樊云博，鄧寧嘉，肖仁道

(南京寶泰特種材料有限公司，江蘇南京 211100)

0 引言

金屬鉭作為國家戰(zhàn)略儲(chǔ)備物資是一種與鈮共生的稀有金屬，主要通過電子束或真空電弧熔煉而成，其熔點(diǎn)高達(dá)2996℃、密度16.6 g/cm3，具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)、線膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱率高等性能［1］。鉭的質(zhì)地雖堅(jiān)硬，但延展性和韌性良好，有時(shí)在韌性方面甚至優(yōu)異于銅，因此它具有良好的高溫強(qiáng)度和加工性能;此外，鉭還有出色的化學(xué)性質(zhì)、極高的抗腐蝕性能，其耐蝕性優(yōu)于鈦、鋯、鈮，可認(rèn)為是耐腐蝕性能最好的工程金屬材料［2］，鉭的腐蝕是均勻腐蝕，對切口不敏感，不發(fā)生腐蝕疲勞和腐蝕破裂等局部類型的腐蝕。由于鉭在自然界的含量低(在地殼中的含量僅為0.0002%)［1］、熔點(diǎn)高、密度大、其熔煉的耗能高、成本昂貴;因此，鉭這種稀貴、難熔金屬，一般在化工裝備上應(yīng)用的形式主要是復(fù)合板和襯里結(jié)構(gòu)。

某公司承接了多臺(tái)Ta1+TA1+Q345R復(fù)合板設(shè)備的塔器和反應(yīng)釜。以其中1臺(tái)XQ塔器(結(jié)構(gòu)見圖1)為例:設(shè)計(jì)溫度200℃，設(shè)計(jì)壓力－0.1 MPa、介質(zhì)90%硫酸硝酸混合物、中度危害;主筒體是按ASTM B898標(biāo)準(zhǔn)提供的Ta1+TA1+Q345R復(fù)合板，規(guī)格δ=1.5+3+10 mm，設(shè)備上所有的接管采用松襯和翻邊結(jié)構(gòu)連接。

圖1 XQ塔的結(jié)構(gòu)示意

為節(jié)約成本，設(shè)計(jì)上本來已經(jīng)足夠薄的鉭復(fù)層，經(jīng)過爆炸復(fù)合、封頭沖壓等多道加工工序后，實(shí)際鉭復(fù)層的有效厚度大為減薄，因此整個(gè)復(fù)合板設(shè)備鉭復(fù)層的接頭焊接難度非常大，而焊接接頭的質(zhì)量直接影響到設(shè)備的使用，甚至嚴(yán)重影響生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行。所以，Ta1+TA1+Q345R三層復(fù)合板復(fù)層接頭的焊接成為客戶和制造單位共同關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 Ta1+TA1+Q345R復(fù)合板的焊接特點(diǎn)及焊接性分析

Ta1+TA1+Q345R三層復(fù)合板的焊接與鈦鋼復(fù)合板相似，但又有區(qū)別。其基本原則是基層和復(fù)層必須分別焊接，其焊接性、焊材選擇、焊接工藝等由基層和復(fù)層材料分別決定;復(fù)合鋼板基層和復(fù)層交界處屬異種金屬焊接，但鈦和鋼、鉭和鋼不能直接熔焊，所以Ta1+TA1+Q345R三層復(fù)合板的焊接同樣必須采用剔邊和檢漏結(jié)構(gòu)。

