工業(yè)純鈦TA2焊接技術(shù)在刮板薄膜蒸發(fā)器上的應(yīng)用

李冠華 張文廣 盧二明 牛松濤 王萬河 孫貴卿

（石家莊工大化工設(shè)備有限公司)

0 前言

以鈦材牌號(hào)TA2為主體材料的刮板薄膜蒸發(fā)器是一類蒸發(fā)壓力容器，其技術(shù)關(guān)鍵在于材料的坡口加工工藝、保護(hù)工裝和施焊過程中的一些工藝措施。為了探索TA2板材的焊接特點(diǎn)和解決施焊過程中出現(xiàn)的問題，確保焊接質(zhì)量和產(chǎn)品的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了大量的保護(hù)工裝，通過試驗(yàn)及分析確定了最佳的工藝參數(shù)，最后完成了焊接試件及產(chǎn)品的焊接，各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

刮板薄膜蒸發(fā)器主要設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)壓力0.6 MPa，設(shè)計(jì)溫度135℃，工作介質(zhì)為氰乙酸溶液，主體材料TA2，所有A、B類焊接接頭均100%X射線檢測(cè)，按JB/T 4730.2—2005《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》的規(guī)定，RT檢測(cè)達(dá)到Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求為合格。

3.3 數(shù)字PCR平臺(tái)應(yīng)用的局限性 不同平臺(tái)之間性能存在較大差異，以及不同技術(shù)原理、所需操作技術(shù)要求不同。例如，微滴數(shù)字PCR和芯片式數(shù)字PCR在通量、分散程度存在差別，微滴數(shù)字PCR分散體系生成更為簡(jiǎn)便，對(duì)技術(shù)人員操作要求較低。此外不同的檢測(cè)儀器的準(zhǔn)確度、精確度存在差別，對(duì)不同的預(yù)擴(kuò)增液、微滴發(fā)生油，兼容性存在差別。尤其是，微滴式數(shù)字PCR平臺(tái)之間由于微滴發(fā)生油的種類、微滴發(fā)生技術(shù)的差異，微滴數(shù)量為20 000～2 000 000不等，這樣可導(dǎo)致檢測(cè)精度存在差異，理論上，微滴數(shù)量越多，定量越精確。由于采用的技術(shù)不同，實(shí)驗(yàn)室間難以形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

2 設(shè)備主體材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能

主體材料TA2，δ=10 mm，技術(shù)條件為GB/T 3621—2007《鈦及鈦合金板材》，供貨狀態(tài)為退火狀態(tài)，板材的化學(xué)成分見表1，室溫力學(xué)性能見表2。焊絲牌號(hào)ERTA2，規(guī)格?3.0 mm，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3623—2007，焊絲的化學(xué)成分見表3。

表1 板材化學(xué)成分

表2 板材室溫力學(xué)性能

表3 焊絲化學(xué)成分

3 鈦的焊接性分析

TA2是工業(yè)純鈦，主要應(yīng)用于化工、造船、醫(yī)療等工作溫度在350℃以下、受力不大的耐蝕零件，影響其力學(xué)性能和焊接性能的因素主要是雜質(zhì)元素的含量。

3.1 鈦元素的化學(xué)性質(zhì)

鈦是非?；顫姷慕饘?，高溫下與許多氣體有很強(qiáng)的親合力。鈦加熱至300℃時(shí)開始吸收氫，400℃時(shí)明顯氧化，500℃時(shí)明顯氮化，600℃時(shí)氧化、氮化均很劇烈，1000℃時(shí)碳與鈦發(fā)生反應(yīng)。由于氫、氧、氮、碳均是間隙元素，溶于鈦形成間隙固溶體，使晶格產(chǎn)生較大的扭曲和畸變，變形抗力增加。上述元素在溫度降低時(shí)溶解度會(huì)下降，會(huì)析出氫化鈦、氧化鈦、氮化鈦等脆性化合物，使鈦焊縫的強(qiáng)度和硬度增加，塑性和韌性嚴(yán)重下降，引起焊縫的脆化。因此鈦的焊接必須在惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行，不但熔池處要保護(hù) （利用焊槍保護(hù)），而且在焊后冷卻初期焊縫與熱影響區(qū)都要保護(hù) （后拖裝置保護(hù)），即300℃以上區(qū)域都應(yīng)處于惰性氣體保護(hù)下。焊接熄弧后焊絲不得立即暴露在空氣中，如果焊絲被氧化，應(yīng)將氧化部分去除。

