1 概述

　　鈦裝備主要應用于石油、化工和熱能電站等工業部門。而鈦管件(如彎頭、三通及異徑管等)與管子的連接是其重要組成部分。根據多次調查，鈦裝備(由于有其特殊的使用性能。應用日益廣泛)中管件與管子連接處事故率較高，這與該處斷面工況條件陡變。受力較為惡劣有關。

　　2 材料焊接缺陷分析

　　2．1 性能與特點

　　鈦在885℃時發生同素異構轉變。在885℃以下為密排六方晶格結構，稱為a鈦(工業純鈦為此類，本文重點研究對象)。在885℃ 以上為體心立方晶格結構，稱為J3鈦。鈦合金的同素異構轉變溫度則隨加入的合金元素種類和含量不同而變化。工業純鈦根據其雜質(主要是氧和鐵)含量以及由此而引起的強度差別分為TA1、TA2、TA3三個牌號。它們具有良好的耐蝕性、塑性和韌性，但對其加工性、焊接性要求較高。

　　2．2 焊接缺陷及其形成機理

　　(1)焊接氣孔 鈦材焊接中，易于發生氣孔，

　　它的主要影響因素及防治措施見表l。

　　(2)脆裂與過熱氫是鈦中最有害的元素之一， 它能降低鈦的塑性與韌性，導致脆裂。若母材或焊接材料中含氫量較大，則應預先作脫氫處理。鈦在600℃ 以上就會急劇地和氧、氮化合，生成二氧化鈦和氮化鈦(硬度極大)。當加熱到800℃以上，二氧化鈦即溶解于鈦中并擴散深入到金屬鈦的內部組織中去，形成0．01～0．08 mm的中間脆性層。溫度越高，時間越長，氧化、氮化也越嚴重，焊接接頭的塑性就會急劇降低。此外，鈦還易與碳形成脆性的碳化物，降低塑性和可焊性。

　　表1 鈦材焊接氣孔及其防治措施形成氣孔原因 防治措施

　　母材、焊絲的含氣量 1． 要求母材、焊絲的含氣量<150 pp

　　2 焊絲進行1 h 700—850℃、10 ～

　　10 Pa真空退火處理氬氣的純度 使用純度≥99．99％的氫氣

　　坡口及其周圍污染 焊前清理，加強氬氣防護

　　焊絲表面粗糙度大及表1 使用表面粗糙度小的焊絲面污染 2．清理焊絲表面

　　鈦材的熔點高，屬難熔金屬，在焊接時需要高溫熱源。鈦的導熱系數低，僅為碳鋼的一半，熱量不易散失，過熱傾向嚴重。當結構剛性較大時，在焊接拉應力作用下，還會引發薄弱區開裂。另外鈦沾染鐵離子即變脆。這也是導致鈦材管件一管子對接焊縫區產生裂紋的重要原因之一。

