工业纯钛焊接工艺试验及焊接接头质量控制

1、工业纯钛焊接工艺试验及焊接接头质量控制 齐鲁石化公司检修公司 聂振海 1993.10 钛及钛合金具有比重小，强度髙及良好的髙、低温性能，它在湿氯气中，氧酸盐、 尿素、硝酸、石酸、石炭酸等大多数酸、碱、盐介质中有优异的抗裂性能和耐腐蚀性 能，使之成为一种前景广范的新型结构材料，越来越广泛地应用在石油化工、军工、 宇航、制药等各个领域。 但是，由于钛在高温下，有很强的化学活泼性，熔点高，热熔量小，导热性差等 特点，因此它的可焊性具有与碳钢、普通低合金钢、不锈钢、铝、铜等不同的显著特 点 为了广开生产门路，适应我公司化工生产的需要，我们进行了工业纯钛焊接工艺 试验及焊接接头质量控制的专题研修。现简述

2、如下： 一、工业纯钛的种类及性能 工业纯钛的牌号用汉语拼音字母TAx表示。TAD是碘法钛，TA4-TA8. TB2. TCi-TCio是钛合金。工业纯钛有TA】、TA2、TA3,其化学成分及常温机械性能见表1。 工业纯钛的化学成分及板材的室温机械性能表1 牌 号 化学成分 % 状 态 板材厚 度 mm 室温性能，不小 于 不 小 于 杂质， 不大于 抗拉强 度 b , kgVm m2 伸 长 率 , % 弯 曲 角 (1 度 Ti Fe Si C N H 0 TA 1 99. 5 0.1 5 0.1 0 0.0 5 0.0 3 0.01 5 0.1 5 退 火 0.3-2.0 2.1-10.

3、0 35-50 40 30 14 0 13 0 TA 2 99. 2 0.3 0 0.1 5 0.1 0 0.0 5 0.01 5 0.2 0 退 火 0.3-1.0 1.1-2.0 2.1-10. 0 45-60 35 30 25 10 0 10 0 90 TA 3 99. 0 0.4 0 0.1 5 0.1 0 0.0 5 0.01 5 0.3 0 退 火 0.3-1.0 1.1-2.0 2.1-10. 55-70 30 25 20 90 90 80 0 钛的机械性能与纯度有关，钛纯度越髙，强度越低，但塑性增加。杂质与钛形成 脆性化合物，使塑性、韧性急剧降低，因此，钛中杂质受到严格限制。钛

4、与钢、铝、 铜的部分物理性能比较见 表2。 钛与钢、铝、铜的部分物理性能比较表2 材料 比重 (g/cirP) 熔点 (C) 导热系数 X （卡/cm 秒-C） 容积比热 （卡 /cm3 C） 电阻系数P （欧姆/cm 105） 工业纯钛 4.5 1680 0.039 0.68 54 不锈钢 7.9 1420 0.089 1.1 73 低碳钢 7.8 1530 0.096 1.15 15 铝 2.7 660 0.54 0.65 2.8 铜 8.9 1083 0.94 0.95 1.55 钛的导热系数小，比热小，电阻系数大，与不锈钢相比在焊接时，所需功率还要 小，而且焊透性也较好。 二、工业纯钛

5、的可焊性特点 1、高温下易氧化 工业纯钛的化工性质非常活泼，虽然常温下比较稳立，但在髙温下易吸收氢、氧、 氮等气体而变脆，使塑性显著下降。 为了防止上述有害气体的污染，在焊接时需要采用特殊的工艺播施。 2、焊接线能量对焊接接头性能的影响 工业纯钛焊接接头的强度与母材相近，而塑性则明显比母材低，过热区最低。分 析其原因有两个方而： 一方而由于钛材熔点高，导热性差，比热小，因此焊缝及过热区高温停留时间长， 冷却速度慢，致使过热区出现粗大的晶粒，从而使塑性低。 另一方面，如果焊缝冷却速度很快时，会岀现B相相无扩散型转变。这 种转变类似钢中的马氏体转变。而u相又不同于钢中的马氏体，它的过饱和程度较低，

6、 冷却越快；过饱和程度越髙，a相越细密，塑性就越低。 因此，工业纯钛焊接时应选择适当的线能量，使热影响区的冷却速度既不过慢， 又不过快，从而防止晶粒严重长大及过疑细小的a相存在。 3、焊接变形及冷裂纹倾向严重 由于钛材弹性模量比钢小，所以在同样的内应力情况下，钛的焊接变形大，而且 回弹大，所以又难以矫正。 工业纯钛焊接时，有时会岀现延迟裂纹。氢是引起焊接裂纹的主要原因。裂纹多 出现在热影响区，该区含氢量高，从而析岀TiH?量增加，使其脆性增加。另外，析岀 氢化物时体积膨胀引起较大的组织应力，再加上氢原子向高应力区扩散及聚集，导致 裂纹产生。 减少焊接变形，防止裂纹的办法是采用正确的焊接程序，减

