焊接技术论钛的焊接性与工业纯钛的现场焊接牛玉宏(中国化学工程第十一建设公司,开封,475002)摘 要 本文阐述了钛的理化性能,详细分析了钛的可焊性,针对钛材在焊接时 易出现的质量问题,提出了具体的防止措施,并在工程实际钛管焊接中做了验证。 关键词:工业纯钛 焊接 焊前清洗 高纯度氩气 三重保护 焊接工艺 纪律1 概述 钛有 “第三金属” 之称,其原子序数为22 ,原子量47. 9 ,在元素周期表中的位置处于过渡族的IVB族。钛是银白色的金属,有高的比强度,良好的塑性、 韧性和耐腐蚀性。广泛应用在航空、 造船、 化学工业中。1997年,我公司在平顶山尼龙六六盐工程中首次遇到钛管的焊接,材质为B337GR2 ,共有十一条、 七十多m管线。2 钛的理化性能211 钛的主要物理性能钛和钢铁材料相比,具有熔点高、 热容量小、 导热性差、 弹性模量小的特点。因此,焊接时接头部位易产生过热组织,晶粒变得粗大,使塑、 韧性降低,同时焊接残余变形大。故此在选择焊接参数时,既要保证焊缝不过热,又要防止产生淬硬倾向。212 工程所用钛管材料的成分特点退火状态钛合金根据其室温组织可分为三类:型钛合金、+型钛合金、型钛合金。工业纯钛B337GR2属于型钛合金,组织为密排六方晶格。在885时,纯钛发生同素异构转变,由面心变为体心立方晶格,称为钛。随钛中合金元素及杂质含量变化,同素异构转变温度也不相同。工业纯钛中,C、N、H、O等元素以间隙形式固溶于钛中,它们虽能提高强度,但却能使塑性严重下降,故要严格限制它们的含量,以 保证钛的综合机械性能。我国标准规定,钛 合金中含 氧 不 超 过0. 2 % ,含 碳 不 超 过0.10 % ,含氮不超过0. 05 % ,含氢不超过0.15 %。B337GR2符合这一标准要求。3 钛的焊接性能分析311 气体等杂质污染引起焊接接头脆化 钛是一种非常活泼的金属,与氧的亲合力很大,甚至常温下都能迅速生成稳定而致密的氧化膜。该层氧化膜的存在,使得钛在 常温下有很高的稳定性和耐腐蚀性,其耐腐蚀性可以达到不锈钢的10倍。在高温下,钛 有强烈的吸收O2、H2、N2的能力。空气中钛在250开始吸氢, 400开始吸收氧,从600 开始吸收氮,随着温度的升高,钛与O2、H2、N2的反应速度加快,钛在300 以上快速吸氢,600 以上快速吸氧,700 以上快 速吸氮。由于高温下生成的化合物组织疏松,使得反应向内部扩展。空气中有大量的 氧和氮,钛的氧化和氮化过程在空气中最容易进行。 钛在吸收O2、H2、N2后都会使钛的综合机械性能下降。在进行钛及钛合金的焊接 时,如采用焊接不锈钢、 铝及其合金的气保护焊枪结构及工艺是不足以保证接头质量的。 因为这种焊枪结构及工艺形成的气保护层只 能保护好焊接熔池不受空气的侵害,对已凝121999年第21卷第6期 牛玉宏:论钛的焊接性与工业钝钛的现场焊接 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.固但尚处于高温状态的焊缝及其附近高温区 域则无保护作用,而处于这种状态的钛及钛 合金焊缝及其附近区域仍有很强的吸收空气 中O2、N2的能力,势必引起接头氧化、 性能变脆,塑韧性下降。如果背面保护不好也会产 生同样的后果。故此,为避免空气及油污等 其它杂质对焊缝产生的不良影响,在进行钛 及钛合金的焊接时要求对焊接区及温度高于400 的部位进行保护,对坡口及其周围表 面、 焊丝等进行焊前清理。312 焊缝中的气孔 气孔是钛及钛合金焊接时最常见的焊接 缺陷。原则上气孔可以分为两类,即焊缝内 部气孔和熔合线气孔,在焊接线能量大时气孔一般位于熔合线附近。气孔的影响主要在 于降低焊接接头的疲劳强度,甚至无损探伤 检查不出来的小气孔对疲劳强度都会产生明 显的不利作用。