小管徑鈦合金(TA2)管焊接質(zhì)量控制與氣孔防止措施

(1.山東勝越石化工程建設(shè)有限公司，山東 淄博 255400；2.山東大學(xué) 現(xiàn)代焊接技術(shù)研究所，濟(jì)南 250061)

小管徑鈦合金(TA2)管焊接質(zhì)量控制與氣孔防止措施

孫利群1王訓(xùn)剛1江海紅2

(1.山東勝越石化工程建設(shè)有限公司，山東 淄博 255400；2.山東大學(xué) 現(xiàn)代焊接技術(shù)研究所，濟(jì)南 250061)

鈦及鈦合金具有密度低、強(qiáng)度高、抗蝕性好等特點(diǎn)，在航空、航天及化工機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在鈦合金管的施工過程中，若是管徑較小(φ20～φ100 mm)，則焊接施工難度便會(huì)增加。為了提高小管徑鈦合金管焊接時(shí)的質(zhì)量，防止氣孔的產(chǎn)生，介紹了焊接前環(huán)境和材料等方面的準(zhǔn)備工作及焊接施工中的防止措施等內(nèi)容，并對焊接質(zhì)量檢驗(yàn)方法進(jìn)行了闡述。

鈦合金管焊接質(zhì)量控制

0 前 言

鈦合金管材在高溫、室溫及超低溫條件下均具有良好的力學(xué)性能，而且密度低、強(qiáng)度高，在多種介質(zhì)中具有優(yōu)異的抗蝕性，在航空航天、石油化工和機(jī)械制造等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-5]。但是鈦合金管管徑較小(φ20～φ100 mm)時(shí)，則會(huì)增加焊接難度。文中針對在某項(xiàng)目鈦管焊接施工中遇到的問題和采取的措施予以總結(jié)，以供在類似的鈦管焊接施工中參考借鑒。

1 鈦及鈦合金在施焊作業(yè)中的特點(diǎn)

鈦及鈦合金材料本身及其在施焊作業(yè)中具有以下特點(diǎn)：

(1)鈦金屬具有密度低、比強(qiáng)度高、熔點(diǎn)高、耐熱性能好、抗蝕性好、高溫、室溫及超低溫度耐受性能好、無毒無磁性等特點(diǎn)[6]。

(2)鈦是一種化學(xué)性質(zhì)非?；顫姷慕饘伲哂袠O強(qiáng)的還原能力，特別是在高溫環(huán)境中能與氧、氮、碳等多種元素化合，還能奪取部分金屬氧化物中的氧元素[7]。

(3)鈦中若存在雜質(zhì)，則其力學(xué)性能將受到極大影響，其中間隙雜質(zhì)(如氧、氮、碳等)可大大降低鈦的塑性[8]，并使其強(qiáng)度得到提高。鈦?zhàn)鳛闃?gòu)造材料，在高溫、低溫以及急冷急熱條件下，所擁有的優(yōu)良力學(xué)性能，是通過添加合金元素種類以及嚴(yán)格控制其中的合金元素含量的方式來實(shí)現(xiàn)的[9]。工業(yè)用鈦合金中是允許有夾雜的。隨著TA1，TA2，TA3等雜質(zhì)含量的增加，其強(qiáng)度和硬度會(huì)顯著增強(qiáng)，但塑性或韌性會(huì)下降。

(4)鈦合金在施焊過程中的不同溫度范圍具有不同特征，溫度在300 ℃，600 ℃，700 ℃以上時(shí)，分別對應(yīng)快速吸氫、快速吸氧、快速吸氮的特征，而最敏感的是在空氣中的氧化。

(5)Ti與H化合會(huì)生成TiH2。它是一種二元低密度氫化物(固體形態(tài))，密度是鈦的0.86倍(Ti密度為4.51 g/mm3，TiH2密度為3.91 g/mm3)，通常以針尖狀或片狀的形式出現(xiàn)在焊道中。因此，在RT影像中的針尖狀缺陷通常不是氫氣孔，而是TiH2。TiH2在RT影像中呈現(xiàn)小而模糊的特點(diǎn)，特別是邊緣不像氣孔那樣清晰。如果對這種低密度氫化物沒有足夠的認(rèn)識而容易將其誤認(rèn)為是氣孔。