3.2 存在裂紋的可能性

鈦中磷、硫、碳等能在晶界與鈦形成低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)很少，有效結(jié)晶溫度區(qū)間窄，焊縫凝固時(shí)收縮量小，因而通常不會(huì)產(chǎn)生焊縫的熱裂紋。鈦焊縫的裂紋是冷裂紋，屬氫致裂紋，它是由于熔池中氫的含量過高造成的。含有過飽和氫的α相發(fā)生共析反應(yīng)，析出氫化鈦，氫化鈦本身強(qiáng)度低，共析反應(yīng)中的體積膨脹會(huì)引起很大的晶間內(nèi)應(yīng)力，可能產(chǎn)生晶間微裂紋，并擴(kuò)展成裂紋。所以對(duì)于鈦的焊接，只要控制好焊絲的雜質(zhì)含量，焊前將焊絲和工件表面的水分、油污、氧化膜等雜質(zhì)清除干凈，即控制住氫的來源，焊縫一般就不會(huì)有裂紋出現(xiàn)。

3.3 氣孔的產(chǎn)生

3.3.1.3 基材

模型制備后立即尾iv給藥，給藥體積為5mL/kg，模型組給予等體積0.9%氯化鈉注射液。給藥后繼續(xù)禁食禁水，24 h后用CO2吸入處死，沿賁門向上鈍性分離并剪取食管約3～4 cm，沿縱軸將食管剪開，生理鹽水沖洗干凈，鋪平，肉眼觀察病變程度并評(píng)分（評(píng)分方法見表1），計(jì)算食管炎抑制率。

3.3.1 直接因素

5.2.2 無損檢測(cè)

應(yīng)當(dāng)在焊接區(qū)進(jìn)行充分的氬氣保護(hù)，并應(yīng)使用不會(huì)混入氧、氮、氫等不純氣體的保護(hù)工裝，這樣才可防止氣孔的產(chǎn)生。這里要注意的問題是，增加氬氣時(shí)要平緩，若突然加大氬氣流速，會(huì)引起紊流而使空氣、塵?；烊氡Ｗo(hù)氣體中，不利于氬氣保護(hù)。

3.3.1.2 填充金屬

3.3.2 間接因素

其中，IEEE率先啟動(dòng)了NG-PON技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)制定，單根光纖上支持25 Gbit/s下行速率，同時(shí)也可以支持10 Gbit/s或25 Gbit/s的上行速率，并且可以和10 G EPON兼容。而對(duì)于50 Gbit/s需求帶寬，采用多波長(zhǎng)疊加技術(shù)和通道綁定技術(shù)可以提供2個(gè)25 Gbit/s通道，實(shí)現(xiàn)50 Gbit/s帶寬，其標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)2019年中提交發(fā)布。

鈦材的焊接易產(chǎn)生氣孔，雖然這種氣孔與鋼鐵、鋁的焊接發(fā)生的氣孔相比要少，但有時(shí)氣孔數(shù)量也相當(dāng)多，用射線檢測(cè)焊縫，其等級(jí)往往較低。造成鈦材焊接產(chǎn)生氣孔的因素多而復(fù)雜，主要的原因有以下兩方面。

在坡口周圍必須用不銹鋼絲刷進(jìn)行清理，將氧化物和其它雜質(zhì)完全去除，然后再用丙酮等進(jìn)行脫脂處理。對(duì)坡口處進(jìn)行打磨處理是不合適的，應(yīng)當(dāng)用旋轉(zhuǎn)刀具進(jìn)行精加工。

不應(yīng)使用表面粗糙的填充金屬。在施焊前填充金屬必須用丙酮等進(jìn)行脫脂處理。

3年前，馬爹爹發(fā)現(xiàn)頭頂上長(zhǎng)了一個(gè)皰，很癢，便動(dòng)手將皰摳破了，沒想到從此瘙癢感從頭頂蔓延到全身。這種癢很不“講究”，說發(fā)作就發(fā)作，一癢就是幾個(gè)小時(shí)。

4 焊接工藝方案

4.1 焊接方法

焊接方法采用手工鎢級(jí)氬弧焊。采用配有高頻啟動(dòng)器的焊機(jī)，采用直流正接。

4.2 焊接坡口的設(shè)計(jì)

