鈦管子管板自動(dòng)鎢極氬弧焊工藝

劉玉祥

（森松（江蘇）重工有限公司上海分公司，上海 201323）

由于鈦具有良好的耐蝕性，近年來(lái)，鈦換熱器在PTA、鹽水換熱、污水處理等行業(yè)得到了廣范的應(yīng)用。鈦換熱器管子與管板的焊接質(zhì)量是決定設(shè)備使用壽命的關(guān)鍵因素，往往設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，因管子管板焊接接頭過(guò)多泄漏，造成設(shè)備報(bào)廢，因此提高管子管板焊接質(zhì)量是換熱器設(shè)備制造中的重中之重，自動(dòng)鎢極氬弧焊具有機(jī)械化程度高，焊接質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，因此鈦換熱器管子管板焊接采用自動(dòng)鎢極氬弧焊工藝具有普遍推廣的意義[1-2]。

1 管子管板自動(dòng)鎢極氬弧焊機(jī)介紹

本次試驗(yàn)使用的自動(dòng)鎢極氬弧焊機(jī)為國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)，該焊機(jī)機(jī)頭為手持式操作，相比龍門(mén)式管子管板自動(dòng)焊機(jī)，具有操作靈活的特點(diǎn)，可提高工作效率。機(jī)頭周向有3 根支撐桿與管板平面同時(shí)接觸，機(jī)頭中心桿插入管子內(nèi)通過(guò)氣脹夾頭固定，確保機(jī)頭與管子同心，保證機(jī)頭全位置焊接能得到優(yōu)質(zhì)焊縫，焊機(jī)基本技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 焊機(jī)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of welding machine

2 鈦的焊接

2.1 鈦的焊接性

鈦是一種化學(xué)性質(zhì)非?；顫姷慕饘?，在較高溫度下與許多元素和化合物發(fā)生反應(yīng)，特別是與空氣中的氫、氧、氮發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致焊縫金屬脆化，焊縫性能下降。鈦焊接時(shí)對(duì)氣孔有一定的敏感性，當(dāng)焊縫金屬中的氫原子達(dá)到一定濃度時(shí)，極易形成氫氣孔。鈦應(yīng)避免鐵離子污染，鐵離子與鈦會(huì)形成硬脆的TiFe相，降低鈦的耐腐蝕性，并且TiFe 相還會(huì)加快鈦的吸氫速度。由于鈦材中的碳、硫、磷等雜質(zhì)元素較低，很少有低于熔點(diǎn)共晶體在晶界處產(chǎn)生，同時(shí)鈦的結(jié)晶溫度區(qū)間窄，鈦液態(tài)金屬凝固時(shí)收縮量小，因此鈦的熱裂紋敏感性低[3]。

2.2 鈦焊接的保護(hù)

鈦焊接時(shí)應(yīng)采用高純度氬氣保護(hù)，焊槍尾部應(yīng)加氬氣托罩保護(hù)，背面充氬保護(hù)，以防止鈦在高溫時(shí)吸氫、氧、氮。鈦焊接前應(yīng)對(duì)焊接區(qū)域采用丙酮清洗，防止焊接過(guò)程中產(chǎn)生氣孔。鈦的焊接場(chǎng)地應(yīng)為潔凈區(qū)域，不應(yīng)與碳鋼、低合金鋼等材料接觸，避免鐵離子污染，焊接前應(yīng)對(duì)鈦表面藍(lán)點(diǎn)檢測(cè)，確定鈦表面是否被污染。

3 管子管板坡口

管子管板坡口形式宜采用J 型坡口，相比V 型坡口，J 型坡口根部平緩，便于焊接過(guò)程中液態(tài)金屬鋪開(kāi)，坡口根部更容易焊透。此次試驗(yàn)中管板材料為SA-182 F304L+SB-265 Gr.1 鈦復(fù)合板，管子材料為SB-338 Gr.3，管子管板為外伸結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)及坡口形式如圖1 所示。

