鈦—鋼復合板煙囪鋼內(nèi)筒焊接工藝與應用

張宏達ZHANG Hong-da；徐雋媛XU Jun-yuan

（神華寧煤煤制油項目部，銀川 750411）

（Coal to Oil Project Department，Shenhua Ningxia Coal Industry Group，Yinchuan 750411，China）

0 引言

本文詳細介紹了鈦-鋼復合板煙囪內(nèi)筒焊接工藝以及施工中的應用，希望能夠為鈦-鋼復合板煙囪鋼內(nèi)筒施工提供參考。

1 概況

神華寧煤煤制油項目動力站工程1#煙囪設計為雙管（240/2×Φ6m）套筒式煙囪。煙囪外筒為鋼筋砼結構，高232.5m；煙囪鋼內(nèi)筒為內(nèi)壁直徑為6m，高220.65m 的圓柱形鋼制排煙管，設計62m 膨脹節(jié)以上懸掛于煙囪210m 平臺鋼梁上，62m 膨脹節(jié)以下支撐于19.75 平臺，頂標高240m，底部標高19.35m。頂部高出頂層砼平臺7.5m。懸吊段高度5m，設計為20+1.2mm 厚的鈦鋼復合板；懸吊段上部高度26m，設計為10+1.2mm 厚的鈦鋼復合板；懸吊段下部至膨脹節(jié)之際設計為8+1.2mm 厚的鈦鋼復合板，膨脹節(jié)以下自立段設計為12+1.2mm 厚的鈦鋼復合板；總重量約860 噸。

2 鈦板的性能

鈦材由于韌性好、耐腐蝕和易于成型等優(yōu)點，多用于煙囪鋼內(nèi)筒及各種壓力容器、加熱器、反應釜和特殊設備中，但鈦材同時也具有熔點高，熱容大，導熱性差等特性。在施工過程中要比一般鋼材焊接復雜，焊接難度大，焊接技術要求高。

由于鈦在空氣中極易被氧化，鈦材焊接時，易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷；施焊過程中熔池從液態(tài)轉變成固態(tài)，焊縫和高溫熱影響區(qū)晶粒易長大，促使焊接接頭的朔性下降。由于鈦板造價比高，我國大多數(shù)先用復合板，這樣一來就給焊接接頭帶來了很大的困難，在制造工藝中選用的是板帶連接焊。在施工現(xiàn)場選用的是鈦板1.2mm-1.4mm 與鋼板爆破成型。

施工中選用鎢極氬弧焊加同質(zhì)焊絲或不填加焊絲，在保護良好的條件下焊接接頭強度系數(shù)接近100%。

因此，焊接時對熔池、焊縫及溫度超過400℃的熱影響區(qū)都要加以妥善保護。焊接時評定鈦氬氣保護效果的好壞，最簡單的方法是利用目視確定焊縫表面上的顏色，如果焊接接頭保護良好，沒有氧化，則焊縫和熱影響區(qū)的金屬表面呈銀白色光澤；當該區(qū)呈其它顏色時，即所謂有一層非常薄的表面覆蓋薄膜時，這時的焊接接頭的冷彎性能有很大的差別。

鈦的熔化溫度高、熱容量大、電阻系數(shù)大、熱導率比鋁、鐵等金屬低得多。上述物理特性使鈦的焊接熔池具有更高的溫度、較大的熔池尺寸，熱影響區(qū)金屬在高溫下的停留時間長，因此，易引起焊接接頭的過熱傾向，使晶粒變得十分粗大，接頭的塑性顯著降低。故在選擇焊接規(guī)范時，應盡量保證焊接接頭（特別是熱影響區(qū)金屬）既不過熱，又不產(chǎn)生淬硬組織，一般采用小電流、高焊速的焊接規(guī)范。

煙囪鋼內(nèi)筒鈦-鋼復合板焊接過程中焊縫易出現(xiàn)氣孔，氣孔是最常見的缺陷，它占鈦整個焊接缺陷的70%以上。

3 鈦-鋼復合板焊接工藝

3.1 焊前清理 鈦復層（TA2）的焊前清理非常重要，由于其清理的不細致引起污染的鈦材、鈦焊絲被使用，其危害是致命的。

鈦-鋼復合鋼板中鈦復層（TA2）焊接時，焊前應對鈦蓋板及鈦焊絲進行化學清洗，酸溶液用HNO3、HF、H2O 混合配制，清洗后必須用清水沖凈，然后烘干，即可使用，若暫時不用的應妥善保管，以免造成新的污染。

