钛钛合金管道的焊接

摘 要：本文通过对钛及钛合金金属物理化学性质的总结,分析了钛合金的焊接性及其存在的主要缺陷,提出了相应的解决方案,以作为同类型项目的有益参考.

关 键 词：钛合金；焊接性；焊接工艺

钛及钛合金是二十世纪四十年代末开始发展起来的一种优良的工业金属材料,其主要特点是密度小、比强度高、耐腐蚀、耐高温以及良好的低温性能,并且具有某些特殊的物理、化学特性,如超导、记忆、储氢等特殊功能,因此在宇航、航空、化工、石油、冶金、电力、医疗等领域得到了广泛的应用.

我公司承接的美国某化工项目中涉及到大量的钛及钛合金管道的焊接,该项目采用美国ASTM标准,主要包括ASTMB861GR2,GR7和GR12等级别的材料.其中ASTMB861GR2位纯钛管材,ASTMB861GR7为添加了0.12%到0.25%的钯元素的钛管,ASTMB861GR12为含钼0.3%,含镍0.8%的钛合金.由于我国钛资源丰富,储量居世界首位,因此所有钛材都从国内采购,按美国AEIX标准进行焊接工艺评定和焊接.由于这是我公司首次焊接上述钛及钛合金管道,没有现成的工艺可用,因此必须从分析钛及钛合金的物理化学性质及其焊接性开始,制定正确完善的焊接工艺,预判其焊接过程中可能出现的缺陷问题并提前制定预防方案,方能保证该项目的顺利进行.

1.钛及其合金的物理化学性质

钛的主要物理性能为：密度4.5g/cm3,熔点1688℃,比热容522J/（kgK）,热导率16J/（msK）.钛有两种结构：882℃以下为密排六方晶格结构,称为α钛；882℃以上为体心立方晶格结构,称为β钛.钛和常用的奥氏体不锈钢ASTMA312TP304L的主要物理性能对比如下：

从上表可以看出,钛的比强度接近不锈钢的3倍,这让钛材在某些要求强度高、重量轻的领域（如宇航）相对于不锈钢有不可替代的优势.

钛的化学性质活泼,对氧有极高的亲和力.在有氧环境中钛表面易生成致密而附着力强、惰性大的氧化膜,即使氧化膜受到机械破坏,只要在氧化性介质中,其自愈性强,又可再生成氧化膜,这是钛在许多酸、碱及介质中耐腐蚀性优异的原因.钛在高温下与氧、氮、氢反应速度较快,从250℃开始吸氢,300℃以上快速吸氢；从400℃开始吸氧,600℃以上快速吸氧；从600℃开始吸氮,700℃以上快速吸氮.

2.钛及钛合金的焊接性分析

由上述钛的物理化学性质可知,钛的熔点高于不锈钢,比热容大于不锈钢,化学活性大于不锈钢,因此钛材的焊接相较不锈钢来说有更高的要求.

钛及其合金在高温下对氧、氮、氢和碳等具有极大的亲和力,液态的熔池和熔滴金属如得不到有效保护,则更容易受到空气等杂质的玷污,脆化程度更严重,给焊接带来困难.同时,钛合金导热性差,电阻系数大,焊接时产生的热量多,热容大,不容易散失,熔化焊时需要用惰性气体或在真空状态进行保护.

O,N,H,C等常作为杂质元素出现在钛合金中,这些元素本身以及它们的化合物的出现将会严重影响钛的力学和耐蚀性能.氢是影响钛性能的有害元素之一,它会导致钛的塑性与韧性降低,发生氢脆.在冷却时,焊缝中的氢来不及逸出会产生气孔,故一般要求钛材中氢的含量<0.15%.钛在高温下（600℃以上）还易与氧、氮化合,使得焊接接头的塑性韧性下降,引起气孔和裂纹.钛还极易与碳反应生成脆性的碳化物,降低塑性并影响焊接工艺可靠性.为了避免上述问题带来的危害,焊接过程中必须妥善保护那些受焊接热源影响而温度高于250℃的区域.

另外,Fe的存在会严重影响钛的耐腐蚀性能和综合力学性能.铁元素的分布不均匀现象会导致富Fe相区与贫Fe相区的出现,并且由此建立起自发电池,产生电偶腐蚀行为；此外,Fe会加速H的吸收,易产生氢致裂纹,造成氢脆破坏.因此,在焊接钛合金时要重视Fe的污染带来的影响.

钛的弹性模量较低,焊后很容易产生较大的焊接变形；钛的冷变形回弹能力强,容易给矫形带来困难.因此,在制订焊接工艺时,必须考虑到如何预防焊接变形.