7、少焊接接头上氢的来 源。 4、易产生气孔 气孔是工业纯钛焊接中较常见的一种工艺缺陷。主要是氢气孔。钛焊缝气孔往往 分布在熔合线附近，这是钛气孔一个特点。 防止产生气孔主要是减少氢的来源。使用高纯度的氮气，焊件及焊丝表而要认真 淸洗，去除水分、油污、氧化皮、有机纤维及吸附的气体杂质。此外，要配合适宜的 焊接工艺，如焊接速度等。 三、工业纯钛的焊接工艺要点 1、焊接环境：焊接环境要求通风、干燥、无尘并与钢结构预制场所隔离。风速小 于2m/秒，以室内（或棚内）作业为好。湿度小于90%0 2、焊接器材 焊丝的化学成分和力学性能要与母材相当，要求髙塑性时，纯度应比母材髙。 氮气纯度大于等于99.99%,

8、水分小于等于50ml/m3,露点低。 焊机应有高頻引弧、电流衰减和气体延时保护装置。 氮气纯度对对接接头表而颜色及接头弯曲角的影响表3 氮气纯度（） 99.99 98.7 97.8 97.5 97.0 96.5 96.0 94.0 接头表面氧化颜 色 银白 浅黄 深黄 金紫 深蓝 灰蓝 灰红 灰白 接头冷弯角（rad） 158 145 115 114 93 44 39 0 TA3板材，板厚1.5mm 采用软塑料管输氮气。喷嘴直径选用鋪鸽极（或牡鸨极），鸽极磨削 成图1所示形状。 I ”/zz 11 么 Zzl Tjl 图2坡口形式 3、焊前准备 坡口采用机械方法加工。 坡口形状见图2。 坡口及

9、焊丝的淸理。焊前应认真对焊丝及坡口进行淸理，这是工业纯钛焊接中重 要的一步。清理方法可采用机械淸理：用细锂、奥氏体不锈钢线刷或銃刀等，和化学 淸洗的方法。 化学淸洗方法见表4。 钛合金酸洗溶液配方及规范表4 配方号 组分 浸洗时间 冲洗 A HC1 350ml/L HNO3 60mI/L,NaF 50ml/L,H2O 余量 室温1 3 min 冷净水 B HF 10%, HNO3 30%, H2O 60% 室温下 lmin 冷净水 将焊丝表面及坡口两侧25mm以内的氧化皮、汕脂、毛刺和污物淸理干净.最后 用绸布沾丙酮或乙醇擦洗，以彻底除去油污及水分。淸理完后必须在4小时内焊完， 否则要重新淸理

10、。淸理过的焊丝应在150200C下保温使用，取用时应戴淸洁手套。 4、定位焊 工业纯钛的泄位焊，一上要采用与正式焊接完全相同的焊接材料和焊接工艺，- 点焊处不得有裂纹、气孔、夹渣及氧化变色等缺陷，一旦发现缺陷应及时消除重焊。 泄位焊长度10mm左右，间距150200mm,高度不超过壁厚的2/3。 5、焊接方法 工业纯钛采用手工钩极氮弧焊。手法采用左焊法，见图3、图4。直流正接。焊接 位It采用平 T焊接方向 焊和管口的转动焊。在不妨碍观察的前提下，弧长越短越好，不摆动或少摆动。焊接 层数越少越好，以免引起晶粒粗大。 6、焊接工艺参数 焊接工艺参数见表5。 焊接工艺参数表5 壁厚 (m m) 焊

11、 接 层 数 鸽 极 直 径 (m m) 焊 丝 直 径 (m m) 嘴径m 1 喷直8 多 层 3 3 16-2 0 200 120-18 0 12-1 6 20-25 121 5 25-3 0 8-15 宜采用较小的焊接规范。热输入量小于、等于35OOOJ/cm,层间温度小于、等于 2oor,小电流和较慢的焊接速度。这样即可以防止过热产生粗晶，又可防止或减少气 孔、裂纹、咬边等焊接缺陷。 7.- 四、工业纯钛的焊后检验 1、焊道表而色泽的检査 焊道表而色泽的检查，是检验工业纯钛是否被氧化，检查保护效果好坏重要的一 环。每层每道焊道都应进行检查，发现不合格焊道应清除重焊。合格标准见表6。 焊道色泽检查合格标准表6 焊道色泽 保护效果 质量 大约温 度C 银白色（金属光泽） 优 合格 300 金黄色（金属光泽） 合格 750 暗灰色 灰白色 黄白色 最后焊道也可用酸洗法确肚是否合格，经酸洗除去颜色者为低温氧化，不能除掉 的为