(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 現(xiàn)代焊接技術(shù)研究所，濟南 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 現(xiàn)代焊接技術(shù)研究所，濟南 250061)

鈦及鈦合金具有密度低、強度高、抗蝕性好等特點，在航空、航天及化工機械等領(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增加。為了提高小管徑鈦合金管焊接時的質(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)量檢驗方法進行了闡述。

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性能，而且密度低、強度高，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，則會增加焊接難度。文中針對在某項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

鈦及鈦合金材料本身及其在施焊作業(yè)中具有以下特點：

(1)鈦金屬具有密度低、比強度高、熔點高、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[6]。

(2)鈦是一種化學性質(zhì)非?；顫姷慕饘伲哂袠O強的還原能力，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]，并使其強度得到提高。鈦作為構(gòu)造材料，在高溫、低溫以及急冷急熱條件下，所擁有的優(yōu)良力學性能，是通過添加合金元素種類以及嚴格控制其中的合金元素含量的方式來實現(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，其強度和硬度會顯著增強，但塑性或韌性會下降。

(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，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，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識而容易將其誤認為是氣孔。

2 焊接前的準備

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行細致準備。

2.1 焊接環(huán)境準備

(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，應(yīng)用膠帶或其它物品對焊接平臺或操作架進行全包裹，臺面鋪設(shè)膠皮。

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

圖1 保護拖罩

(4)施工時所用的磨片、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)的合格證和檢驗報告?？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 坡口準備

(1)管端部坡口應(yīng)盡量運用機加工的方式進行加工。

(2)現(xiàn)場切割下料和打磨坡口時應(yīng)避免用力過大和在局部長時間打磨，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)仔細檢查管口端面內(nèi)的油污是否清洗干凈，防止焊接時油污受熱產(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行清洗[9]。

3 組對焊接

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

(1)定位焊應(yīng)在充氬條件下進行。

(2)定位焊前應(yīng)仔細檢查焊口的間隙和錯邊情況，間隙控制在2.5～3.5 mm，錯邊控制在不高于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焊法，避免正式焊接時再去打磨定位焊點。

(4)正式焊接前若遇到組對時有不潔物沾染坡口(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，焊具盡量不做左右擺動，每次中間停焊和最后焊完時拖罩不能立刻脫離焊道和熔池部位，此時應(yīng)繼續(xù)進行供氣保護，在溫度下降至250 ℃以下時，才可考慮將拖罩進行脫離。

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

(9)焊接時要雙人操作，一人焊接，一人配合。配合人員要有豐富的鈦管施工經(jīng)驗和較強的責任心。

(10)配合人員應(yīng)隨時檢查焊接設(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，以保證焊接順利進行。

圖4 焊接過程三重保護氣體系統(tǒng)原理圖

4 外觀檢驗

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)表面顏色檢驗見表1。

表1 焊縫保護、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行初檢， “良好”以上視為合格的保護效果。對保護效果不合格的接頭，應(yīng)依據(jù)實際情況進行處理。一般而言，氧化效果較輕時，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)保護氣體—氬氣應(yīng)有嚴格的質(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。

[1] 唐元斌. 鈦合金管在艦船上應(yīng)用的工藝研究[J]. 造船技術(shù),2016(2):57-60，82.

[2] 呂祥鴻,舒 瀅,趙國仙,等. 鈦合金石油管材的研究和應(yīng)用進展[J]. 稀有金屬材料與工程,2014,43(6):1518-1524.

[3] 宋怡漾,朱勇輝,潘曉冬,等. 焊接熱影響區(qū)對鈦合金小徑管對接焊縫的影響[J]. 熱加工工藝,2013,42(11):192-195.

[4] 江志強,楊 合,詹 梅,等. 鈦合金管材研制及其在航空領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀與前景[J]. 塑性工程學報,2009,16(4):44-50,84.

[5] Kao Y L, Tu G C, Huang C A, et al. A study on the hardness variation ofα- andβ-pure titanium with different grain sizes[J]. Materials Science & Engineering A, 2005, 398(1-2):93-98.

[6] 王 瓊.γ-TiAl合金Cr-Mo共滲合金層的制備與性能研究[D].南京：南京航空航天大學碩士學位論文,2014.

[7] 王曉歡. 改性高爐渣中鈦組分的選擇性分離[D].沈陽：東北大學碩士學位論文,2012.

[8] 魏東博. 基于雙輝技術(shù)的鈦合金表面抗高溫氧化合金層的制備及性能研究[D].南京：南京航空航天大學博士學位論文,2013.

[9] 張平則. 雙層輝光等離子表面合金化阻燃鈦合金研究[D].太原：太原理工大學博士學位論文,2004.

[10] 谷文波. 淺談鈦合金管道的焊接質(zhì)量控制[J].城市建設(shè)理論研究,2014(8):2095-2104.

TG457.6

2017-05-31

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