郭 敬，王海強(qiáng)

（1.中國電建集團(tuán)山東電力建設(shè)第一工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.國電庫爾勒發(fā)電有限公司，新疆 庫爾勒 841000）

由于工業(yè)純鈦具有較好的綜合性能和優(yōu)異的耐蝕性能，使它成為許多工業(yè)部分不可缺少的結(jié)構(gòu)材料。如果是在水中，它可以在短時(shí)間里和氧發(fā)生反應(yīng)，在其表面形成致密的氧化膜，使鈦產(chǎn)生良好的耐腐蝕性。鈦表面鈍化膜具有很強(qiáng)的自愈再生能力，即使在機(jī)械磨損的情況下也能快速生成新的氧化膜，完全滿足鈦在一般條件下的耐腐蝕要求。使得爆炸～軋制～鈦鋼復(fù)合板成為電廠煙囪內(nèi)襯鋼筒的首選材料。

1 工業(yè)純鈦TA2的性能特點(diǎn)

1.1 物理性能

鈦呈銀白色，熔點(diǎn)高，導(dǎo)熱性差，線膨脹系數(shù)小，電阻率大。相對(duì)于其他金屬材料而言，鈦的密度小、強(qiáng)度高[1-3]。鈦的密度，僅為鐵的57.4%，銅的50.7%。鈦合金的硬度性質(zhì)最大的一部分應(yīng)用在常用工業(yè)合金中，使用率是不銹鋼的3.5倍，鋁合金的1.3倍，鎂合金的1.7倍。

1.2 化學(xué)性能

鈦化學(xué)性質(zhì)活潑，與氧有很強(qiáng)的親和力，室溫下潔凈的表面也會(huì)迅速形成穩(wěn)定而堅(jiān)韌的氧化膜。鈦的化學(xué)活性隨著溫度的提高而增強(qiáng)，在高溫下氧化膜的厚度將增加。溫度高于648℃時(shí)，抗氧化能力急劇下降。鈦在固態(tài)狀態(tài)下可吸收氣體，加熱至300℃時(shí)，就開始吸收氫。加熱至400℃時(shí)，可以吸收氧[4]。在600℃時(shí)可吸收氮。當(dāng)鈦中氣體元素增加后，其強(qiáng)度也會(huì)顯著增加，而塑性急劇下降，所以氫、氧、氮是鈦的有害元素。

2 焊接性分析

2.1 化學(xué)成分和力學(xué)性能

TA2的化學(xué)成分和力學(xué)性能數(shù)據(jù)可以由寶雞市震祥有色金屬有限公司的材質(zhì)證明得知，分別見表1和表2所示，TA2批號(hào)為：20158-4。

表1 工業(yè)純鈦TA2的化學(xué)成分（%）

表2 工業(yè)純鈦TA2的力學(xué)性能

2.2 鈦TA2的焊接特點(diǎn)

2.2.1 焊接接頭晶粒易粗化

TA2特殊的物理性能決定了在焊接時(shí)容易出現(xiàn)焊接接頭組織粗化，從而造成塑性和韌性降低[5,6]。因此在焊接時(shí)對(duì)熱輸入要嚴(yán)格控制，一般宜采用小電流，快速焊。

2.2.2 焊接接頭脆化

TA2容易受氣體等雜質(zhì)污染而脆化。然而，隨著溫度的升高，鈦吸收氧、氮和氫的能力顯著提高，加熱至300℃時(shí)，就開始吸收氫。加熱至400℃時(shí)，可以吸收氧。在600℃時(shí)可吸收氮[7]。氫會(huì)導(dǎo)致鈦的塑性和韌性降低，導(dǎo)致氫脆。溫度越高，鈦的氧化膜會(huì)變得多孔，在鈦中形成硬化層，降低鈦的塑性。因此，在焊接過程中應(yīng)妥善保護(hù)溫度在400℃以上的熔池、焊縫及熱影響區(qū)(包括背面)。

2.2.3 焊接裂紋

氫是冷裂紋形成的主要原因。在擴(kuò)散過程中，氫會(huì)從固溶體中析出TiH。TiH析出過程會(huì)產(chǎn)生較大的體積變化和較大的內(nèi)應(yīng)力[8]。為了避免冷裂紋的出現(xiàn)，有必要著重預(yù)防氫的危害。在設(shè)計(jì)焊接工藝時(shí)，可以通過控制氫、氮等雜質(zhì)元素來減少裂紋。