金屬鉭在焊接過程中易吸氣、晶粒粗大及引發(fā)氣孔和裂紋。在鈦、鋯、鉭及鈮四種稀有難熔金屬中，鉭的焊接性能最好，但鉭的熔點(diǎn)非常高，熱導(dǎo)率也比較高，一般焊接需要的耗能往往偏大;若焊接熱輸入偏大，則易引起晶粒粗大;焊接熱輸入偏小，則熔池熔化不良，因此，鉭的焊接必須選擇合適的焊接熱輸入以保證焊縫質(zhì)量。另外，鉭的特性之一就是能夠在250℃以上吸收氣體(氧，氫，氮，含碳?xì)怏w，含氯元素氣體)形成相應(yīng)的固溶體或金屬間脆性化合物，使鉭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度提高，但伸長率卻急劇降低［1］。因此鉭材的焊接不但要在惰性氣體保護(hù)或真空下進(jìn)行，而且焊接材料的選用要在母材化學(xué)成分的基礎(chǔ)上適量地降低O，N，C，H等雜質(zhì)的上限，避免因脆性化合物而引起裂紋。

此臺(tái)設(shè)備的鉭復(fù)層厚度非常薄，僅1.5 mm，而鉭材和鋼材的熔點(diǎn)相差懸殊，分別為2996和1400℃，在施焊鉭復(fù)層時(shí)，即使鉭鋼復(fù)合板中間采用鈦板隔絕保護(hù)、變相地增加復(fù)層厚度，但極有可能在Q345R的基層上出現(xiàn)熔化區(qū)，況且基層中的Fe元素與 TA1，Ta1在高溫下分別形成Fe2TA1，F(xiàn)e2Ta1等脆性金屬間化合物;特別是采用松襯和翻邊兩層結(jié)構(gòu)的Ta1+Q345R復(fù)合接管，若焊接熱輸入過大，則基層上出現(xiàn)的熔化區(qū)溶液會(huì)夾帶表面鐵銹、氧化物等雜物一起通過鉭焊縫熔池向外噴射、外翻，極易導(dǎo)致鉭復(fù)層焊縫開裂、基層燒穿。因此，Ta1+TA1+Q345R三層復(fù)合板在鉭復(fù)層焊接的過程中既要保證焊縫熔池的正常熔化，又要防止焊接熱輸入過大引起的晶粒粗大、氧化及過渡層甚至基層的熔化等一系列問題，這是此設(shè)備制造的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 焊接工藝試驗(yàn)材料

此臺(tái)設(shè)備主筒體所用的Ta1+TA1+Q345R復(fù)合板的焊接工藝評(píng)定分別按鋼基層和鉭復(fù)層各自的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，即基層按照J(rèn)B 4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》，鉭的焊接參照J(rèn)B/T 4745—2002《鈦制焊接容器》［3］附錄 B 及美國ASME第Ⅸ卷《焊接和釬接》中的相關(guān)規(guī)定:

(1)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)準(zhǔn)備兩副試驗(yàn)試板，試驗(yàn)所用的鉭板規(guī)格 δ1.5 mm，按國內(nèi) GB/T 3629—2006《鉭及鉭合金板材、帶材和箔材》技術(shù)要求采購，退火狀態(tài)供貨，也可按ASTM B708《鉭和鉭合金板，薄板和帶材》中R05200要求采購，但國內(nèi)和美國的相應(yīng)牌號(hào)的力學(xué)性能、化學(xué)成分并不完全相同，國內(nèi)牌號(hào)化學(xué)成分和力學(xué)性能見表 1，2。

(2)因目前國內(nèi)在壓力容器行業(yè)尚無鉭及鉭合金線材或焊絲標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)所用的鉭焊絲選用GB/T 14841—2008《鉭及鉭合金棒材》，經(jīng)化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)后，結(jié)果見表1，也可采用ASTM B365—98(2004)《鉭及鉭合金線材和絲材》的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 鉭、鉭焊材的化學(xué)成分(ppm)及力學(xué)性能