施焊前，對于鈦材再用潔凈白布蘸丙酮擦洗。復層鈦（TA2）清理范圍距離焊邊至少40mm，焊件清理后要盡快施焊。清理干凈的焊絲和焊件，不應用手觸摸，焊前嚴禁沾污，否則應重新清理。焊接坡口不能沾污，為提高焊接冶金質(zhì)量，臨焊前用刮刀刮削坡口端面，用不銹鋼絲刷清理鈦復層至少40mm。

3.2 鋼內(nèi)筒鈦條裝配 鈦條裝配時不能用鐵器敲打焊件，應采用銅錘或鋁錘敲擊焊件，避免產(chǎn)生凹坑和鐵污染。鈦條裝焊時所用的工具都應用丙酮或酒精清除灰塵、油脂等污物，且這些工具不能與鋼結構焊接所用的工具混用。焊工和裝配鉗工應戴潔凈的白手套，穿潔凈的工作服。

3.3 焊接材料 焊接鈦（TA2）應采用高純度的氬氣進行焊接，其純度不應低于99.99%（一級純氬）。

鈦焊絲嚴格按JB/T4745-2002 標準采購焊絲并加強復驗。一般來說，工業(yè)純鈦焊接時，填充金屬與母材的標稱成分相同。填充絲直徑1～3mm。

對于厚度大于1.0mm 的焊件來說，噴嘴已不足以保護焊縫和近縫區(qū)高溫金屬，一般需附加拖罩，拖罩寬25～60mm，手工焊拖罩長40～100mm，為了便于操作，噴嘴和拖罩可做成一體，視焊件厚度而定，薄的焊件拖罩短些，厚的拖罩則要長些。焊接直縫用平的拖罩，分布管靠近進氣的一側鉆有直徑0.8～1.0mm 小孔，孔距10mm 左右。氬氣經(jīng)不銹鋼網(wǎng)或多孔板進入保護區(qū)，多孔板厚0.8～1.0mm，孔徑1.0mm，孔距8～10mm。不銹鋼網(wǎng)或多孔板起到類似氣篩作用。網(wǎng)或多孔板到焊件的距離10～20mm，以保證保護效果。應注意保護焊縫背面，鈦密度小，熔池表面張力大，焊漏的可能性比鋼小，只要保護良好，容易獲得良好的背面焊縫成形。在多數(shù)情況下，背面保護可以采用類似拖罩的結構。為加強冷卻可采用純銅背面墊板，墊板有凹槽，槽深2mm 左右，寬3～8mm，視板厚而定，槽下有通氣孔，孔徑1.0mm，孔距10mm，通氬氣以實現(xiàn)背面保護。

3.4 鈦-鋼復合板焊接方法 鈦材一般采用鎢極氬弧焊或熔化極氬弧焊的方法進行焊接，其中鎢極氬弧焊一般用于薄板焊接，手工鎢極氬弧焊采用了氬氣保護，合金元素基本沒有燒損，焊縫結晶組織較細，熱影響區(qū)最窄，接頭性能好。

在鎢極氬弧焊填絲焊接時，采用焊絲距熔池一定高度導入，使焊絲熔化后不直接進入熔池，而是在電弧區(qū)下落，起到熔滴凈化去氣作用，可明顯減少氣孔。

3.5 鈦板焊接設備 焊接設備應簡單、操作方便，可進行全位置焊接。所選焊機的引弧、穩(wěn)弧性能要好，焊接過程中規(guī)范參數(shù)穩(wěn)定，調(diào)節(jié)方便，冷卻水、保護氣體供應系統(tǒng)安全可靠。復層鈦的焊接保護要好，輸送氬氣的管道應采用不易吸潮材料的塑料管，每次開機前對輸氣管進行檢查，開機后，檢查氬氣的出氣情況，若發(fā)現(xiàn)其中輸氣管不正常，要由專業(yè)人員及時檢修，待檢修完成后，再次檢查，直到輸氣系統(tǒng)一切正常后，才可進行下一步工作。