2 焊接前的準(zhǔn)備

考慮到鈦合金具有較高活性，需要在焊前從環(huán)境、材料及坡口制備等方面進(jìn)行細(xì)致準(zhǔn)備。

2.1 焊接環(huán)境準(zhǔn)備

(1)施焊場地要盡量設(shè)置在潔凈、干燥的室內(nèi)或?qū)Ｓ玫暮附庸ぷ鏖g，室內(nèi)溫度不低于5 ℃，空氣流速不要過大，地面鋪設(shè)膠皮。

(2)焊接平臺或操作架應(yīng)選用不銹鋼材料制作，若采用類似碳鋼等帶有鐵離子污染源的其他材質(zhì)時(shí)，應(yīng)用膠帶或其它物品對焊接平臺或操作架進(jìn)行全包裹，臺面鋪設(shè)膠皮。

(3)準(zhǔn)備好與母材規(guī)格相匹配的焊接保護(hù)拖罩及焊接時(shí)所用的其它小型工具，如圖1所示。

圖1 保護(hù)拖罩

(4)施工時(shí)所用的磨片、切割片、鉸刀、拋光輪、銼刀等應(yīng)是不銹鋼專用的品級。

(5)作業(yè)人員穿著的工作服應(yīng)保持潔凈，盡量避免油污和灰塵的存在。焊接手套應(yīng)采用脫脂白細(xì)紗布手套，并保持手套的潔凈，如圖2所示。

圖2 手套

2.2 材料準(zhǔn)備

(1)母材檢查：管材與配件應(yīng)有相應(yīng)的合格證。母材和配件的外觀不應(yīng)有夾雜或重皮現(xiàn)象。

(2)焊材檢查：焊絲應(yīng)與母材相匹配，應(yīng)有相應(yīng)的合格證。

(3)氬氣檢查：氬氣純度不低于99.99%，供氣方應(yīng)出具相應(yīng)的合格證和檢驗(yàn)報(bào)告?？紤]到供氣方抽真空和灌裝等因素的影響，應(yīng)盡量使用罐裝的液態(tài)氬，并配備現(xiàn)場氣化裝置。

2.3 坡口準(zhǔn)備

(1)管端部坡口應(yīng)盡量運(yùn)用機(jī)加工的方式進(jìn)行加工。

(2)現(xiàn)場切割下料和打磨坡口時(shí)應(yīng)避免用力過大和在局部長時(shí)間打磨，防止局部熱量過高。

(3)采用樹脂砂輪切割和打磨后的坡口面應(yīng)用不銹鋼鉸刀再進(jìn)行一遍打磨。

(4)管端坡口內(nèi)外表面40 mm內(nèi)應(yīng)用鉸刀清除鈍化膜。

(5)組對前應(yīng)用拋光輪清除坡口毛刺和掛雜物。

(6)組對前應(yīng)仔細(xì)檢查管口端面內(nèi)的油污是否清洗干凈，防止焊接時(shí)油污受熱產(chǎn)生氣體被熔池吸收。

(7)組對前應(yīng)用丙酮或無水酒精對坡口端面進(jìn)行清洗[9]。

3 組對焊接

組對焊接過程中加強(qiáng)氣體保護(hù)和工藝控制，防止缺陷(如氣孔)的產(chǎn)生。具體要求如下：

(1)定位焊應(yīng)在充氬條件下進(jìn)行。

(2)定位焊前應(yīng)仔細(xì)檢查焊口的間隙和錯(cuò)邊情況，間隙控制在2.5～3.5 mm，錯(cuò)邊控制在不高于1 mm，如圖3所示。

圖3 焊前坡口間隙測量

(3)定位焊最好采用一滴點(diǎn)焊法，避免正式焊接時(shí)再去打磨定位焊點(diǎn)。

(4)正式焊接前若遇到組對時(shí)有不潔物沾染坡口(比如灰塵、汗?jié)n等)，需再次用丙酮清洗。

(5)管內(nèi)充氬、焊把、拖罩三重保護(hù)缺一不可，并有匹配的流量(通常情況下，焊具噴嘴流量的范圍為13～16 L/min；管內(nèi)流量范圍為8～16 L/min，保護(hù)拖罩流量范圍為15～30 L/min)。管內(nèi)充氬應(yīng)對空氣充分置換，焊炬和拖罩的保護(hù)氣體應(yīng)在引弧前5～10 s提前打開，如圖4所示。