表2 鉭板材力學(xué)性能

(3)焊接保護(hù)氣體采用99.999%以上的高純氬氣，含水量低，露點(diǎn)一般不超過－50℃，且符合GB/T 4842—2006《氬》的要求。在保護(hù)氣體的選擇上曾考慮采用高純氦氣或高純氬氣+氦氣混合氣焊接。雖然在純鉭板的焊接中可以利用氦氣來增加熔深、減小熱輸入，細(xì)化晶粒，提高焊縫的性能，但對于鉭鈦鋼復(fù)合板復(fù)層的焊接，采用高純氦氣增加熔深，若控制不當(dāng)容易造成鉭復(fù)層的燒穿，且氦氣比氬氣昂貴。

3 焊接工藝試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

3.1 焊前清理

鉭材的制作和焊接過程中對清洗保護(hù)的要求比鈦、鋯、鈮的嚴(yán)格。焊前對鉭板正反兩面25 mm范圍內(nèi)采用機(jī)械打磨清除焊接區(qū)域的氧化物、油污及灰塵等污染物，并用丙酮清洗;1.5 mm的鉭板組對點(diǎn)焊時(shí)不開坡口、不留間隙、防止錯(cuò)邊，采用單面焊雙面成型的技術(shù)施焊。

3.2 焊接工藝

焊接采用惰性氣體鎢極氬弧焊、直流正接。由于鉭的熔點(diǎn)非常高，熱導(dǎo)率也比較高，焊接時(shí)采用的電流比其他有色金屬的大，因此焊接過程中選擇、控制合適的焊接熱輸入是保證焊接質(zhì)量和焊接變形的最有效的措施。具體參數(shù)見表3。

3.3 焊接保護(hù)

鉭非常容易氧化。焊接過程中加強(qiáng)對焊接高溫區(qū)的保護(hù)極其重要:采用較大的瓷嘴、同時(shí)在焊槍的尾部和試板背面各有一個(gè)拖罩對焊接接頭溫度高于200℃以上的部位采用惰性氣體保護(hù)，拖罩內(nèi)增加銅網(wǎng)以均勻氣流量;焊接時(shí)保護(hù)部位采用提前送氣和滯后停氣以避免氧化;保護(hù)的效果可以用焊縫表面顏色判定，銀白色最佳。

表3 鉭板對接的焊接參數(shù)

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)外觀檢查合格，按照J(rèn)B/T 4730—2005《承壓設(shè)備無損檢測》分別進(jìn)行100%PT滲透檢測和100%RT射線檢測后，均符合Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)要求，其力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表4;對焊縫進(jìn)行微觀金相晶粒度觀察見圖2。

表4 焊接試驗(yàn)力學(xué)性能

圖2 焊縫、熱影響區(qū)及母材區(qū)金相組織

從表3，4對比可以看出，2#試板的焊接電流雖然低，但由于金屬鉭自身的物理特性熔點(diǎn)高，不容易熔化，反而影響焊接速度導(dǎo)致焊接熱輸入偏大，其焊縫抗拉強(qiáng)度比1#試板高，延伸率比1#試板略低、焊縫及熱影響區(qū)的晶粒度比1#試板粗大(見圖2)?？偟膩砜矗?#，2#試板的焊縫及熱影響區(qū)與原母材的晶粒度相比差別較大。

4 Ta1+TA1+Q345R復(fù)合板焊接模擬試驗(yàn)

為進(jìn)一步了解和驗(yàn)證Ta1+TA1+Q345R三層復(fù)合板鉭復(fù)層在2996℃以上焊接時(shí)，其過渡層鈦板和基層鋼板的受熱及熔化情況，選用與設(shè)備規(guī)格相同的Ta1+TA1+Q345R復(fù)合板進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

(1)假設(shè)基層焊縫對接已完成，僅模擬Ta1+TA1+Q345R復(fù)合板復(fù)層焊縫結(jié)構(gòu)，如圖3所示;

(2)首先對鉭復(fù)層和鈦過渡層進(jìn)行剔邊，剔邊時(shí)深度適中，防止基層留下溝槽;