气孔能使接头疲劳强度降低 一半甚至四分之三,故此,焊接时不宜选择大的线能量,宜选用小电流、 快速焊的工艺。31211 气孔的产生原因及防止措施如下: (1)氩气及母材、 焊丝中的杂质气体(O2、H2、 N2、H2O)的影响。氩气及母材、 焊丝中含O2、H2、N2、H2O 使焊缝气孔增加。钛材在焊接时,熔池在高 温下冷却速度很快,而氢在钛中的溶解度随 温度升高而下降。因此,焊接熔池中的氢会 脱溶而析出,这些析出的氢在熔池结晶冷却 过程中如来不及逸出,便析集而造成气孔。 氧在钛中的溶解度相当大,单独形式气孔的可能性很小,但当熔池中含C 0. 1 %及0 0.133 %时,就会在焊缝中形成CO气孔。故 此在进行钛材的焊接时,应选用高纯度的氩 气,焊前对焊件、 焊丝仔细清理,杜绝气孔的 来源。(2)表面层的影响钛材及焊丝表面常受外部杂质的污染。 包括油脂、 水分、 氧化物(钛表面的氧化物常 有结晶水) ,这些杂质对钛及其合金气孔的生 成有一定的影响,特别是对接端面处的杂质污染对气孔的形成影响更为显著。这些杂质 都应在焊前予以消除。(3) 砂轮打磨石清理不当会形成密集气孔。在焊接过程中,若使用角向砂轮机修磨, 而又忽略坡口清理,则在焊缝中,尤其是熔合区会产生严重的密集气孔。这是因为砂轮片 是由SiO2等耐磨物质和高强度的粘结剂(树 脂)混合后模压而成。这些粘结剂属于有机 化学品,在磨削钛材工件时,砂轮片的有机粘 结剂局部熔化而附着在钛金属表面,甚至发生化学反应,生成气体化合物及游离的C、H、O等。因而磨削后的钛材表面就会受到严重 的污染,而这些污染物在丙酮、 酒精等有机溶 剂中不溶解,焊接时有机粘结剂在电弧热作 用下,产生一些有害物质,如H2、CO ,从而使焊缝受到严重污染,引起内部气孔等缺陷。313 焊接接头的冷裂纹 钛及钛合金对热裂纹不敏感。但有时会 产生冷裂纹,这种冷裂纹都是在较低温度下 形成的。可在焊后立即产生,也可延迟一段时间产生。形成冷裂纹的主要因素是氢从固 溶体中析出形成TiH2,使金属脆化并引起很 大的组织应力,又由于钛的弹性模量小,焊接 残余应力相对较大,二者共同作用以致最后 形成冷裂纹。冷裂纹形成时间与焊缝含氢量有关。见图1。图1 冷裂纹形成时间与焊缝含氢量的关系由图1可以看出,降低焊缝金属的氢含 量可有效防止冷裂纹。所以,应优选焊材,对 焊件仔细清理,焊接时采取有效的保护,防止 氢的侵入。314 焊接速度引起接头性能变化。22化 工 施 工 技 术 1999年第21卷第6期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.工业纯钛焊接性能良好,用GTAW焊填加同质焊丝或不填焊丝,在保护良好的条件下,焊接接头强度系数接近100 %。但当焊后冷却速度变化时,接头的力学性能也有所变化。这是因当冷却速度快时,焊缝中易产生针状组织,对接头塑性不利;而当冷却速度太慢时,焊缝和近区被加热到远高于相变温度,结果导致晶粒粗大。合适的焊接线能量能保证合适的冷却速度,故此,线能量的选择至关重要。4 现场焊接B337GR2管的焊前准备。411 技术交底、 工艺纪律教育焊前由焊接工程师向参与施焊的焊工讲解工业纯钛及其焊接性的基本知识,说明遵守焊接工艺对成功焊接的重要性。412 保护罩的设计制作钛材焊接,保护区分三部分:熔池、 背面焊缝、 后部焊缝以及影响区(400 以上)。前两部分的气体保护工艺比较成熟,而后部焊缝及热影响区则需保护罩特别保护,才能达到焊接要求。保护罩的制作无指定方式。我们的设计原则是:由钛材焊接时的温度场(见图2) ,确定需保护的面积,从而确定保护罩的大小。图2 钛材焊接时的温度场分布示意图从图2可以看出,400 以上区域范围为8060mm ,保护罩的大小就由此确定,即后部长度80mm、 宽度60mm、 厚度以2030mm为宜。