为了避免出现常见的焊接缺陷,同时保证焊缝的力学性能和耐腐蚀性,在焊接钛及其合金时,必须制订合理的焊接工艺,以确保焊接质量.目前常用的焊接钛及钛合金的工艺有钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、等离子弧焊、电子束焊、激光束焊、钎焊等.钨极氩弧焊是焊接钛合金最常用的焊接方法,主要用于厚度在10mm以下的钛及钛合金的焊接.手工钨极氩弧焊适应性较广,焊接质量可靠,但对于厚板焊接效率较低、劳动强度较大.熔化极氩弧焊比钨极氩弧焊的效率高,主要用于焊接厚板,但焊接过程中对工艺参数和焊接环境要求较高,否则容易产生气孔.等离子弧焊接的厚度范围比较宽,从薄板到厚板都可以采用,但焊接时应注意喷嘴的损伤.真空电子束焊也越来越多的用于钛的焊接,由于在真空环境下,因此它能获得高质量的焊接接头,但同时由于需要在真空室中焊接,对工件的尺寸有所限制.与电子束、等离子束焊接相比,激光焊接具有熔池净化效应,能纯净焊缝金属,焊缝的机械性能等于或优于母材.对于某些微型、精密的零件也可以使用钎焊的方法来获得.

几种焊接方法的比较

3.焊接工艺

根据上述钛及钛合金焊接性的分析,以及结合本项目的特点,决定采用钨极氩弧焊工艺来执行本项目的焊接.使用钨极氩弧焊焊接钛及钛合金时,要获得高质量的焊接接头,必须注意一下事项：

3.1施工场地

钛及钛合金管道焊接应在专门独立的加工车间内进行,焊接作业处应有挡风防潮措施,一般焊接作业时风速应小于3m/s,相对湿度应小于80%.作业场所应保持清洁,不能有粉尘污染,特别是附近不能有碳钢的切割、打磨作业.用于钛及钛合金管道加工的工具、设备应专门用于钛及钛合金加工,不得与碳钢混用.

3.2工件和焊丝的清理未经清理的工件和焊丝表面往往含有油污、潮气、金属粉尘等等污染物,这些污染物本身或在焊接的高温作用下会产生影响钛及钛合金焊接质量的各种有害元素,如氧、氢、氮、碳、铁等等,因此在焊前必须对工件及焊丝进行认真清理.管道的切割或开孔应用机械方法进行,切割的机具应专门用于钛材的加工,不得与用于碳钢的机具混用,以免造成铁素体污染.如果使用火焰或等离子方法进行切割,则切割边缘必须进行打磨直至氧化层完全去除,露出金属光泽为止.钛管焊接前应用无硫的丙酮溶剂对坡口及其内外两侧进行脱脂处理,然后再焊口两侧各50mm的区域内,用细铜刷仔细地把氧化膜去除掉,直到呈银白色为止.清理完成后1小时内必须马上进行焊接,以免管口重新氧化和污染.

3.3保护气

由于钛的化学性质十分活泼,特别是在熔化焊接时,熔池内熔融状态的钛极易与氧、氮、氢、碳以及其它杂质元素发生反应,从而形成焊接缺陷,因此焊接钛及钛合金时保护气的选择和使用对焊接质量有非常重要的影响.用于钨极氩弧焊的氩气为一级氩气,其纯度在99.99%以上,杂质的总质量分数不超过0.02%,露点低于-50℃,空气相对湿度不超过5%,水分含量不大于0.001mg/L.氩气流量的选择以得到良好的焊缝表面色泽为标准.钛会与氧接触,在表面形成一层氧化膜,并且该氧化膜的颜色会随着自身形成时的温度不同而出现差异.JB/T4745-2002中规定焊后焊缝及热影响区表面出现银白色氧化膜,则表明气体保护效果最佳；当颜色为金时,保护效果也可以接受,其它颜色则为不合格.

为了得到良好的氩气保护效果,一般应使用管道气；若使用气瓶气,若发现氩气瓶的压力降至1MPa时就应停止使用.选用精确的氩气流量计以控制气流量,送气软管选用塑料管,不宜用橡胶管输送氩气.

由于钛及钛合金在较低温度（250℃）时就开始吸氢,因此对于刚刚焊接完成脱离焊炬氩气保护的高温部分也要进行保护,特别是在焊接钛及钛合金管道时,为了得到更好的焊接质量,一般应使用环缝气体保护拖罩来进行保护.拖罩的长度一般为150-180mm,宽度在40-50mm,具体尺寸可根据管径、壁厚及具体工艺参数确定.保护罩的材质应当选用奥氏体不锈钢或铝、铜等,四角应圆滑过渡,不留死角.

钛焊缝及热影响区表面颜色的规定如下表所示：

3.4焊丝

填充焊丝的成分一般应与母材金属成分相同.常用的牌号有TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TC3等.为提高焊缝金属的塑性,可选用强度比母材金属稍低的焊丝.如焊接TA7及T等钛合金时,为提高焊缝塑性,可选用纯钛焊丝,此时接头的效率低于100%.焊丝中的杂质含量应比母材金属的低的多,仅为一半左右,如氧≤0.12%,氮≤0.03%、氢≤0.006%、碳≤0.04%.

焊丝均以真空退火状态供货,其表面不得有烧皮、裂纹、氧化色、金属或非金属夹杂等缺陷存在.同时注意焊丝在焊前必须进行彻底的清理,否则焊丝表面的油污等污染物可能成为焊缝金属的污染源.当采用无标准牌号的焊丝时,可以从基体金属裁切出狭条作焊丝,狭条宽度和厚度相同.

