纯钛的钨极氩弧焊工艺

摘要：通过对阀门制造中纯钛阀门的焊接采用钨极氩弧焊的工艺的研究，确定了合理的焊接工艺参数。工艺评定结果表明，接头性能满足有关技术条件的要求。

关键词：纯钛 钨极氩弧焊 冷裂纹

0 前言

钛及钛合金具有优良的耐蚀性、密度小、比强度高（强度极限与密度之比）及较好的耐热性、加工性，因此在化工机械、炼油机械等工业行业得到了广泛的应用。在阀门的制造中由于阀门工作介质的要求经常会碰到一些钛及钛合金的阀门。在常温下，钛及钛合金是比较稳定的。但在焊接过程中，液态熔滴和熔池金属具有强烈吸收氢、氧、氮的作用，而且在固态下，这些气体已与其发生作用。随着温度的升高，钛及钛合金吸收氢、氧、氮的能力也随之明显上升，大约在250℃左右钛开始吸收氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮，这些气体被吸收后，将会直接引起焊接接头脆化，是影响焊接质量的极为重要的因素。本文对经常用到的TA2（工业纯钛）的焊接工艺在阀门制造中应用的可行性进行了试验研究，并做了相关工艺评定及产品试运用。

1 TA-2材料焊接性分析

1.1 焊接接头脆化

常温下，钛及钛合金是比较稳定的。随着温度的升高，钛及钛合金吸收氧、氮及氢的量明显增加，钛从250℃开始吸收氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮。氧在α钛中的最大溶解度为14.5%（原子），在β钛中为1.8%（原子）；氮分别为7%和2%（原子）。氮和氧固溶于钛中，使钛晶格畸变，变形抗力提高，强度和硬度增加，塑性和韧性降低。钛焊缝的含氢量对焊缝冲击性能的影响最为显著。其原因主要是随着焊缝含氢量的增加，焊缝中析出的片状或针状TiH2增多。TiH2的强度很低，故片状或针状TiH2的作用像微型缺口一样，大大降低了焊接接头的冲击性能。

1.2 焊接接头的冷裂纹

钛及钛合金对热裂纹不敏感，这主要是因为钛及钛合金含硫、磷杂质少，晶界很少生成低熔点共晶。另一个原因是钛及钛合金凝固时收缩量小。钛合金焊接接头的裂纹主要是出现在热影响区的延迟裂纹，这与氢有关。焊接时由于熔池和低温区母材中的氢向热影响区扩散，引起热影响区氢含量增加，如果这个部位处于不利的应力状态，就会引起裂纹。另外，当焊缝含氧、氮量较高时，焊缝或热影响区塑性降低，性能变脆，在较大的焊接应力作用下也会出现裂纹，这种裂纹在较低温度下形成，属于延迟裂纹。

1.3 气孔

气孔是钛合金焊接时最常见的焊接缺陷。气孔不仅是造成应力集中的因素，而且气孔边缘的金属含氢量高、塑性低，导致焊接结构发生断裂。焊接气孔主要是由于焊接区，特别是对接端面被水分、油脂等沾污引起的。

1.4 焊接变形

钛的纵向弹性模量比不锈钢小一半，在同样的焊接应力作用下，钛及钛合金的焊接变形量比不锈钢约大一倍。

由于钛和钛合金具有前述特点，其焊接工艺是有特殊要求的，所以我们在做相关工艺评定和产品中试运用中采取了一系列的措施来防止焊接缺陷的产生。

2 焊接工艺工艺评定过程

2.1 焊接设备及材料

焊接设备选用TSP-300型钨极氩弧焊机。母材为TA2管，管直径为φ70mm，δ=12mm，其化学成分及常温力学性能见表1。

试件开V形坡口，α=600，b=3mm，见图1。

焊材选用φ2.0mm、φ3.0mm的ERTi-2焊丝焊丝进行1h，700-850℃的真空退火处理，保护气体氩气纯度为99.99%符合使用要求。

2.2 焊前准备

2.2.1 焊丝清理

用乙醇擦拭焊丝表面，去除焊丝表面的水分、油污、灰尘及氧化物等污物。然后把焊丝置于150-200℃的烘箱内保温。取焊丝时，必须戴清洁的白手套。

2.2.2 焊件清理

用乙醇擦拭焊件坡口及其两侧各50mm内的部分，去除其表面的水份、手印痕迹、油污、灰尘及氧化物等污物。

2.3 焊接工艺及参数

焊缝背面气体保护：焊接试管内通氩气保护，流量为9-11L/min。

尾气保护：焊接尾气保护为氩气保护，流量为7-8L/min。

焊接工艺参数见表2。

2.4 焊接注意事项

2.4.1严禁在工件表面引弧，焊接时采用短弧焊效果好，焊枪基本不作横向摆动，当需要摆动时，频率低摆动幅度也不宜太大，以防止影响氩气的保护。

2.4.2 焊接时严格控制线能量，采用较小的焊接线能量，同时使用尾气保护，使焊缝、热影响区在350-400℃的温度下，其表面呈银白色。

2.4.3 焊接过程中，工件严禁振动。工件在焊接过程中需翻转时，必须等待焊缝金属冷却至200℃以下时，再轻轻翻转。

2.4.4工件焊接时，一旦发现焊后颜色不是银白色或金黄色，应及时磨去重新焊接。如出现气孔、裂纹也应磨去重焊，但亦要严格控制返修及补焊的次数，焊缝同一部位的焊补次数不宜超过2次。

2.4.5焊丝热端在焊接过程中不能脱离保护区，否则须将氧化部分切去才能继续使用。焊接过程中，发生异常中断时，应重新清理焊口后再继续施焊。焊接结束时要滞后停气，直至焊接区温度降至材质稳定的范围，一般温度在200℃以下。

2.4.6 焊后焊件进行580℃真空除应力。

3 结果分析

3.1 外观质量检验

外观检查符合GB/T13149-91，焊接接头不得有咬边、气孔、裂纹等缺陷。

3.2 无损探伤检验

试件按JB4730-2005标准进行X射线探伤， X射线探伤结果为Ⅰ级合格。

3.3 焊接接头力学性能测定

按国标GB228，GB232规定，对焊接接头进行拉伸、弯曲试验，试验结果见表3。

焊接接头力学性能试验结果为合格。

3.4 结果分析

以上试验结果表明焊接工艺评定各项性能指标合格。

4 产品中试运用

Z3AA26T/G纯钛阀门的阀体与法兰焊接，材料为TA2。宜采用手工钨极氩弧焊，选用焊丝ERTI-2直径φ2.0mm和φ3.0mm。采用焊接工艺评定时的焊接工艺要求进行焊接，焊缝外观成形好，符合图纸设计要求，X射线探伤一次合格率为100%。

5 结论

通过以上的焊接工艺评定和在产品中试应用，更好的证明了此焊接工艺方法是可行的。同时我们对TA2材料的焊接也积累了一定的经验，丰富了我公司的焊接工艺，拓展了公司的焊接技术水平。

参考文献：

[1]（德）C莱茵斯 M皮特尔斯编，《钛与钛合金》.化学工业出版社，2006

[2]吴祖乾编.《焊接材料选用手册》上海科技文献出版社，2005

[3]顾纪清，阳代军等编，《管道焊接技术》化学工业出版社，2005

[4]周振丰.焊接冶金学（金属焊接性）.北京：机械工业出版社，1996