(3)對蓋板正反面15 mm以內(nèi)及與Ta1+TA1+Q345R復(fù)合板復(fù)層相焊的區(qū)域用專用磨頭打磨清理，并用丙酮清洗，在焊接的時(shí)候通過蓋板下面預(yù)留的通氣孔通氣保護(hù)(見圖4)，再采用上述1#試板的參數(shù)進(jìn)行焊接，施焊結(jié)束后試件如圖5所示，按照J(rèn)B/T 4730—2005對焊縫進(jìn)行100%PT滲透檢測合格，對角焊縫采用線切割后斷面如圖6所示。

(4)經(jīng)打磨拋光，采用10%氫氟酸腐蝕3～5 min后，采用40倍的顯微鏡觀察鉭復(fù)層的焊縫與過渡層、基層結(jié)合面的受熱和熔化情況，如圖7所示。

由圖4，7可以看出:首先金屬鉭極耐腐蝕，用10%氫氟酸酸洗后，鉭蓋板與鉭復(fù)層的角焊縫輪廓線仍然無法分辨，而此時(shí)過渡層靠近鉭側(cè)的鈦已被腐蝕掉，越接近鉭復(fù)層腐蝕越嚴(yán)重;其次通過鉭復(fù)層與鈦過渡層的凸界面線(鉭蓋板角焊縫正下方)可以看出在焊接復(fù)層鉭的時(shí)候，過渡層的鈦由于受熱晶粒已經(jīng)開始長大變粗，耐蝕性能下降，但其與金屬鉭、低合金鋼沒有發(fā)生互溶。由此可見，在施焊Ta1+TA1+Q345R復(fù)合板鉭復(fù)層時(shí)，在鉭與鋼熔點(diǎn)相差1500℃的情況下，選擇合適的焊接熱輸入，雖然對過渡層鈦性能有一定的影響，但沒有發(fā)生鈦與鋼、鉭與鋼互溶、甚至燒穿等現(xiàn)象，從而保證了鉭復(fù)層的焊縫質(zhì)量，也滿足了整個(gè)焊接接頭的質(zhì)量。

圖3 焊接坡口接頭型式圖

圖4 經(jīng)10%HF酸洗后焊縫復(fù)合界面

5 產(chǎn)品焊接及應(yīng)用

圖5 焊接模擬試驗(yàn)試板

圖6 線切割后角焊縫原始界面

圖7 經(jīng)10%HF酸洗后焊縫復(fù)合界面 40×

此臺(tái)鉭鈦鋼三層復(fù)合板塔器是該公司在國內(nèi)化工領(lǐng)域?qū)㈦y熔稀有金屬作為耐蝕結(jié)構(gòu)材料的大膽嘗試，突破了國內(nèi)鉭鋼復(fù)合板鉭復(fù)層厚度不得低于2.0 mm［6］的界限。在參考鈦鋼復(fù)合板、鋯鈦鋼復(fù)合板等相關(guān)制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對此臺(tái)設(shè)備的縱、環(huán)焊縫采用基層對接帶鉭蓋板的結(jié)構(gòu)形式、接管襯管與翻邊采用搭接的結(jié)構(gòu)形式，并且為了能及時(shí)檢出泄漏的位置和解決鉭復(fù)層焊接背面保護(hù)的問題，采用了檢漏孔和銀釬焊隔斷［3］等技術(shù)。

5.1 坡口形式

在制造過程中，為了更好地保護(hù)鉭復(fù)層免受污染以及減小復(fù)層蓋板的寬度，以節(jié)省制作成本，此臺(tái)設(shè)備基層的縱、環(huán)焊縫采用TIG+SMAW+SAW的組合焊接方法。鉭復(fù)層的焊接采用手工鎢極氬弧焊;設(shè)備筒體的坡口采用機(jī)械加工的方法，具體的坡口型式和復(fù)層接頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。

