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(guó)家戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備物資是一種與鈮共生的稀有金屬，主要通過(guò)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(xiàn)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?xún)?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(duì)切口不敏感，不發(fā)生腐蝕疲勞和腐蝕破裂等局部類(lèi)型的腐蝕。由于鉭在自然界的含量低(在地殼中的含量?jī)H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(jiàn)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(lái)已經(jīng)足夠薄的鉭復(fù)層，經(jīng)過(guò)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(hù)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(guò)鉭焊縫熔池向外噴射、外翻，極易導(dǎo)致鉭復(fù)層焊縫開(kāi)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(guò)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(guò)大引起的晶粒粗大、氧化及過(guò)渡層甚至基層的熔化等一系列問(wèn)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(guó)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(guó)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(gòu)，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(gòu)，但國(guó)內(nèi)和美國(guó)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(guó)內(nèi)牌號(hào)化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表 1，2。

(2)因目前國(guó)內(nèi)在壓力容器行業(yè)尚無(wú)鉭及鉭合金線(xiàn)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(jiàn)表1，也可采用ASTM B365—98(2004)《鉭及鉭合金線(xiàn)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(guò)－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(lái)增加熔深、減小熱輸入，細(xì)化晶粒，提高焊縫的性能，但對(duì)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(guò)程及結(jié)果分析

3.1 焊前清理

鉭材的制作和焊接過(guò)程中對(duì)清洗保護(hù)的要求比鈦、鋯、鈮的嚴(yán)格。焊前對(duì)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(duì)點(diǎn)焊時(shí)不開(kāi)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(guò)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(jiàn)表3。

3.3 焊接保護(hù)

鉭非常容易氧化。焊接過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)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(duì)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(duì)接的焊接參數(shù)

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)外觀(guān)檢查合格，按照J(rèn)B/T 4730—2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》分別進(jìn)行100%PT滲透檢測(cè)和100%RT射線(xiàn)檢測(cè)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(jiàn)表4;對(duì)焊縫進(jìn)行微觀(guān)金相晶粒度觀(guān)察見(jiàn)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(duì)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(jiàn)圖2)。總的來(lái)看，1#，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(guò)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(duì)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(duì)鉭復(fù)層和鈦過(guò)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(duì)蓋板正反面15 mm以?xún)?nèi)及與Ta1+TA1+Q345R復(fù)合板復(fù)層相焊的區(qū)域用專(zhuān)用磨頭打磨清理，并用丙酮清洗，在焊接的時(shí)候通過(guò)蓋板下面預(yù)留的通氣孔通氣保護(hù)(見(jiàn)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(duì)焊縫進(jìn)行100%PT滲透檢測(cè)合格，對(duì)角焊縫采用線(xiàn)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(guān)察鉭復(fù)層的焊縫與過(guò)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(xiàn)仍然無(wú)法分辨，而此時(shí)過(guò)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(guò)鉭復(fù)層與鈦過(guò)渡層的凸界面線(xiàn)(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(guò)渡層的鈦由于受熱晶粒已經(jīng)開(kāi)始長(zhǎng)大變粗，耐蝕性能下降，但其與金屬鉭、低合金鋼沒(méi)有發(fā)生互溶。由此可見(jiàn)，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(duì)過(guò)渡層鈦性能有一定的影響，但沒(méi)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(mǎn)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(xiàn)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(guó)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(guó)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(duì)此臺(tái)設(shè)備的縱、環(huán)焊縫采用基層對(duì)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(wèn)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(guò)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(wú)灰和與鋼制設(shè)備隔離的專(zhuān)用焊接工作區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，避免焊接過(guò)程中與鐵、鋁、鋅等活性的金屬接觸，防止它們?cè)谝合嚯娊赓|(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(guò)程中要通過(guò)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(guò)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(guò)程的層間溫度≤100℃。

5.3 鉭貼條后的檢測(cè)

對(duì)所有鉭復(fù)層的焊縫和熱影響區(qū)經(jīng)外觀(guān)檢查合格后，按照設(shè)計(jì)圖紙要求對(duì)復(fù)合板復(fù)層的焊接接頭進(jìn)行100%PT檢測(cè)，均符合JB/T 4730—2005Ⅰ級(jí)要求;采用0.05 MPa的氮?dú)馔ㄟ^(guò)檢漏孔通入鉭蓋板和復(fù)層之間，對(duì)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(wú)任何泄漏。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)焊接工藝試驗(yàn)，利用焊接熱輸入的比較來(lái)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(xiàn)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(duì)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(duì)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(guò)大引起的晶粒粗大、氧化及過(guò)渡層甚至基層的熔化等一系列問(wèn)題，圓滿(mǎn)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(zhǎng)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(guó)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(duì)鉭鋼復(fù)合板焊接性的影響［J］.焊接技術(shù)，2001，30(3):5－6.