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钛管的焊接性能分析与焊接工艺简述
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钛管的焊接性能分析与焊接工艺简述

发布时间 :2021-08-20 17:22:20 浏览次数 :

钛作为结构材料‚具有许多特点:比重小、抗拉强度高‚即比强度大‚在300~550℃高温下‚仍具有较高的强度‚钛在海水及大多数酸、碱、盐介质中均具有较优良的抗腐蚀性能‚此外‚钛材还具有良好的低温冲击韧性。

因此‚钛在宇航工业、石油化工等部门获得日益广泛的应用‚但是钛材焊接的低温氧化和气孔问题又给钛材焊接带来一定的难度‚因此‚要想提高钛管的焊接质量‚必须首先解决这两个问题。

1、钛材焊接性分析

1)由氧气等杂质污染所引起的焊接接头脆化在常温下‚钛是比较稳定的‚但随着温度的升高‚钛吸收氧、氮、氢的能力也随之明显上升。钛从400℃开始吸收氧‚从600℃开始吸收氮‚而空气中含有大量的氧和氮。

实验证明‚工业纯钛焊接时‚随焊缝[O]含量的上升‚焊缝的抗拉强度及硬度明显增加‚而塑性则显著下降‚也就是说‚焊缝因[O]的污染而变脆。

2)焊接线能量的变化对焊接接头性能的影响

要使工业纯钛焊接 HAZ 区获得良好的塑性‚需选用合适的冷却速度。而在板厚一定时‚冷却速度基本上是由焊接线能量来决定的。随着焊接线能量的增大‚HAZ 的高温停留时间增长‚过热区面积增大‚且晶粒因过热而变粗大的现象更为严重‚故用过大的焊接线能量来进行工业纯钛的焊接是不合适的‚塑性将明显下降。

3)气孔问题

钛材焊接时‚容易在熔合线附近出现气孔。试验表明‚这种气孔特点的形成与[H]在 Ti 中的熔解度有关‚从图1中可以看出‚[H]在 Ti 的熔解度随温度升高而降低‚在凝固温度有跃变。熔池中部比熔池边缘温度高‚故熔池中部的[H]易向熔池边缘扩散‚故熔池边缘为[H]过饱和而生成气孔。

[H]在高温Ti中熔解度随温度变化曲线

2、焊接工艺

1)焊接要求

通过上述对 Ti 材焊接特性的分析‚为了保证钛管焊接质量‚必须解决Ti 材的低温氧化和气孔问题。而低温氧化问题尤为关键。

所以‚钛管焊接必须做到下列几点:

a) 采用高纯度的 Ar 气进行焊接‚Ar 纯度≥99∙99%。

b) 焊前对钛管及焊丝必须认真清理干净。

c) 正确选用焊丝及严格按焊接规范操作。

d) 对处于400℃以上的熔池‚后部焊缝及 HAZ 区‚背面焊缝‚均应用高纯 Ar 保护。

2)钛管焊接保护

钛管焊接时‚保护区分三部分:熔池、后部焊缝及 HAZ 区(400℃以上)和背面焊缝。

因钛材导热性差‚焊接熔池大而冷却慢‚故焊枪喷嘴直径应适当加大‚以增大保护区域‚喷嘴内径一般取16~20mm。

对于400℃以上的后部焊缝及 HAZ 区的保护‚有关资料中已经提供了很多方法‚例如:真空室中焊接‚充氩箱中焊接及整体保护罩焊接等等。但这些方法不仅成本高‚而且

在操作上也多有不便‚因此‚成本低、操作方便的局部保护罩的设计‚对钛管的焊接来说是个重要突破。局部保护面积应根据400℃以上后部焊缝及 HAZ 区的面积来确定。

图2为钛材焊接时‚温度场分布示意图‚从图中可以看出400℃以上区域范围为80×60。因此‚保护罩的保护面积可依此确定。

温度场分布示意图

图2中椭球形过滤球由铜网包扎钛屑而成‚其作用是使 Ar 气能充满拖罩‚并形成稳定层流。

背面焊缝的保护分两种情况‚对管径 DN≥500的 Ti 管‚采取局部保护‚对管径 DN <500的 Ti 管‚采取整体保护。

其结构和不锈钢管线焊接时的内部保护结构相同。

3)钛管焊前清理

为确保钛管焊接质量‚钛管焊接禁止在露天现场‚应设置一钛管专用焊接操作间(空间大小以不影响施工为准)‚室内应保持清洁(最好是铺上黑胶皮)、干燥、室内温度不应低

于10℃‚不允许有空气对流。

为了防止出现气孔‚必须杜绝一切氢的来源。因此‚钛管焊前‚坡口附近表面及内壁必须认真进行清理‚清理程序如下:

磨光机打磨------不锈钢丝刷清理------抛光轮抛光------丙酮(乙醇)清洗、清理结束以后‚立即对坡口进行封口保护‚以防再次被污染。

4)工艺规范

根据前面对钛材焊接特性的分析可知钛管焊接一般应采用较小的线能量‚因此‚应选择较小的焊接规范进行焊接‚焊接规范详见表1。

钛管焊接规范参数表

5)注意事项

A、在采用上述规范时‚钨极直径宜为3mm。

B、由于 Ti 比重小‚所以组对时‚间隙G应严格控制在上述规范之内‚否则‚易出现内凹或焊瘤。

C、由于 Ti 熔点高‚比重小‚焊工在进行封底焊时‚应熟练掌握送丝技巧‚否则‚易出现内凹或焊丝未熔。

D、对厚壁管‚因表层焊道较宽‚为防止氧化‚在进行盖面焊时‚应采取排焊的方法‚尽量避免采用焊枪摆动一次成形的方法。

3、 焊接检验

焊接结束‚对所有的焊缝均应作100%的色泽检查和射线检测。

对国内工程‚检验按 SHJ-502-86标准执行。

对由外方监理的工程‚检验按 ASME 规范或其它国外相应标准执行。

4、 结语

我公司 PTA 工程中‚共有 Ti 管320m‚平均管径为 DN200。在施工过程中‚我们采用了前面所阐述的措施和工艺‚经检查‚所有的焊缝色泽为保护最佳的银白色‚射线探伤一次合格率达98∙07%。这一结果表明;局部保护罩的设计从根本上解决了钛管焊接的低温氧化问题‚钛管焊接施工工艺合理;但是‚拖罩与焊枪的固定还存在一定的问题‚这将有待于今后进一步改进。

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