浅谈钛TA2焊接技术和质量管理

摘要：通过钛TA2管道的焊接实例，阐述了钛 TA2材料的特点及焊接性，介绍了钛 TA2的焊接方法、焊接材料的选用、坡口型式、焊接工艺参数、操作技术、质量控制措施及焊接过程中的注意事项。

关键词 : 钛 TA 2; 焊接工艺 ; 质量控制

Abstract: Through TA2 titanium pipe welding example, this paper elaborated the TA2 titanium material welding characteristics and sex, introduced titanium TA2welding method, material selection, groove type, welding parameters, operation technology, quality control measures and points for attention in the welding process.

Key words: titanium TA 2; welding process; quality control

中图分类号：P755.1文献标识码： A 文章编号：

汉邦（江阴）石化有限公司60万吨/年PTA装置以对二甲苯为原料，液相氧化生成粗对苯二甲酸，再经加氢精制，结晶，分离，干燥，得到精。本装置主要工作介质有纯净水、醋酸、蒸汽、PX和对苯二甲酸物料等。由于生产条件苛刻，工艺复杂，工作介质有强腐蚀性，所以主要工艺介质管道材质采用了钛TA2，壁厚为2~24mm。因为钛特殊的焊接性，给施工带来了较大的难度。钛管主要分布在PTA主装置氧化单元（B区）及过滤机和干燥单元（D区），共计510米，输送介质有气体、液体和浆料，寸口数846″，最大焊口为φ42″，最大设计压力3.24Mpa，最高设计温度318℃。

我项目部为确保焊接质量 、进行了系统的焊接工艺评定。制定了合理的焊接技术方案。在焊接过程中进行了有效的预防和控制，顺利完成该项目钛管施工任务。

1 、钛TA2的物理性能及化学成分

钛密度4.5g/cm3，熔点1668℃，在20℃其线胀系数8.4*10-6/℃，热导率16W/(m*k)，钛及钛合金具有良好的耐腐蚀性能，在氧化性、中性及有氯离子的介质中，其耐蚀性均优于不锈钢。纯钛是一种银白色金属，882℃以上为体心立方结构，称β钛，低于此温度为密排六方结构，称α钛。随钛中合金元素及杂质含量的不同，同素异形转变温度也不相同。

钛与氧的亲和力很大，甚至室温下都能形成一层致密的氧化膜。由于此膜的存在，钛具有良好的耐腐蚀性，钛中溶解的氧和氮能明显地起到强化作用，但塑性显著降低。氢会使钛及钛合金脆化。

工业纯钛由于塑性韧性好、耐蚀性、焊接性好和易于成形等优点，在化工领域得到广泛应用。TA2是银白色稀有金属 ,比重小 ,强度高 ,耐腐蚀。对人体无害。有漂亮的金属质感。钛TA2属于工业纯钛，是ɑ钛的代表。钛导热性差，焊接易过热导致晶粒粗大，降低接头性能，应控制焊接线能量。钛的电阻系数大，和碳钢、不锈钢、合金钢等的焊接相比，钛的焊接熔池积累的热量多、尺寸大、高温停留时间长、冷却速度慢。所以钛的焊接工艺十分复杂，所有焊接接口需100%无损检测。
钛 TA2 的化学成分和力学性能见表 1。

2、 钛 T A 2 的焊接性

2.1气体和其他杂质对焊接性能的影响

由于钛 TA2是一种活性极强的金属，钛在焊接过程中极易吸收氧、氢、氮等。常温下在空气中很容易与氧反应，生成致密的氧化膜并保持高的稳定性。540oC以上生成的氧化膜则不致密。钛在300℃以上快速吸氢，600℃以上快速吸氧，700℃以上快速吸氮。这些气体被吸收后，将会直接引起焊接接头脆化。氢会使冲击性能显著降低，氧会使塑性显著降低，氢氧是影响焊接质量极为重要的因素。所以钛在焊接过程及焊后冷却过程中得不到有效保护，必然引起塑性下降，脆性增加。碳也是钛金属中常见的杂质。碳以间隙形式固溶于 ɑ钛中，使焊缝强度提高，塑性下降。当碳含量超过0.13%时，焊缝将出现网状且硬而脆的TiC。其数量随碳含量增高而增多，使焊缝塑性急剧下降，在焊接应力作用下易出现裂纹。焊接时，焊件及焊丝上的油污、杂质等均能使焊缝增碳。因此焊前必须注意清理，在焊接过程中也应严格保护。