圖1 管板結(jié)構(gòu)及坡口形式Fig.1 Tubesheet structure and groove form

4 焊接規(guī)范參數(shù)的確定

4.1 峰值電流與基值電流

峰值電流作為焊接電流，對(duì)管子管板根部焊透及焊縫熔合起到關(guān)鍵作用，基值電流作為維弧電流，保證電弧穩(wěn)定燃燒。鈦管子管板打底焊時(shí)，峰值電流不宜過(guò)大，也不宜過(guò)小，峰值電流過(guò)小，無(wú)法保證根部焊透，且影響電弧穩(wěn)定性，峰值電流過(guò)大，鈦熔化的液態(tài)金屬過(guò)多，由于鈦的液態(tài)金屬流動(dòng)性好，管子管板下坡焊時(shí)，液態(tài)金屬受重力作用快速流到電弧前端，阻礙電弧對(duì)坡口根部熔化，致使根部未焊透?；惦娏鬟^(guò)小，電弧無(wú)法穩(wěn)定燃燒，基值電流過(guò)大時(shí)脈沖現(xiàn)象不明顯，并且會(huì)導(dǎo)致基值時(shí)也進(jìn)行焊接。鈦管子管板對(duì)于填充及蓋面焊道焊接時(shí)，峰值電流及基值電流可適當(dāng)增大，但是太大的電流會(huì)造成鈦焊縫及熱影響區(qū)氧化變色[4-5]。

4.2 峰值時(shí)間和基值時(shí)間

峰值時(shí)間和基值時(shí)間表示峰值電流和基值電流持續(xù)時(shí)間。峰值時(shí)間對(duì)熔池組織結(jié)晶有一定影響，較短的峰值時(shí)間對(duì)熔池有一定的攪拌作用，并有利于氣孔逸出熔池，較長(zhǎng)的峰值時(shí)間，會(huì)使焊接熱輸入量增加。基值時(shí)間與脈沖特點(diǎn)有很大關(guān)系，若基值時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，脈沖特點(diǎn)不明顯，基值時(shí)間過(guò)短，在脈沖電流停歇期間，焊絲熔化量不足，熔滴過(guò)渡不穩(wěn)定。

4.3 預(yù)熔電流及預(yù)熔時(shí)間

預(yù)熔電流和預(yù)熔時(shí)間是對(duì)焊絲端部及母材進(jìn)行預(yù)熱，為峰值電流焊接熔滴過(guò)渡進(jìn)行準(zhǔn)備。預(yù)熔電流和預(yù)熔時(shí)間通常根據(jù)管子壁厚確定，管子壁厚較薄，預(yù)熔電流小，預(yù)熔時(shí)間短；管子壁厚較厚，預(yù)熔電流適當(dāng)增加，預(yù)熔時(shí)間則略微延長(zhǎng)。

4.4 焊槍角度

鈦管子管板焊槍角度應(yīng)靠管子側(cè)10° ～ 15°為宜，如若焊槍角度過(guò)大，焊接電弧熱量過(guò)多作用于管子側(cè)，管子壁厚薄，散熱慢，容易引起管壁燒穿，角度過(guò)小時(shí)，鎢極難以對(duì)準(zhǔn)坡口根部位置。

4.5 鎢極伸出長(zhǎng)度

鎢極伸出長(zhǎng)度3 ～ 6 mm 為宜，鎢極伸出長(zhǎng)度過(guò)短，鎢極無(wú)法靠近坡口根部，鎢極到坡口根部最好保證1.5 ～ 2 mm 的距離，鎢極伸出長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，噴嘴保護(hù)氣體對(duì)鎢極及焊接熔池保護(hù)作用下降。

4.6 提前吹氣和滯后斷氣時(shí)間

鈦管子管板焊接提前吹氣和滯后斷氣時(shí)間相比其他材料焊接時(shí)要更長(zhǎng)，提前吹氣時(shí)間長(zhǎng)，能保證焊接區(qū)域的有害氣體更少，更長(zhǎng)的滯后斷氣時(shí)間可保證保護(hù)氣對(duì)焊縫有更長(zhǎng)的冷卻時(shí)間，可有效地避免焊縫吸氫、氧、氮。

