我公司應(yīng)用戶需求要制作幾套鈦盤管，由于對鈦材料沒有制造經(jīng)驗(yàn)，因此進(jìn)行了多種焊接工藝調(diào)試，并制作不同的氣體保護(hù)罩。通過工藝試驗(yàn)最終確定了最佳的焊接工藝和保護(hù)罩，使用該焊接工藝進(jìn)行生產(chǎn)制造，保證了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。

1、鈦的焊接性分析

鈦是一種活性金屬，常溫下能與氧生成致密的氧化膜而保持高的穩(wěn)定性和耐蝕性。540℃以上生成的氧化膜則不致密。高溫下鈦與氧、氮、氫反應(yīng)速度較快，鈦在300℃以上快速吸氫，400℃ 以上開始吸氧、吸氮，600℃以上快速吸氧，700℃以上快速吸氮。氧和氮溶于鈦中使鈦的塑性和韌性下降，氫的溶入使鈦的脆性增加，韌性急劇下降。碳以間隙固溶于鈦中，使鈦強(qiáng)度提高、塑性下降，碳含量超過溶解度時(shí)就會生成硬而脆的TiC，呈網(wǎng)狀分布，易于產(chǎn)生裂紋。

此外，鈦的熔點(diǎn)高，比熱及導(dǎo)熱系數(shù)小，冷卻速度慢，焊接熱影響區(qū)在高溫下停留時(shí)間長，高溫極易過熱粗化，造成接頭塑性下降。

從上述鈦的特性可以分析出鈦的焊接性，要保證其焊接接頭性能，應(yīng)控制碳、氮、氧及氫等元素的侵入，因此如何使鈦在高溫范圍內(nèi)保持清潔和處于被保護(hù)狀態(tài)是關(guān)鍵問題，同時(shí)控制焊接接頭的溫度，避免過熱而影響焊接接頭的性能。氬是惰性氣體，既不與鈦形成固溶體，也不與其他元素發(fā)生反應(yīng)，因此鈦的焊接適用于氬弧焊，但氬氣的純度應(yīng)很高，一般純度≥99.99%。

2、焊前準(zhǔn)備

（1）焊接場地及環(huán)境 

施焊環(huán)境應(yīng)該是潔凈、無煙、無塵，獨(dú)立的區(qū)域。施焊環(huán)境的自然條件為：風(fēng)速≥1.5m/s，相對濕度＞80%，溫度＜5℃，雨雪無防護(hù)時(shí)不得施焊。如在鋼鐵作業(yè)的車間施焊，鈦材的焊接區(qū)應(yīng)與鋼鐵區(qū)隔開，并防止鐵粉及氣體等有害雜質(zhì)的污染；焊接時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離通風(fēng)口和敞開的門窗，場地應(yīng)鋪設(shè)橡膠軟墊。

（2）保護(hù)罩的制作 

為了使鈦在高溫區(qū)（200℃以上）完全處于氬氣的保護(hù)下，必須制作保護(hù)效果好又便于焊接操作的保護(hù)罩。由于保護(hù)罩結(jié)構(gòu)的好壞直接影響焊接質(zhì)量和焊接效率，所以經(jīng)過多次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接試驗(yàn)，最后確定保護(hù)罩采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)。另外氬的比重高于空氣，因此保護(hù)罩制作時(shí)可以考慮在保護(hù)罩上方留有操作孔。

（3）坡口加工 

坡口應(yīng)用機(jī)械加工，如使用坡口機(jī)、風(fēng)動內(nèi)磨機(jī)、氧化鋁或碳化硅砂輪磨光片等工具加工坡口。坡口加工時(shí)應(yīng)慢速加工（或用冷卻水冷卻），防止加工時(shí)溫度過高。加工后的坡口表面應(yīng)平整、光滑，不得有裂紋、分層、夾雜、毛刺、飛邊和氧化色等，坡口表面及其兩側(cè)30mm范圍內(nèi)應(yīng)呈銀白色金屬光澤。

（4）焊前清理 

焊絲、坡口表面及兩側(cè)20mm范圍內(nèi)應(yīng)進(jìn)行表面清理?？筛鶕?jù)表面污染程度選用脫脂、機(jī)械清理或化學(xué)清洗，機(jī)械清理時(shí)允許使用不銹鋼絲刷。施焊前應(yīng)用丙酮或無水酒精等溶劑清洗坡口和焊絲，清洗以后不得用手直接觸摸，并在4h內(nèi)及時(shí)施焊，過期未焊應(yīng)重新清洗。清洗干凈的焊絲不得隨意拋在地上，應(yīng)放在潔凈的焊絲筒內(nèi)，以防再次污染。