2.2.4 氣孔

在TA2焊接中氣孔串是最常見的缺陷之一。主要作用是降低焊接接頭的疲勞強(qiáng)度[9]?？紫抖瓤梢园呀宇^疲勞強(qiáng)度降低至少一半。鈦焊接接頭的氣孔有三部分：冶金反應(yīng)產(chǎn)生的氣孔、外部空氣進(jìn)入時(shí)形成的氣孔和油水分解產(chǎn)生的氣孔。①焊接前由于清洗不到位，有些焊絲油會(huì)附著在鈦表面，這種情況是造成氣孔的主要原因。在焊絲加工過程中產(chǎn)生的殘馀潤滑劑，在拋光過程中產(chǎn)生的殘馀磨料顆粒的斷裂，以及，長期運(yùn)作過程中很容易有殘馀水分附著在焊接槽的附近，久而久之而容易形成氣孔。②氫。氫主要來源是由于焊絲中氫的含量過高、溝槽和空氣中的水分。改善措施：焊絲選用含氫量低的，工作中采取措施有效避免水污染和空氣污染。同時(shí)更為重要對(duì)氣孔的數(shù)量有影響的兩個(gè)因素：第一，不同的焊接方法。一般情況，氬鎢弧焊產(chǎn)生的氣孔相對(duì)電子束焊接更少。第二，焊接工藝參數(shù)。焊接參數(shù)、固定焊接工藝、氣體純度、焊縫冷卻速度等都影響氣孔的形成[10]。

2.2.5 焊接變形

低碳鋼的雙倍彈簧模量才能達(dá)到鈦的彈性模量。導(dǎo)熱系數(shù)是鋼的1/4，銅的1/23，鋁的1/3。所以才焊接過程中，它會(huì)產(chǎn)生很大的焊接變形。冷卻后的鈦回彈性大，約為不銹鋼的兩倍，焊接矯正困難。因此，在焊接過程中，有必要解決在如果防止焊接變形這一問題，可以從優(yōu)化焊接工藝、工件配裝兩方面入手[11]。此外，焊接前定位焊接和鈦的約束可以有效地減小焊接后的角變形和彎曲變形。

3 焊接工藝

3.1 焊接方法

鎢極氬弧焊GTAW適用于厚度在3mm以下的鈦及鈦合金的焊接，母材厚度小于2mm的I形坡口對(duì)接接頭可不加焊絲進(jìn)行焊接?？紤]到現(xiàn)場實(shí)際情況，鎢極氬弧焊GTAW是最佳選擇。

3.2 焊接材料

選用焊絲的成分要和被焊母材相近，雜質(zhì)越少越好；因此根據(jù)TA2的性能特點(diǎn)和目標(biāo)產(chǎn)品煙囪鋼內(nèi)筒內(nèi)襯的性能要求，再結(jié)合煙囪鋼內(nèi)筒內(nèi)襯的化學(xué)成分和力學(xué)性能，選用寶雞萬德公司金屬有限公司根據(jù)GB/T3623-2007生產(chǎn)的直徑為2.0mm的焊絲，其的化學(xué)成分如表3所示，焊絲的證書編號(hào)：20170216-01。

表3 TA2焊絲的化學(xué)成分（%）

3.3 焊前準(zhǔn)備

由于現(xiàn)場施工時(shí)，所有焊接接頭均為T型接頭，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，選用T型接頭進(jìn)行工藝評(píng)定試驗(yàn)。焊前清理包括機(jī)械清理、化學(xué)清理。①機(jī)械清理：針對(duì)難以進(jìn)行化學(xué)清理的表面污染。②化學(xué)清理：對(duì)于較薄的氧化膜，可以采用酸洗工藝，酸洗后用水沖洗、干燥。

3.4 焊接工藝參數(shù)

焊接時(shí)過大的焊接電流和焊接電壓將造成焊接接頭晶粒粗化，并且過大的焊接熱輸入提高焊接變形的風(fēng)險(xiǎn)；因此，一般宜采用小電流，快速焊。過小的焊接電流和焊接電壓到時(shí)有利于降低焊接熱輸入，但是熱輸入過小又嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。因此，焊接時(shí)適宜的焊接工藝參數(shù)尤為重要，具體如表4所示。

表4 工業(yè)純鈦TA2的焊接工藝參數(shù)

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 外觀

根據(jù)ASME第Ⅸ卷中的QW-462.4（a）對(duì)焊接試件切割成5個(gè)試樣，5個(gè)試樣的外觀檢測情況見表5。

表5 外觀檢測結(jié)果

4.2 宏觀金相

把5個(gè)試樣根據(jù)ASME第Ⅸ卷中的QW-183的要求進(jìn)行了宏觀金相試驗(yàn)（見表6）。

表6 宏觀金相試驗(yàn)結(jié)果

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）5個(gè)試樣的外觀顏色為銀白色、淡黃色和黃色；結(jié)果合格。

（2）5個(gè)試樣的焊縫金屬和熱影響區(qū)橫斷面完全熔合、無裂紋，且焊腳長度差均不大于3mm，宏觀金相滿足ASME第Ⅸ卷中的QW-183的要求，結(jié)果合格。

5 結(jié)論

工業(yè)純鈦TA2的焊接過程，一定要控制好機(jī)械清理～化學(xué)清理～焊接環(huán)境控制～焊接工藝參數(shù)～保護(hù)氣體保護(hù)時(shí)間這五個(gè)環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)每一個(gè)都特別重要，缺一不可。在某電廠煙囪鋼內(nèi)筒爆炸～軋制～鈦鋼復(fù)合板施工實(shí)踐中，從以上五個(gè)環(huán)節(jié)著手，嚴(yán)格控制施工工藝，工業(yè)純鈦TA2的焊接取得了很好的效果。