4.7 送絲行程與焊接行程

焊接行程須大于送絲行程，但送絲行程不應(yīng)小于360°，即管子一周圈，通常送絲行程360° ～ 365°為佳，焊接行程控制在365° ～ 370°為佳。

4.8 送絲速度

送絲速度應(yīng)與焊接電流適當(dāng)匹配，過(guò)低的送絲速度導(dǎo)致焊縫填充金屬量減少，過(guò)大的送絲速度有可能導(dǎo)致焊接未熔合，甚至焊絲直接頂進(jìn)熔池中，導(dǎo)致粘絲，無(wú)法正常施焊。

5 管子管板Mock-up模擬試驗(yàn)

國(guó)外化工巨頭及工程公司要求換熱器管子管板焊接之前進(jìn)行Mock-up 試驗(yàn)，即模擬產(chǎn)品管子管板焊接試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后，按照合格的Mock-up 工藝進(jìn)行焊接，并且只有通過(guò)Mock-up 試驗(yàn)的焊工才能進(jìn)行產(chǎn)品焊接，因此本次項(xiàng)目的鈦管子管板自動(dòng)鎢極氬弧進(jìn)行了Mock-up 試驗(yàn)。

5.1 焊前準(zhǔn)備

焊接前對(duì)管板及管子進(jìn)行丙酮清洗去除油污，并進(jìn)行藍(lán)點(diǎn)檢測(cè)，保證管板、管子未受鐵離子污染。鈦管子管板焊接背面需要充氬氣保護(hù)，氬氣純度應(yīng)達(dá)到99.999%，Mock-up 試驗(yàn)管板背面增加氬氣氣體保護(hù)罩，如圖2 所示。

圖2 背面氣體保護(hù)罩Fig.2 Back gas shield

5.2 鈦管子管板打底焊

鈦管子管板打底焊采用自動(dòng)鎢極氬弧自熔（不加絲）焊接，由于鈦具有良好的焊接性，自熔焊接也能保證不產(chǎn)生裂紋，并且自熔焊接更能保證根部焊透，自熔打底焊焊后如圖3 所示。

圖3 自熔打底焊Fig.3 Slef fusion backing welding

5.3 鈦管子管板填充蓋面焊接

鈦管子管板填充、蓋面焊接均采用自動(dòng)鎢極氬弧加絲焊接，焊接材料ERTi-3/φ0.9 mm，蓋面焊后焊縫成型狀態(tài)及表面顏色如圖4 所示。

圖4 蓋面焊縫Fig.4 Cover weld

5.4 焊接參數(shù)

管子管板焊接參數(shù)如表2 所示。

表2 焊接參數(shù)Table 2 Welding parameters

6 管子管板理化試驗(yàn)及合格指標(biāo)

鈦管子管板焊接接頭焊后需要進(jìn)行PT、RT 無(wú)損檢測(cè)，以及宏觀、微觀試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、拉脫力試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證焊接接頭質(zhì)量和工藝的可靠性。

6.1 PT檢測(cè)

管子管板焊后按照ASME VIII-1 強(qiáng)制性附錄8進(jìn)行FULL-PT 檢測(cè)，結(jié)果合格。

6.2 RT檢測(cè)

管子管板RT 檢測(cè)參考ISO-15614.8 其7.1.4 條款對(duì)管子管板切片RT 檢測(cè)，如圖5 所示。經(jīng)RT 檢測(cè)后，無(wú)裂紋、氣孔、未熔合缺陷。

圖5 管子管板RT 檢測(cè)Fig.5 RT test of tube and tubesheet

6.3 拉脫力試驗(yàn)