3.6 焊接工藝

①坡口型式

由于鈦與鐵之間能形成TiFe、TiFe2脆性化合物，因此鈦鋼復合板焊接時，要通過結構設計和合理的選擇焊接參數(shù)才能實現(xiàn)鋼基層與鈦復層互不熔合，即鈦與鈦、鋼與鋼各自進行焊接。

先焊鋼基層，打底焊接用焊條電弧焊，焊接參數(shù)要小，防止鈦復層熔化，除（一）型接頭外，都要求焊透。本設備選擇（二）型。未焊透應在鈦復層一側補焊。焊縫經(jīng)檢驗合格后方可進行鈦復層焊接。焊接鈦復層時，用小的熱輸入，嚴防鋼層熔化。

②工藝參數(shù)

鈦的鎢極氬弧焊的工藝參數(shù)主要有焊接電流種類、焊接電流、保護氣體流量等。對于板厚為1.6mm 的TA2，焊絲直徑應為1.0～2.0mm，焊接電流應為60～80A，噴嘴氬氣流量為10～12L/min，拖罩氬氣流量應為14～16L/min。

③焊接電流

焊接電流是氬弧焊的主要參數(shù)，電流增大，焊縫熔透深度和焊縫寬度增大，而余高減小，易產(chǎn)生燒穿、焊瘤等現(xiàn)象。電流過小，則易產(chǎn)生未熔透、夾渣及成型不規(guī)則等現(xiàn)象。

④焊接速度

焊接速度的選擇主要根據(jù)工件厚度決定并和焊接電流配合以保證所需的熔深和熔寬。焊接速度增大時，焊縫的余高以及焊縫寬度都相應減小，同時還會影響氬氣對熔池的保護。當焊接速度太快時，氣體保護受到破壞，焊縫容易產(chǎn)生未焊透和氣孔。如果焊接速度太慢，會產(chǎn)生凹陷、燒穿等現(xiàn)象。

⑤噴嘴與工件的距離

距離越大，氣體保護效果越差，但距離太近會影響焊工視線，且容易使鎢極與熔池接觸，產(chǎn)生夾鎢，一般噴嘴端部與工件的距離在8～14mm 之間。

⑥焊絲加入熔池的方式

焊接時，將焊絲末端在氬氣保護層內(nèi)往復斷續(xù)地送入熔池的1/3～1/4 處。焊絲移出熔池時不可脫離氣體保護區(qū)，送入時不可接觸鎢極，不可直接送入弧柱內(nèi)。這種方法適用于電流較小，焊接速度較慢的情況。二是連續(xù)送絲法，在焊接時，將焊絲插入熔池一定位置，隨著焊絲的送進，電弧同時向前移動，熔池逐漸形成。這種方法一般適用于電流較大，焊接速度較快的情況，質(zhì)量也較好，成形也美觀。但需要熟練的操作技術。

4 鈦-鋼復合板焊接檢驗

4.1 檢驗人員 焊接質(zhì)量檢驗人員應經(jīng)技術培訓，能正確掌握焊縫質(zhì)量評判標準。無損檢測檢驗人員應具有有關部門認可的資格。

4.2 檢驗程序及項目 焊接質(zhì)量檢驗應包括工序檢驗和成品檢驗。焊接工序之間應經(jīng)質(zhì)檢人員認可后，方可轉入下道工序施工。成品檢驗項目一般包括外觀檢驗、無損檢測、鐵離子檢查等。

4.3 外觀質(zhì)量檢驗

①可用肉眼或五倍放大鏡對焊縫外形尺寸及表面質(zhì)量進行檢查。外觀檢查率為100%。

②焊縫外形幾何尺寸應符合設計圖樣要求。

③焊縫成形應均勻、致密、平滑地向母材過渡，不應有裂紋、未熔合以及超出規(guī)定的咬邊、氣孔、夾渣、弧坑等缺陷。

④鈦焊縫不應有咬邊。鋼焊縫的咬邊深度不應大于基層板厚的10%，且不應大于0.5mm，咬邊的連續(xù)長度不應大于100mm，焊縫兩側咬邊的總長度不應超過該焊縫總長度的10%。

⑤鈦焊縫表面不允許存在深度大于等于0.5mm 的劃傷。若有大于等于0.5mm 的劃傷應清除。清除后的焊縫表面不應低于母材表面。

⑥應對所有的鈦焊縫和熱影響區(qū)原始狀態(tài)的表面顏色進行檢驗。

⑦低倍焊縫檢查。

⑧無損檢測。

鈦焊縫按JB/T 4730.5 規(guī)定的方法進行滲透檢測。無損檢測方法、檢測范圍及合格標準，應符合設計圖樣和技術條件的規(guī)定，或符合供需雙方協(xié)議的要求。