3、焊接

1）焊接工藝評定 

按NB/T47014—2011進(jìn)行焊接工藝評定， 焊接工藝評定所用鈦管材料為TA2，鈦管規(guī)格為φ 45mm×3mm。編制預(yù)焊接工藝規(guī)程時(shí)應(yīng)以焊接可操作性和得到優(yōu)異的焊接接頭性能為原則。

為保證鈦盤管施焊的焊接接頭滿足使用要求，焊接工藝評定試驗(yàn)時(shí)按預(yù)焊接工藝規(guī)程進(jìn)行。所用氬弧焊焊機(jī)型號為WSM315，采用高頻引弧，氬氣采用純氬（99.99%Ar）。焊接坡口如圖2所示，焊接參數(shù)如表1所示 。

焊接工藝評定試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，由表2可知焊接工藝評定試驗(yàn)結(jié)果合格。焊接工藝評定試件如圖3所示，力學(xué)性能測試試件如圖4所示。

2）切片腐蝕試驗(yàn) 

為驗(yàn)證焊接接頭是否耐腐蝕，采用氬弧焊焊接一個(gè)鈦管試件，蓋面焊時(shí)均為通水保護(hù)，其中中間一條焊縫在焊接時(shí)特意不進(jìn)行保護(hù)，焊縫顏色呈黃色并部分帶藍(lán)色，其余焊縫均為銀白色。然后對鈦管試件進(jìn)行切片取樣，取樣后用30%硫酸（煮沸）侵泡24h進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)（見圖5）。從圖5可看出，銀白色的焊縫有輕微腐蝕，而金黃帶藍(lán)色的部位嚴(yán)重腐蝕，

說明焊接時(shí)通水保護(hù)好的焊縫同樣具有好的耐腐蝕性。

3）鈦盤管的焊接 

焊接工藝評定試驗(yàn)及腐蝕試驗(yàn)結(jié)果合格后，才可以進(jìn)行產(chǎn)品的施焊。

依據(jù)焊接工藝評定編制焊接工藝規(guī)程，依據(jù)焊接工藝規(guī)程的參數(shù)及要求進(jìn)行盤管的焊接。由于盤管較長，拼焊時(shí)較重，手工轉(zhuǎn)動較難，因而將盤管放在可以轉(zhuǎn)動的支撐輪上，焊接時(shí)可以轉(zhuǎn)動焊。同時(shí)先采用7根直鈦管一組進(jìn)行組焊后一道焊接，焊接時(shí)分兩層，打底焊時(shí)管內(nèi)通純氬氣進(jìn)行保護(hù)（先通氬10~15min，將管內(nèi)的空氣排凈才可以焊接），焊接處管外用保護(hù)罩進(jìn)行保護(hù)，待焊的焊口用膠帶密封住，第一個(gè)管口用膠帶密封并插入氬氣管通氬氣，最后一個(gè)管口膠帶密封，并打幾個(gè)小孔，以便排除空氣和氬氣。

所有焊口焊完打底焊后再進(jìn)行蓋面焊，蓋面焊時(shí)管內(nèi)通水進(jìn)行保護(hù)，注意水必須灌滿管內(nèi)，以防管內(nèi)留有空氣，管外用保護(hù)罩通氬氣。焊接時(shí)隨時(shí)控制鈦管溫度保持在200℃以下才能脫離氬氣的保護(hù)，否則必須通氬（包括焊槍應(yīng)延遲關(guān)氣）。當(dāng)每組鈦管都焊好，進(jìn)行盤管時(shí)，由于盤管結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，必須留有兩道焊口，在鈦管盤起來后才可以焊接，因而這兩道焊口需進(jìn)行全位置焊接。全位置焊時(shí)同樣用保護(hù)罩和背面通水保護(hù)，背面通水時(shí)應(yīng)注意將水引到較遠(yuǎn)處，以防焊接區(qū)的相對濕度變高。嚴(yán)格按照此焊接工藝規(guī)程進(jìn)行焊接，所焊盤管的所有焊縫均為銀白色（見圖6）。

4）焊后檢測

焊后檢測產(chǎn)品外觀、焊縫表面及余高均符合要求。進(jìn)行RT射線檢測，根據(jù)NB/T47013.2—2015標(biāo)準(zhǔn)評定級別為II級以上，焊縫內(nèi)部和外觀均達(dá)到要求。最后進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，沒有發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)，完全符合出廠要求。

4、結(jié)語

通過產(chǎn)品的制造及驗(yàn)收，并經(jīng)客戶一段時(shí)間的使用得知，對于鈦盤管的焊接，只要選擇合適的保護(hù)方式、正確的焊接工藝和操作方法，同樣可以獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，從而保證產(chǎn)品的安全性能和使用性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 焊接手冊（第二卷）材料的焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

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