摘要:文中介绍了钛合金的材料特点及焊接性能,包括焊前处理、焊接工艺选择、焊接中缺陷的产生及如何避免。并针对钛合金在化工装置应用中出现开裂情况的处理方法进行了论述。

　　关键词:可焊性;裂纹;化学清理;手工钨极氩弧焊

　　2005年,对大庆石化分公司化工二厂醋酸装置1台钛材换热器试压检修时,发现管束开裂,处理方法只有2种:制作同样可代替的钛材换热器,或者对换热管端部泄漏部位进行焊接处理。如果重新制作同样可代替的钛材换热器,制造工期为8 d,装置开工在即,显然不可行。只能修复换热管端泄漏部位。因为设备的材质是TA(4α+β相),钛合金这种合金在室温下,其强度可达到93.1 MPa,而且在高温下(500℃以下)性能稳定,可焊性良好。从焊道取样分析其填充焊丝为TC4,所以可以采用现场就地焊接修复[1]的办法。

　　1·钛合金焊接时容易产生的主要缺陷

　　(1)钛及钛合金焊接时,焊接接头产生热裂纹的可能性很小,这是因为钛及钛合金中S、P、C等杂质含量很少,由S、P形成的低熔点共晶不易出现在晶界上,加之有效结晶温度区间窄小,钛及钛合金凝固时收缩量小,焊缝金属不会产生热裂纹。但是,钛及钛合金焊接时,热影响区可能出现冷裂纹,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。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。

　　(2)钛及钛合金焊接时,气孔是经常碰到的问题。形成气孔的根本原因是由于氢影响的结果。焊缝金属形成气孔主要影响到接头的疲劳强度。氢是冷裂纹和气孔形成的主要原因。因为氢在小于300℃,在α相中溶解度很小,在室温时极限溶解度只有0.002%。当焊缝或热影响区在焊后冷却到300℃以下,过饱和的氢即以氢化钛(γ相)形式析出。体积增大并产生晶间应力,此应力发展会引起晶间微裂纹。晶间微裂纹在外应力作用下会扩展成为裂缝[2]。

　　2·修复方法的确定

　　钛合金焊接时,当温度高于500~700℃时,很容易吸收空气中的氧、氢和氮,严重影响焊接质量。因此,钛合金焊接时,对熔池全面及高温部位(400~650℃以上)的焊缝区必须严加保护。为此,钛及钛合金焊接时必须采取特殊的保护措施。因此,采用氩弧焊接的方法处理,并采用喷尺寸较大的焊矩,以扩大气体保护区面积,当喷嘴不足以保护焊缝及近缝区高温金属时,需补充氩保护拖罩。

　　3·氩弧焊焊接工艺及参数的选择

　　焊缝和近缝区颜色是保护效果的标志,银白表示效果最好、黄色为轻微氧化。焊缝和热影响区的表面颜色见表1。

　　经过钛材手工钨板氩弧焊焊接试验结果,决定采用的焊接工艺参数见表2。

　　4·焊前准备和坡口选择

　　(1)焊件和焊丝表面质量对焊接接头的力学性能有很大影响。焊前可先对试件及焊丝进行酸洗。用净水冲洗,烘干后立即施焊。用丙酮、乙醇、四氯化碳、甲醇等擦拭钛板坡口以及其两侧(分别为50 mm内)、焊丝表面、工具夹与钛板接触的部分。

　　(2)焊接设备的选择[3]。钛及钛合金氩弧焊应选用具有下降外特性、高频引弧的直流氩弧焊电源,且延迟递气时间不少于15 s,避免焊接时遭受到氧化、污染。所以采用WSM-315型IGBT逆变直流脉冲氩弧焊机。

　　(3)焊接材料的选择。氩气纯度应不低于99.99%,露点在-40℃以下,相对湿度小于5%。当氩气瓶中的压力降至0.981 MPa时,应停止使用。填充丝一般采用同质材料,为改善接头塑性,可用比母材合金程度稍低焊丝TC3,该次焊接采用焊丝:TC3。

　　(4)坡口形式的选择。原则上尽量减少焊接层数和焊接金属。随着焊接层数的增多,焊缝累计吸气量增加,以至影响焊接接头性能。又由于钛及钛合金焊接时焊接熔池尺寸较大,因此焊件开单V型70~80°坡口。

　　5·结束语

　　正确选择焊接工艺参数彻底清除焊件表面、焊丝表面上的氧化皮、油污等有机物。控制好氩气的流量及流速,防止产生紊流现象,影响充气保护效果。采用手工钨极氩弧焊钛合金焊接处理裂纹办法可行,可以得到满意的效果。该设备E203自2005年8月检修后投产至今,运行一直良好,未发现该修复焊口泄漏现象,为醋酸装置安全生产提供了可靠保障。

　　参考文献:

　　[1]姆.纳.福金.钛和钛合金在化学工业上的应用[M].上海:上海科学技术文献出版社,1976:37.

　　[2]增渊兴一.焊接结构分析[M].北京:机械工业出版社,1978:56-58.

　　[3]杜礼辰,翟书汾.工程焊接手册[M].北京:原子能出版社,1981:34-35.

　　作者简介:高俊生,男,工程师,1981年毕业于大庆石油化工总厂职工大学化工机械专业。现从事化工设备管理工作。