鈦材焊接時(shí)流動(dòng)性好，所以設(shè)計(jì)坡口時(shí)選擇V形坡口，坡口角度60°、鈍邊2 mm，焊接間隙3～4 mm。

4.3 氬氣保護(hù)

焊接用的氬氣純度不應(yīng)低于99.99%，露點(diǎn)不應(yīng)高于-50℃，且符合GB/T 4842的規(guī)定。瓶裝氬氣的壓力低于0.5 MPa時(shí)不宜使用。

氬氣保護(hù)的效果直接影響焊接質(zhì)量。在焊接和焊后冷卻過程中，焊縫與熱影響區(qū)的溫度高于300℃的區(qū)域必須置于氬氣保護(hù)之下。如果保護(hù)不到位，在焊接時(shí)金屬就會(huì)與氧、氮等氣體反應(yīng)，熔敷金屬的硬度將顯著增大，從而伸長(zhǎng)率降低而變脆。氬氣的保護(hù)效果可以通過焊縫的顏色來判斷，如表4所示。

糧食的可獲性：是指可以獲得符合質(zhì)量及數(shù)量要求的糧食，糧食可以是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的，也可以是進(jìn)口的（包括糧食援助）。糧食的可獲性表述的是糧食安全的“供給方面”，是由糧食生產(chǎn)水平和交易量決定的。

表4 氬氣的保護(hù)效果與焊縫顏色判斷

關(guān)于焊接區(qū)的脆化 （氧化、氮化）問題，只要對(duì)焊接高溫區(qū)進(jìn)行充分的氬氣保護(hù)，并在焊前對(duì)焊接接頭區(qū)進(jìn)行仔細(xì)凈化，就完全能得到解決。

4.4 焊絲的選擇

在正常焊接工藝下，所用焊絲應(yīng)使焊縫的抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材退火狀態(tài)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的下限，同時(shí)塑性不低于退火狀態(tài)下的母材或與母材相當(dāng)，并使焊縫的耐腐蝕性能也與母材相當(dāng)。

坡口原則上采用機(jī)械加工。對(duì)曲面或復(fù)雜形狀的坡口，往往是在熱切割后進(jìn)行打磨精加工。但打磨處理過的坡口，即使清洗后也會(huì)殘留有氧化硅等微粒，這是造成氣孔等焊接缺陷的重要因素，所以打磨處理過的鈦材坡口面還必須用旋轉(zhuǎn)刀具進(jìn)行加工。試件與產(chǎn)品焊接前應(yīng)將坡口的毛刺清理干凈，一般先使用手工處理，然后再用丙酮或乙醇清洗脫脂，并將坡口、焊絲擦干凈，隨時(shí)焊隨時(shí)清理，不要擱置時(shí)間太長(zhǎng)。在焊接過程中出現(xiàn)焊接缺陷時(shí)，不要用電動(dòng)砂輪進(jìn)行清除，而要用旋轉(zhuǎn)刀具進(jìn)行清除。

4.5 焊接操作方法

鈦材的焊接采用氬弧直流正接法，并應(yīng)配備高頻啟動(dòng)器。起弧時(shí)應(yīng)將鎢極靠近基體約3～5 mm，不能將電極與基體直接接觸。另外，焊接完畢焊炬不能立即離開焊縫，應(yīng)使焊絲和焊接高溫區(qū)在氬氣的保護(hù)下冷卻。若斷弧后立即將填充金屬?gòu)谋Ｗo(hù)氣體中取出，其尖端會(huì)氧化，所以必須在保護(hù)氣體下冷卻。如果焊絲發(fā)生氧化，應(yīng)將氧化部分去掉。

4.6 焊接保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

設(shè)備焊縫的打底焊、填充焊和蓋面層焊接時(shí)，除了焊槍通氬氣進(jìn)行保護(hù)外，還要采取其他保護(hù)措施。例如，采取后拖保護(hù)裝置，見圖1；背面用自制工裝通氬氣進(jìn)行保護(hù)，見圖2；外環(huán)焊縫焊接時(shí)采用背面保護(hù)裝置，見圖3；內(nèi)環(huán)焊縫焊接時(shí)采用背面保護(hù)裝置，見圖4；管管對(duì)接時(shí)采用保護(hù)室，見圖5。管-板角焊縫均按照相同的原理設(shè)計(jì)了相應(yīng)的保護(hù)裝置。為了防止鐵離子的污染，所有氣體保護(hù)裝置均采用不銹鋼加工。