保护罩的主体范围用= 0. 5mm的紫铜皮制作。在200目的铜网中充填适量钛屑或铜屑,以缓冲和稳定气流。对公称直径3/ 4 、2 的管子制作全罩,3 以上的管子制作局部 罩。制作程序如下:紫铜皮上放样 下料剪切 卷边 点焊固定 焊接密封 铜网填充固定 通气导管固定 试验。制作的局部罩结构如图3。11 焊枪喷嘴 21 氩气导管(8mm)31 铜网(200目,内填钛屑、 铜屑) 41 保护罩 51 档板图3 局部保护罩示意图413 焊接工艺评定保护罩制作完毕,根据ASME IX的要求 进行试管准备、 焊接、 检验及试验,然后编制出焊接工艺评定报告。414 焊工资格考试选择技术水平高、 责任心强的优秀焊工参加资格考试。考试严格按焊接工艺评定确定的参数进行。焊工必须考试合格,掌握钛管焊接的技术要求。415 坡口制备及管子、 焊丝清理前面分析了坡口表面的清理对焊接的重 要性。坡口尽可能采用车床加工,然后用不锈钢钢丝刷清理接头及附近50mm的表面,特别是对接头端要认真清理。对车床无法加工的长管子,可用角向砂轮打磨坡口,打磨时 应注意不能使管子过热变色,打磨后用刮刀将表面层去除。加工好的坡口型式如图4所示。图4 钛管坡口型式图321999年第21卷第6期 牛玉宏:论钛的焊接性与工业钝钛的现场焊接 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.机械清理后的管子接头应进行酸洗。酸 洗液组分:HF10 %、HNO330 %、H2O60 % ,浸洗 方法:室温下浸洗1min左右。酸洗后用流动 清水将酸洗部位冲洗干净。所用焊丝也按上 述方法进行酸洗和清洗。施焊前,工件对接面、 焊丝应用丙酮或酒精仔细擦洗。清理后 的焊丝要在4小时内焊完,否则需重新清理。 焊接用的辅助装置也要做到清洁,使之无油 污、 水分等有害焊接的杂物。5 现场焊接B337GR2的焊接工艺511 一般要求 管子组对做到内壁齐平,错边量不超过 壁厚10 %;为避免应力集中,组对时采用对 称点焊;尽可能减少固定口且要避免强力组 对;焊接时搭设防风、 防雨棚,在大气湿度大于90 %时不允许施焊;在焊接过程中,如需 进行管子的修磨,应注意切勿使管子过热变 色,且修磨后的焊缝应用刮刀将附着在钛金 属表面的有机胶质清理干净;严禁在管子上 打钢印,可用记号笔或油漆做标记。5 焊接方法 用GTAW方法进行钛管焊接,由于钛材 熔点高、 密度小,在打底焊时,要掌握好送丝 技巧以免出现内凹或焊丝未熔。513 焊接材料选用与母材成分相同的焊丝ERTi - 2 , 其化学成分见表11 表1 ERTi - 2化学成分表 ( %)COHNFeTi0.030.100.0080.020.02余为避免气体对焊接的不利影响,应选用 高纯度的氩气,氩气纯度不小于99.99 %。514 焊接工艺要点51411 按415条要求仔细清理管口和焊丝。51412 把管子放在不锈钢垫板或不锈钢滚轮上,尽可能采用转动平焊。51413 焊机的高频引弧装置要完好,便于焊 接引弧,引弧时禁止钨极直接接触母材。51414 焊接时,焊工应戴洁净的海员手套。51415 焊枪喷嘴直径选用 1620mm ,喷出的气流为稳定层流。焊接过程中,要随时检 查喷嘴及输气带的状况,以防其影响焊接质 量。51416 起弧时,焊枪提前送气3060s ,熄弧 时使用电流衰减装置和延时气体保护装置,延时时间3060s ,弧坑要填满且避免空气污 染。51417 焊接时,焊丝的加热端要始终处在Ar 保护之下,熄弧后焊丝不得立即暴露在空气 中,要在焊缝脱离保护时取出,若焊丝被污染氧化变色,要剪去污染部分后再使用。51418 焊接过程中,若动用砂轮清理,则要 用刮刀将表面层树脂除去