须充氩气（Ar）保护。在管道内制作氩气室，充气15分钟后，用测氧仪检测管道内氩气室的氧含量，当氧气含量小于100PPM是才可以施焊。焊口先用胶布封住，留一小段不封，以便排出管内的空气。氩气室内的氩气流量为16~20L/min，托罩的氩气流量为12-15L/min。直到第一层打底焊完后氩气室的氩气流量减小到10-15L/mi。
3结束语
由于钛管优异的特性，它在工业领域必将有着更广阔的应用前景，也为焊接技术的发展提出了新的挑战，总而言之，只要严格按照焊接工艺要求施焊，并采取有效的气体保护措施，即可获得高质量的焊接接头，获得理想的焊接一次成功率。
参考文献
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论文作者:孙广域
论文发表刊物:《基层建设》2017年4期
论文发表时间:2017/5/24
标签：钛管论文; 裂纹论文; 气孔论文; 氩气论文; 塑性论文; 钛合金论文; 缺陷论文; 《基层建设》2017年4期论文;