圖1 平板對(duì)接及縱縫后拖保護(hù)裝置

圖2 平板對(duì)接及縱縫背面保護(hù)裝置

圖3 外環(huán)焊縫焊接時(shí)背面保護(hù)裝置

圖4 內(nèi)環(huán)焊縫焊接時(shí)背面保護(hù)裝置

圖5 管管對(duì)接保護(hù)氣室

4.7 焊接工藝參數(shù)

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，確定了焊接工藝參數(shù)，如表5所示。

間接因素主要是焊接條件。熔融時(shí)間越長(zhǎng)，氣孔消失就越明顯，所以焊接速度以慢為好，并應(yīng)盡量采用小電流。

表5 焊接工藝參數(shù)

4.8 其他

焊絲中的氮、碳、氧、氫等雜質(zhì)元素含量上限值應(yīng)大大低于母材中雜質(zhì)元素的標(biāo)準(zhǔn)含量上限值。一般不允許從母材上裁條充當(dāng)焊絲。

5 焊接工藝評(píng)定方案

5.1 試件的焊接

材料牌號(hào)：TA2；材料狀態(tài)：退火狀態(tài)；材料規(guī)格：10 mm×125 mm×300 mm，2件；焊接位置：1G；焊接方法：鎢極氬弧焊；保護(hù)裝置：平板對(duì)接時(shí)后拖保護(hù)裝置見圖1，背面保護(hù)裝置見圖2；焊接材料：ERTA2；焊材規(guī)格：?3.0 mm；焊接電源與極性：直流正接。焊接工藝參數(shù)見表5。

5.2 檢驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果

5.2.1 外觀檢驗(yàn)

1.2 抽樣原則 黔東南州共有10個(gè)縣(市)種植烤煙，根據(jù)其烤煙種植面積和合同戶數(shù)確定每個(gè)縣(市)抽樣的抽樣數(shù)量，具體抽樣煙農(nóng)的分布情況見表1。其中，鎮(zhèn)遠(yuǎn)種植面積最大，為2 840 hm2，合同戶數(shù)1 538，抽樣量108個(gè)。

IX53型光學(xué)倒置顯微鏡，日本 Olympus公司；LEICA EG 1150H型石蠟包埋機(jī)、LEICA TP 1020型自動(dòng)脫水機(jī)、LEICA EG 1150C型超薄切片機(jī)，德國(guó)Leica公司；Power Pac TM Basic電泳儀，美國(guó)Bio-Rad公司；Bioshine Chemi Q 4800化學(xué)發(fā)光凝膠成像自動(dòng)顯影儀，上海歐翔科學(xué)儀器有限公司；JA2003電子分析天平，上海天平儀器廠。

試件的焊縫與熱影響區(qū)正、反面顏色為銀白色或金黃色，說明保護(hù)效果良好，而且外觀上無裂紋、未熔合、未焊透、咬邊、表面氣孔、弧坑等缺陷。

最后，對(duì)于綜合素質(zhì)較高的學(xué)生，要將一些教材之外的化學(xué)知識(shí)告知給每一位學(xué)生并將這些化學(xué)知識(shí)的具體應(yīng)用方式進(jìn)行講授，以此來擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

3.3.1.1 焊接氣氛

“131”院落自治模式之所以成功，離不開上級(jí)單位（從中央的頂層設(shè)計(jì)，市區(qū)的高度重視，街道的放手支持）的大力支持；離不開社區(qū)黨委的無私付出；離不開社區(qū)居民的傾心參與。

試件按JB/T 4730.2—2005《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》RT-Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行檢測(cè)。

5.2.3 力學(xué)性能檢測(cè)

經(jīng)濟(jì)發(fā)展新態(tài)勢(shì)下，更多經(jīng)濟(jì)元素出現(xiàn)，競(jìng)爭(zhēng)也日趨復(fù)雜激烈，此背景下，企業(yè)就需要將更多關(guān)注重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到對(duì)企業(yè)財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的控制與管理上來，加強(qiáng)對(duì)企業(yè)財(cái)務(wù)管理人員的培訓(xùn)，使其樹立風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)，提高對(duì)多方位財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)估和評(píng)判水平，以便更好的去對(duì)企業(yè)財(cái)務(wù)進(jìn)行管理和監(jiān)控，及時(shí)預(yù)防和處理財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)和危機(jī)，從而提綱企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