⑨鐵離子檢查。

鈦復層焊接后，焊接區(qū)應進行鐵離子檢查。鐵離子檢查液的配方是：鐵氰化鉀K3（Fe（CN）6）3g，鹽酸20mL，蒸餾水75mL。檢查前，被檢表面用丙酮擦凈。檢查時，受檢表面滴上檢查液，若檢查液呈橙色（溶液本色），表明鈦面無污染。若檢查液呈藍色，說明鈦面有污染，則該表面應用丙酮重新擦拭，直至檢查液呈橙色為止。

5 鈦（TA2）焊接常見缺陷及預防措施

5.1 焊縫氣孔

①氬氣及母材、焊絲中不純氣體（O2、H2、N2、H2O）的影響氬氣及母材、焊絲中含H2、O2及H2O 量的提高，都會明顯使焊縫氣孔增加。

②表面層的影響鈦板及焊絲表面常受到外部雜質(zhì)的污染，這包括水分、油脂、氧化物、含碳物質(zhì)、塵埃、砂粒、磨料質(zhì)點（表面用砂輪磨后或砂紙擦磨后的殘余物）、有機纖維、臟指印及吸附的氣體等，這些雜質(zhì)對鈦及鈦合金氣孔的生成都有一定的影響，特別是對接端面處的表面雜質(zhì)污染對氣孔形成的影響更為顯著。

消除氣孔的主要措施如下：

①用高純度的氬氣進行焊接，其純度不應低于99.99%（一級純氬）。

②焊前焊絲和工件接頭附近表面，特別是對接端面必須認真進行機械清理，機械清理后再進行酸洗，酸洗后用清水再清洗，臨焊前，工件對接面再用丙酮或酒精仔細擦洗。

5.2 裂紋 由于工業(yè)純鈦（TA2）中S、P、C 等雜質(zhì)很少，低熔點共晶很難在晶界出現(xiàn)，有效結晶溫度區(qū)間窄，加之焊縫凝固時收縮量小，母材和焊絲質(zhì)量不合格，特別是焊絲有裂紋、夾層處存在大量有害雜質(zhì)時，則有可能出現(xiàn)焊接熱裂紋，因此要特別注意焊絲質(zhì)量，嚴格按JB/T4745-2002 標準采購焊絲并加強復驗。還有一種是焊接保護不良，焊縫變脆引起的焊接熱應力裂紋。

5.3 鎢夾雜 手工氬弧焊時，因操作不慎可能產(chǎn)生鎢夾雜，引弧出現(xiàn)弧坑后，下降焊炬又未及時提高鎢極，弧坑周圍的液態(tài)金屬填平弧坑、埋住鎢極尖，熔池凝固后就形成鎢夾雜。

5.4 保護不良引起的缺陷 在保護不良時，氧、氮等進入焊縫及近縫區(qū)引起冶金質(zhì)量變壞，焊縫和近縫區(qū)顏色是保護效果的標志，銀白色表示保護效果最好，淡黃色為輕微氧化，一般是允許的。

5.5 未焊透 未焊透是氬弧焊易出現(xiàn)的焊接缺陷，這與電弧特性有關，電弧張角大（約45°），弧長少量變化引起工件加熱面積較大變化。由于鈦的密度小，液態(tài)表面張力大，故燒穿的可能性比鋼小。

6 結束語

由于鈦及鈦合金具有良好耐腐蝕性能，在氧化性、中性及有氯離子的介質(zhì)中其腐蝕性均優(yōu)于不銹鋼，有時甚至超過1Cr18Ni9Ti 不銹鋼的10 倍。因此在化工、海洋工程、海水淡化，電站冷凝器方面獲得成功的應用。近幾年，我國在電廠采用鈦-鋼復合鋼板制作煙囪鋼內(nèi)筒，開創(chuàng)了我國鈦-鋼復合鋼板制作煙囪內(nèi)筒的先河。

[1]GB50205-2001，鋼結構工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

[2]火力發(fā)電廠焊接篇.DL5007-92，電力建設施工及驗收技術規(guī)范[S].

[3]GB-3323，鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級.