　　(3)焊接熱溫波裂紋常見金屬焊接裂紋有熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋與層狀撕裂裂紋等，焊接熱溫波裂紋是近年來發現的又一種新裂紋。即焊縫處經過反復多次加熱與冷卻后而形成的一種裂紋，其發展趨勢最終為斷裂。它多發生在厚壁管件一管子的多層多道焊焊縫區域上(主要在熔合區附近)或焊縫修補之處。其特征是裂紋區域材質性能發生變化(尤其是塑性、韌性降低)，晶粒松弛，晶格歪扭。有局部硬化現象，有時裂紋旁邊伴有若干更細微裂紋。它發生的滯后性強，其隱蔽性危害性比冷裂紋更大。目前形成機理仍在研究之中。從本質上看。它不完全同于熱疲勞裂紋(有的學者觀點不同)。由于鈦材焊縫處多次反復加熱與冷卻，一是應力不斷擴張、收縮。致使焊縫疲勞開裂；二是加熱過程中晶粒不斷長大(有時連續有時斷續，但多為波段式變化。鈦的熔點高， 比熱容小，熱導率小，使焊縫金屬和熱影響區在高溫下的停留時間增長)。從而使顯著長大的粗化晶粒間松弛、脆弱，也易出現裂紋。另外，焊縫處若干次地快速冷卻，TiH2逐漸析出，積聚，延伸，出現薄弱邊緣而致裂。而焊縫的多次熱循環及相變(組織變化)，Ct鈦馬氏體(a 是0相通過無擴散型轉變而形成的某些元素在六方晶格a鈦中的過飽和固溶體，在光學顯微鏡下呈現為針狀組織)數量增多，塑、韌性下降亦極易開裂。總之，此類溫波裂紋是若干因素綜合作用的結果。消除其中的任何不利因素。對于防止它的產生都是有利的。總結多次施工經驗及研究結果，發現管件與管子焊縫部位，經常受到大小不同和方向變化的熱循環交變應力。這種交變應力常常使材料在小于其屈服極限，甚至小于其彈性極限的情況下。經多次熱循后，并無顯著的外觀變形卻會發生裂紋。管件一管子對接及施焊中，事先都不產生明顯的塑性變形而突裂，實際上裂紋已經歷了一個由脆化、臨界危險點及開裂的完整過程(有的時間較短，有的時間卻很長)。即使施工后經檢驗未發現任何缺陷，裝置在運行過程中，亦隨時有可能產生裂紋。且往往是出乎預料的。材料在交變應力的作用下，首先在應力最大及材料最薄弱的部位(如內部的缺陷、表面的傷痕處)出現極細微的裂紋，這種微裂紋再隨熱循環次數的增加而逐漸擴展，從而使管件與管子的有效截面不斷減小，以至最后承受不住外力的作用，在偶然的震動和沖擊下便發生脆性斷裂。所以材料斷裂是在交變熱應力作用下經過一定的熱循環周次之后(隨著環境條件的波動及時間推移，材質本身亦逐漸退化與弱化，此點往往被人們所忽視)才出現的。因此它具有很大的危險性，常常造成難以想象的嚴重事故。這就給施工者提出更高要求，隨時防范鈦材管接口待裂和臨裂狀態與隱患，亦須引起足夠的重視。僅從焊接工藝分析，適度控制焊接的最高加熱溫度、加熱速度、高溫停留時間和冷卻速度。以及盡量減少焊縫區的加熱與冷卻頻率和次數，是必須

　　注意的問題。管件與管子對接時嚴禁采用較大的鋸齒形橫向擺動施焊法(尤其是高壓管接口)。

　　3 焊接工藝

　　一般鈦材管件與管子焊接施工工藝流程為：施工準備(包括合格焊工培訓、焊接設備選型、材質化驗和施工場地清理等)一管件及管子除油一管子下料一坡口加工一坡口表面、焊絲表面清理和坡口尺寸修整一焊件組對一管口施焊一焊縫檢驗一焊縫返修及復驗一管道系統試壓試漏一管道系統吹除一管道(分高低壓)系統氣密性試驗等。

　　3．1 施工準備

　　管件一管子的對接大致分為水平固定管、垂直固定管和45。固定管焊法，水平固定管焊法由于焊縫為環狀。焊接中須經過仰焊、立焊及平焊等幾種位置，因此焊材角度變化很大，操作比較困難。焊接前。應當用丙酮或乙醇(勿含硫)溶劑清除附在管端或焊口的油污。然后仔細清除距焊口3O～60 mm區域內的氧化膜，直到呈銀白色為止。焊接必須在清刷后1 h內進行。以避免管口重新氧化及沾染污物。管件一管子對口連接時，壁厚在3mm以下不開坡口，對口間隙為0．5—1．0 mm。當管壁厚度大于3 mm。采用v形坡口焊接。鈦材與不銹鋼和鋁材一樣。表面不得有硬印標記(樣沖孔等)，應用鉛筆(色筆)劃線。鈦管可用氧乙炔焰或等離子弧切割。切VI要留出足夠的加工余量， 用機械方法去除表面污染層。鈦表面打磨只能用橡膠或尼龍滲合氧化鋁的砂輪，絕不能用打磨過碳鋼的砂輪。打磨時不允許出現過熱的色澤。為了使焊縫得到與基體金屬近似的成分和抗腐蝕性能。應采用與基體金屬成分www.t0917.com相同的焊絲。要嚴格控制鈦材及焊接材料的純度，尤其是母材及焊絲中的氫、氧、氮和碳要盡可能少。實踐證明，鈦材的含碳量較低(≤0．1％)時焊接裂紋產生的概率很小。其次是嚴格控制氬氣的純度，要求A >99．99％ ， N < 0．005％ ， O < 0．002％ ， H <0．002％，水分在0．001 mg／L以下。焊接前焊絲要清除氧化膜及污物。表2為TIG焊工業純鈦TA2填充金屬雜質含量與焊縫金屬力學性能之間的關系。