橫向全厚度拉伸試件兩個(gè)。取樣位置應(yīng)在焊縫打磨后從焊接接頭整個(gè)厚度上切取，按GB/T 228進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果其抗拉強(qiáng)度分別為600 MPa和620 MPa，在焊縫處斷裂，不低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的母材抗拉強(qiáng)度的最低值，滿足要求。

彎曲試驗(yàn)為面彎和背彎各兩個(gè)試件。取樣位置應(yīng)在焊縫打磨后從焊接接頭整個(gè)厚度上切取，按GB/T 2653進(jìn)行試驗(yàn)。在支承輥間距為103 mm、彎心直徑為100 mm、彎曲角度為180°的條件下進(jìn)行兩個(gè)面彎、兩個(gè)背彎試驗(yàn)，均為合格。

通過對(duì)焊接試件的檢測(cè)與分析，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)要求，證明該焊接工藝方案是正確的。

6 產(chǎn)品的焊接和檢驗(yàn)

6.1 產(chǎn)品的焊接

產(chǎn)品的焊接方法采用鎢極氬弧焊，焊接規(guī)范參考本文第4.7節(jié)，電源極性同本文第5.1節(jié)所述，保護(hù)氣體為99.99%的氬氣，焊絲采用ERTA2，焊絲規(guī)格為?3.0 mm。焊接時(shí)，在焊接和焊后冷卻過程中，必須將焊縫與熱影響區(qū)溫度高于300℃的區(qū)域置于氬氣保護(hù)之下，具體保護(hù)措施同本文第4.6節(jié)所述。對(duì)于筒體焊縫的延伸部位上組對(duì)產(chǎn)品的焊接試件，應(yīng)當(dāng)與筒體同時(shí)同規(guī)范焊接。

6.2 檢驗(yàn)結(jié)果

6.2.1 外觀檢驗(yàn)

站在最前面的是一個(gè)四十多歲的中年男人，他穿著講究，表情嚴(yán)肅，顯然就是剛才發(fā)號(hào)施令的人。果然，張大爺一到，就向他匯報(bào)起來：“李總，這倆小家伙是來參觀咱們蠟像館的，沒搞清楚開館時(shí)間，這不，撲了個(gè)空……”

產(chǎn)品的焊縫與熱影響區(qū)正、反面顏色為銀白色或金黃色，說明保護(hù)效果良好，而且外觀上無裂紋、未熔合、未焊透、咬邊、表面氣孔、弧坑等缺陷。

6.2.2 無損檢測(cè)

產(chǎn)品按JB/T 4730.2—2005《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)要求，探傷合格率在96%以上。

6.2.3 產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢測(cè)

式中：和Var(X)分別表示隨機(jī)參數(shù)的均值和方差向量;(·)[2]=(·)?(·),?代表Kronecker積。

試驗(yàn)結(jié)果：拉伸試驗(yàn)按GB/T 228進(jìn)行，測(cè)定結(jié)果試件焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為610 MPa，在熱影響區(qū)內(nèi)斷裂；彎曲試驗(yàn)按GB/T 2653進(jìn)行，在支承輥間距為103 mm、彎心直徑為100 mm、彎曲角度為180°的條件下進(jìn)行一個(gè)面彎、一個(gè)背彎試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均無缺陷。產(chǎn)品焊縫的力學(xué)性能指標(biāo)均符合NB/T 47016—2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

7 結(jié)束語

通過焊接工藝試驗(yàn)與分析，工業(yè)純鈦TA2焊接時(shí)，除了要確定合理的焊接工藝，包括焊接方法、坡口形式、坡口加工處理、焊絲的選擇和焊接工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)之外，關(guān)鍵的一點(diǎn)就是要在焊接與冷卻過程中將焊縫與熱影響區(qū)溫度高于300℃的區(qū)域正反面均置于氬氣的良好保護(hù)之下，為此還自行設(shè)計(jì)制作了大量的氣體保護(hù)裝置。

[1] 黃嘉琥，應(yīng)道宴．鈦制化工設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2] 黃嘉琥．各國(guó)鈦容器規(guī)范要點(diǎn)(I)[J]．鈦工業(yè)進(jìn)展，1995（5）：1-8.

[3] 羅國(guó)珍．中國(guó)鈦的研究與發(fā)展 ［J］．稀有金屬材料與工程，1997，26（5）：2-5.

[4] 崔昆．鋼鐵材料與有色金屬材料［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981：198-199.