管子管板在壓力機(jī)上進(jìn)行拉脫力試驗(yàn)，拉脫力試驗(yàn)如圖6 所示，2 個(gè)拉脫力試樣均斷于管子，抗拉強(qiáng)度分別為580 MPa、575 MPa，大于SB-338 Gr.3管子抗拉強(qiáng)度下限值450 MPa，證明焊接接頭具有滿足要求的強(qiáng)度。

圖6 拉脫力試驗(yàn)Fig.6 Pull off force test

6.4 宏觀試驗(yàn)

管子管板宏觀試樣采用線切割的方法切割，切割后試樣經(jīng)過(guò)拋光機(jī)拋光，再經(jīng)過(guò)80#、200#、600#金相砂紙精拋光，放入王水溶液侵蝕，在電子顯微鏡下20 倍放大觀察，無(wú)裂紋、氣孔、未熔合等缺陷，宏觀試樣合格。在電子顯微鏡下測(cè)得熔深ag值大于2.8 mm，ac值（喉高）大于1.4 倍管壁厚，最小泄漏通道r值大于0.9 倍管壁厚，滿足設(shè)計(jì)要求。宏觀試驗(yàn)如圖7 所示。

圖7 宏觀試樣剖面Fig.7 Macro sample profile

6.5 微觀試驗(yàn)

對(duì)管子管板焊縫及兩側(cè)熱影響區(qū)進(jìn)行微觀試驗(yàn)，基體組織為α相，未發(fā)現(xiàn)微觀缺陷，微觀組織如圖8 ～ 10 所示。

圖8 焊縫微觀組織Fig.8 Weld microstructure

圖9 SB-265 Gr.1 側(cè)熱影響區(qū)微觀組織Fig.9 Microstructure of heat affected zone on SB-265 Gr.1 side

圖10 SB-338 Gr.3 側(cè)熱影響區(qū)微觀組織Fig.10 Microstructure of heat affected zone on SB-338 Gr.3 side

6.6 硬度試驗(yàn)

對(duì)管子管板焊縫及兩側(cè)熱影響區(qū)進(jìn)行硬度試驗(yàn)，硬度值如表3 所示，焊縫、兩側(cè)熱影響區(qū)硬度值均不超過(guò)200 HV5 的合格指標(biāo)，證明焊接過(guò)程中，焊接保護(hù)良好，未曾受到氫、氧、氮的污染，造成焊縫及熱影響區(qū)硬度升高。

表3 硬度試驗(yàn)（HV5）Table 3 Hardness test (HV5)

7 產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)焊接管理

Mock-up 試驗(yàn)合格后，鈦管子管板自動(dòng)鎢極氬弧焊在產(chǎn)品上得到了應(yīng)用，但自動(dòng)鎢極氬弧焊焊接過(guò)程易受到設(shè)備穩(wěn)定性的影響，因此每天產(chǎn)品焊接前先在調(diào)試試板上調(diào)試，焊工每次換班、焊槍更換鎢極、焊機(jī)更換焊絲盤(pán)、焊接參數(shù)調(diào)整等均需在調(diào)試試板上先調(diào)試焊接，證明焊機(jī)穩(wěn)定后，方可在產(chǎn)品上焊接。通過(guò)上述的現(xiàn)場(chǎng)管理，得到了質(zhì)量穩(wěn)定的管子管板焊接接頭，產(chǎn)品管子管板正式焊接的外觀質(zhì)量如圖11所示。

圖11 管子管板焊接外觀質(zhì)量Fig.11 Appearance quality of tube sheet welding

8 結(jié)論

對(duì)鈦管子管板自動(dòng)鎢極氬弧焊進(jìn)行Mock-up 試驗(yàn)，通過(guò)無(wú)損檢測(cè)、理化試驗(yàn)驗(yàn)證該焊接工藝的可靠性，焊接過(guò)程中對(duì)鈦管子管板充分保護(hù)并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊接有效管理，保證了其焊接質(zhì)量，對(duì)鈦管子管板自動(dòng)鎢極氬弧焊有效的推廣，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效 率。