3.5坡口的加工与组对

为减少焊缝的累积吸气量,在选择坡口形式及尺寸时,应尽量减少焊接层数和填充金属量,以防止接头塑性的下降.搭接接头由于其背面保护困难,接头受力条件差,因而尽可能不采用,一般也不采用永久性垫板对接.对于母材厚度小于2.5mm的I形坡口对接接头,可以不添加填充焊丝进行焊接.对于厚度更大的母材,则需要开坡口并添加填充金属.一般应尽量采用平焊.采用机械方法加工的坡口,由于接头内部可能留有空气,因而对于接头组对的要求必须比焊接其它金属高.

由于钛的一些特殊物理性能,如表面张力系数大、熔融态时黏度小,使得焊前必须对焊件进行仔细的组对.点固焊是减少焊件变形的措施之一,点固焊所用的焊丝、焊接工艺参数及保护气体等条件与正式焊接时相同,在每一点固焊点停弧时,应延时关闭氩气.同时组对时应严禁使用铁器敲击划伤待焊工件表面.

3.6焊接工艺参数的选择

钛及钛合金焊接工艺参数的选择,既要防止焊缝在电弧作用下出现晶粒粗化的倾向,又要避免焊后冷却过程中形成脆硬组织.纯钛及所有的钛合金焊接,都有晶粒长大的倾向,其中尤以β钛合金最为显著,而晶粒长大难以用热处理方法加以调整.所以焊接应采用较小的焊接线能量,最好是使温度刚好高于形成焊缝所需要的最低温度.如果线能量过大,则焊缝容易被污染而形成缺陷.

根据美国AEIX标准制定的焊接工艺参数如下：

4.常见焊接缺陷及预防措施

钛是比较难焊接的金属,极易氧化、氮化、脆化.常见的焊接缺陷主要有3种：焊接接头中产生气孔、焊接接头出现裂纹、焊接接头发生脆化.

钛及钛合金的焊接中易产生气孔,细小且数量多.形成气孔的因素很多,且很复杂.一放面有焊件、焊丝的表面吸附不纯气体、粘附灰尘、油脂或存在氧化物等直接因素,这些气孔是焊接中熔池吸收的杂质气体被封闭在熔融金属中形成的.气泡的核主要是熔池前面坡口表面及熔化电极或焊丝表面的氧化钛或氮化钛；另一方面,还有一些间接因素包括氩弧焊时焊接电流过大,焊接速度过快以及坡口角度太小等.但一般认为：氢气是引起气孔的主要原因.在焊缝金属冷却过程中,氢的溶解度会发生变化,如焊接区周围气氛中氢的分压较高时,焊缝中的氢不易扩散逸出,而集聚在一起形成气孔.为防止气孔的产生,需要采取的措施如下：①严格控制基体金属、焊丝、保护气中氧、氮、氢等杂质气体的含量；②焊前彻底清除工件、焊丝表面上的氧化皮及油污等有机物；③增加熔池停留时间以便气泡逸出,可有效减少气孔.

钛不仅在熔融状态下能和大部分元素发生反应,而且在300度以上就开始大量吸氢,从而降低钛的塑性与韧性,导致氢脆.钛在600℃以上会急剧地和氧、氮化和,生成二氧化钛或氮化钛,当加热到800℃以上时,二氧化钛即溶解于钛中并且扩散深入到金属钛的内部组织中去,形成中间脆性层.钛易与碳形成脆性的碳化物,降低钛的塑性和焊接性.因此对焊接熔池的保护是非常重要的.

当焊缝中含氧、氢、氮等杂质元素较多时,焊缝和热影响区的性能变脆,在较大的焊接应力作用下容易出现裂纹.这种裂纹是在较低温度下形成的.在焊接钛合金时,热影响区有时也会出现延迟裂纹,这是由于熔池中的氢和母材金属低温区中的氢向热影响区扩散,造成氢在热影响区的含量增加并析出TiH2,使热影响区脆性变大.此外,氢化物析出时的体积膨胀会引起较大的组织应力,在加上氢原子的扩散与聚集,最终使得焊接接头形成裂纹.防止这种延迟裂纹的方法,主要是减少焊接接头氢的来源.另外,钛一旦沾染铁离子就会变脆,亦是产生焊接裂纹的主要原因之一.预防措施也是减少铁离子的来源,不要让钛与铁接触.

钛及钛合金焊接有时也会出现咬边、塌陷等缺陷,这主要是因为钛在液态状态时流动性强造成的.因此,焊工在进行钛材焊接前应进行有针对性的训练,另外也要注意坡口组对和装配的精确性.

5.结束语

通过对钛及其合金的物理化学性能的总结,以及对其焊接性的分析,初步掌握了钛及钛合金管材的焊接工艺特点和要求,制定出了比较合理的钨极氩弧焊工艺参数,同时分析了钛及钛合金的管道焊接的容易出现的主要缺陷,并提出了相应的预防措施,在取得项目顺利实施的同时,为同类项目积累了经验.