5.2 焊接技術(shù)措施

(1)鉭復(fù)層的焊接需要在潔凈、無灰和與鋼制設(shè)備隔離的專用焊接工作區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，避免焊接過程中與鐵、鋁、鋅等活性的金屬接觸，防止它們在液相電解質(zhì)中形成電偶腐蝕。

(2)焊前嚴(yán)格按照工藝要求清理焊接區(qū)域的氧化物、油污及灰塵等污染物，焊接過程中要通過檢漏孔、槍嘴、拖罩三面通氣保護(hù)，避免金屬鉭氧化。

(3)鉭蓋板角接接頭在焊接的過程中，要嚴(yán)格按照工藝參數(shù)控制焊接熱輸入。另外，為了防止鈦及鋼的熔化，采用斷弧施焊、脈沖電源的效果最好;若采用脈沖電源可以適當(dāng)?shù)胤糯箅娏?，但?yīng)加快焊接速度，降低焊接的熱輸入，防止晶粒粗大。

(4)在焊接設(shè)備接管里面的鉭襯管和翻邊焊環(huán)的搭接接頭時(shí)，必須采用斷弧施焊、防止背面鋼基層的外翻，如在焊接時(shí)發(fā)現(xiàn)熔池噴射或焊縫不熔化，應(yīng)立刻停止施焊。

(5)若采用多層焊，必須控制焊接過程的層間溫度≤100℃。

5.3 鉭貼條后的檢測

對所有鉭復(fù)層的焊縫和熱影響區(qū)經(jīng)外觀檢查合格后，按照設(shè)計(jì)圖紙要求對復(fù)合板復(fù)層的焊接接頭進(jìn)行100%PT檢測，均符合JB/T 4730—2005Ⅰ級(jí)要求;采用0.05 MPa的氮?dú)馔ㄟ^檢漏孔通入鉭蓋板和復(fù)層之間，對所有鉭焊縫進(jìn)行氣密性試驗(yàn)和設(shè)備整體的水壓試驗(yàn)，無任何泄漏。

6 結(jié)語

通過焊接工藝試驗(yàn)，利用焊接熱輸入的比較來分析稀貴難熔金屬鉭的焊接性能和焊接特點(diǎn)，并結(jié)合Ta1+TA1+Q345R復(fù)合板自身的制造特點(diǎn)，得出如下經(jīng)驗(yàn):

(1)稀貴難熔金屬鉭的焊接性能很好，只要選擇合適的焊接線能量，可以保證焊縫的抗拉強(qiáng)度、延伸率及晶粒度等各項(xiàng)性能指標(biāo);

(2)鉭非常容易氧化，對其施焊時(shí)，必須像鈦、鋯等其他有色金屬一樣采用三面保護(hù)，而且保護(hù)的要求比其他有色金屬要高，才能有效地提高焊縫的組織性能;

(3)針對鉭鈦鋼三層復(fù)合板，鉭與鋼熔點(diǎn)相差懸殊的難題，選擇合適的焊接熱輸入和技術(shù)措施，保證了焊縫熔池的正常熔化，又避免了焊接熱輸入過大引起的晶粒粗大、氧化及過渡層甚至基層的熔化等一系列問題，圓滿完成了此批設(shè)備項(xiàng)目的制造工作。

［1］ 彭志輝.稀有金屬材料加工工藝學(xué)［M］.長沙:中南大學(xué)出版社，2003:78－102.

［2］ 鄭世平.薄鉭板的焊接特性及其應(yīng)用［J］.中國化工裝備，2004，6(2):6 －8.

［3］ JB/T 4745—2005，鈦制焊接容器［S］.

［4］ GB/T 3629—2006，鉭及鉭合金板材、帶材和箔材［S］.

［5］ GB/T 14841—2008，鉭及鉭合金棒材［S］.

［6］ 艾建玲，楊永福，焦登寶.復(fù)層厚度對鉭鋼復(fù)合板焊接性的影響［J］.焊接技術(shù)，2001，30(3):5－6.