(6)適度的冷卻。焊接時(shí)除采用盡量小的熱輸入外，小口徑管焊接還要適度分段停焊以保證母材不過熱。

(7)焊接時(shí)，焊具盡量不做左右擺動(dòng)，每次中間停焊和最后焊完時(shí)拖罩不能立刻脫離焊道和熔池部位，此時(shí)應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行供氣保護(hù)，在溫度下降至250 ℃以下時(shí)，才可考慮將拖罩進(jìn)行脫離。

(8)中間停焊時(shí)焊絲熔化端還需氣體的保護(hù)，若遇熔化端移出氣體保護(hù)區(qū)，再焊時(shí)應(yīng)將焊絲前端氧化部分剪除。

(9)焊接時(shí)要雙人操作，一人焊接，一人配合。配合人員要有豐富的鈦管施工經(jīng)驗(yàn)和較強(qiáng)的責(zé)任心。

(10)配合人員應(yīng)隨時(shí)檢查焊接設(shè)備及氬氣表、氣帶、充氬封堵、拖罩的工作狀態(tài)，配合焊絲的擦洗、氧化焊絲頭的剪斷等，以保證焊接順利進(jìn)行。

圖4 焊接過程三重保護(hù)氣體系統(tǒng)原理圖

4 外觀檢驗(yàn)

焊管接頭從外觀上可以初步判斷質(zhì)量是否符合要求。

(1)焊道外觀及內(nèi)部穿透成形良好，圓滑過渡均勻，符合幾何尺寸要求，無氣孔、夾雜、未焊透、裂紋和咬邊等表面缺陷。

(2)焊角及焊區(qū)表面顏色檢驗(yàn)見表1。

表1 焊縫保護(hù)、氧化效果與顏色對照表

(3)鈦管接頭可以從表面氧化膜顏色來進(jìn)行初檢， “良好”以上視為合格的保護(hù)效果。對保護(hù)效果不合格的接頭，應(yīng)依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行處理。一般而言，氧化效果較輕時(shí)，可用酸洗處理或者采用不銹鋼絲刷將氧化部位刷至金屬銀白色，以防止內(nèi)部金屬繼續(xù)被氧化，對于氧化效果較重的，應(yīng)切除焊口重新組對焊接[10]。

小管徑鈦合金管施焊過程中焊縫形貌如圖5所示。

圖5 焊接過程中的效果圖

5 結(jié) 論

(1)保護(hù)氣體—?dú)鍤鈶?yīng)有嚴(yán)格的質(zhì)量保證，確保氬氣的純度不低于99.99 %。

(2)焊接區(qū)(坡口及其內(nèi)外兩側(cè))和焊絲的表面應(yīng)進(jìn)行較徹底的氧化皮、油脂等污物的清除，保證操作面的潔凈。

(3)適當(dāng)控制焊接溫度的變化，防止熔池和熱影響區(qū)母材吸收氮、氫、氧等氣體，以及鐵、碳等元素。

(4)粘貼坡口的錫紙膠帶粘性不能太大，會(huì)造成清理不干凈，要改用粘性較小的紙膠帶。

(5)良好的焊接過程熔池應(yīng)該始終保持清亮穩(wěn)定狀態(tài)，若觀察到有炸小花等現(xiàn)象，要考慮是否有氣孔的產(chǎn)生。產(chǎn)生的原因可能是存在保護(hù)氣體純度不夠、焊接面不潔凈、焊絲頭氧化部位未剪除、熔池溫度過高等。

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TG457.6

2017-05-31

孫利群，1962年出生。主要從事焊接施工技術(shù)指導(dǎo)和焊接技能的培訓(xùn)。