　　表2 管件一管子TIG焊焊縫金屬的力學性能

　　注：TIG為鎢極惰性氣體保護電弧焊

　　3．2 焊接操作

　　管子及管件組對時應保持同心，嚴禁強制對口。以避免產生較大的應力。壁厚相同的管子或管件組對時應內壁平齊，壁厚不同管子或管件組對時，當內壁錯邊量超過規定時，應進行修理或壁厚削薄。使其錯邊量不超過壁厚的10％，且不大于1．0 mm。管接口焊接時，應先進行點焊定位。定位焊縫的焊接工藝及焊材應與正式焊接相同。焊縫長度為10～15 mm，高度不應超過壁厚的2／3，點焊數應根據管件及管子直徑和壁厚確定。焊接過程中，施工人員必須穿戴清潔的工作服和手套，以免混入灰塵影響質量。焊道表面應清理干凈。焊接過程中，工件嚴禁振動。工件在焊接過程中需翻轉時，必須等待焊縫金屬冷卻至200℃以下時，再輕輕翻轉。為可靠的保護好鈦管接頭焊口，要制作并合理運用各種各樣的氣體保護罩。如焊把保護罩，角焊背面保護罩，內部充氬保護罩等。對于#108 mm以下管子采用整體充氬保護為好。

　　表3 幾種不同壁厚管接口的鎢極氟弧焊規范參數

　　管壁厚度鎢極直徑焊絲直徑焊接電流 氬氣流量(L／min)mm ／mm ~／mm A 焊槍 保護罩

　　3．3 焊后處理

　　管口的焊后處理主要有2個方面。一是消除焊接應力(通常多用退火法)。二是進行管道清洗。焊后應使接頭在空氣中緩慢冷卻(焊后立即用水快速冷卻會導致收縮應力裂紋)。接頭冷到可用手摸時，即可進行焊后的清洗工作(保證管道的清潔與耐腐蝕性)。此外。對每個焊縫均進行外觀檢查和著色試驗，在無咬邊、焊瘤、裂縫和氣孔的條件下，再進行無損探傷檢查、水壓試驗和氣密性試驗。要求較高的管道內外焊縫均需進行清洗。首先用60～80℃的熱水沖洗，并去掉污物和殘渣。然后用30％的硝酸溶液洗滌，再用清水予以沖洗。

　　3．4 注意事項

　　鈦TA2管件一管子對接采用鎢極氬弧焊時應注意以下幾點。

　　①施焊環境溫度不得低于5℃，相對濕度在80％以內。

　　②焊接區域應設置適當的防護裝置，使其不受風、雨和雪等天氣的影響。

　　③施工現場應保持清潔。必要時搭設防塵棚，鋪設地板，配備去濕機。鋼鐵類機具不得直接接觸鈦管件及管材。

　　④管接口焊接時，一旦發現焊后顏色不是銀白色或金黃色，應及時磨去重新焊接。如出現氣孔、裂紋，也應磨去重焊。但亦要嚴格控制返修及補焊的次數。焊縫同一部位的焊補次數不宜超過2次。

　　⑤嚴禁在管道表面任意引弧，焊接前應在引弧板上試焊，測定提前送氬氣，滯后停氬氣的數據是否符合工藝要求。

　　⑥由施工員配合材料員對進場的材料進行嚴格管理。必要時對材料進行復驗。

　　⑦采用短弧焊效果好，勿擺動焊槍。用較大口徑的噴嘴時。噴嘴與工件的距離適當縮小以加用水和水的丙三醇溶液可以得到具有公稱粘性為1和550 mPas的液體。這些液體用來得到管道流體的摩擦力要素，孔口板和噴嘴的排放系數，突然增大，噴嘴，孔板和雷諾數范圍從10—200的截止閥的損耗系數。現有方法已經表明預測摩擦力要素和排放系數的適合性，但是對于預測損耗系數的不適應性些，以不妨礙觀察到熔池為限。

　　⑧焊絲熱端在焊接過程中不能脫離保護區，須將氧化部分切去才能繼續使用。焊接結束時要滯后停氣，直至焊接區溫度降至材質穩定的范圍，一般溫度在200℃以下。

　　4 結語

　　在焊接某裝置的鈦(TA2)管件一管子數個接口后，對焊縫進行無損探傷檢查，按規定標準評定，焊接一次合格率為97％，其他焊接缺陷一次返修后復檢全部合格。另對其焊縫進行著色滲透探傷，均未發現裂紋和分層缺陷。由此可見，只要充分了解和掌握鈦的基本特性，管接口施焊安裝過程中，有針對性地采取相應技術措施，嚴格把好各個施工環節質量關，就可取得優質滿意的效果。