措施：采用GTAW焊接方法，管道内部充氩保护，外部采用焊接拖罩对高温部位进行保护，焊接前清洁坡口和焊丝，焊接时提前充氩保护，焊接后继续充氩保护,直至焊缝冷却至400℃以下切断。

2.2预防焊接接头裂纹事项

由于钛及钛合金杂质含量少，故不易产生热裂纹，这是因为钛及钛合金中 S、P、C等杂质含量很少。由 S、P形成的低熔点共晶很难出现在晶界上，有效结晶温度区间小。凝固时收缩量小，焊缝金属很少会产生热裂纹。但如果母材、焊丝质量不合格或清理不干净时，则可能出现杂质污染引起焊接热裂纹焊接；保护不良会出现热应力裂纹和冷裂纹；热影响区可能出现延迟裂纹，焊接时由于熔池和低温区母材中的氢向热影响区扩散，产生TiC，在不利的应力条件下会引起裂纹。

措施：检查母材坡口附近和焊丝有无裂纹和夹层，如有清除后再进行焊接作业；加强焊接保护，防止有害杂质污染，焊前预热，焊后缓冷可以减少甚至消除热应力裂纹和冷裂纹。正常氢含量的钛及其合金焊接时一般不会产生TiC。注意焊接材料和母材的焊前清理。具体措施为：1）保护气采用纯度为99.999%的氩气。2）焊丝不允许有裂纹、夹层。

3）焊件表面，特别是对接端面进行酸洗。酸洗液采用HF3%+HNO335%水溶液，酸洗后用净水冲洗，烘干。酸洗时间到焊接作业时间不超过2小时，期间不得受到污染。

4）对接坡口预留间隙0.2--0.5mm可明显减少气孔。

3、 钛 TA2管的焊接

3.1 焊接方法

钛在高温下极易氧化，因此焊接必须在真空或惰性气体保护下进行。由于现场无法保证实现真空效果，现场采用了采用GTAW（氩弧焊）焊接方法，即管道内部充氩保护，外部采用焊接拖罩对高温部位进行保护，焊接前清洁坡口和焊丝。

3.2 焊接材料选用

现场选择了与母材成分相同的焊丝 TA2焊丝为ERTi-2。焊丝以真空退火状态供应。为了保证焊接时的保护效果，氩气纯度不得低于 99.99%（即高纯氩），杂质总的质量分数

3 .3 焊接设备

正确选择焊接设备是保证焊接质量的重要方面。经过对比，我项目选择了具有电流衰减、高频引弧功能的直流氩弧焊机。焊接时采用直流正接法。

3.4 焊接坡口

坡口型式和尺寸要满足易于保证焊接接头的质量、填充金属量少、便于操作等原则。现场采用了 V型坡口，坡口型式和尺寸见图 1。钛管道的焊接组对时：当壁厚相同时应做到内壁平齐，对口错边量不应超过壁厚10%，且不大于1mm；不同壁厚的焊口组对时应按下图所示加工坡口。

3.5 焊前清理

焊接缺陷的产生与焊件、焊丝表面清洁度有很大关系，焊接中水分、油脂、油污、氧化物及其他杂质会严重影响焊接接头的质量。因此，焊丝、焊接坡口及其附近区域必须清理干净，洁净程度要比不锈钢、铝的焊前清理严格。要求坡口及其两侧各25mm以内的内外表面进行清理，清理程序如下：磨光机打磨—砂纸轮抛光—丙酮（或无水乙醇）清洗。清洗后不能直接进行焊接作业，待坡口端面晾干后方可以作业。如不能及时焊接，应用自粘胶带及塑料布对坡口予以保护。焊丝也用沾丙酮（或无水乙醇）的海绵擦拭干净。

3.6 钨极氩弧焊的操作

采用焊炬喷嘴保护熔池，焊炬拖罩保护热态焊缝及近缝区的外表面，管内充氩保护焊缝及近缝区的内表面，见图二具体措施：直径较大的管子焊接时，管内工作人员戴上防毒面具，手持保护罩对焊接熔池背面进行保护；直径较小的管子或固定口焊接时，在管子内表面距离坡口150—300mm（根据可操作性取较大值）处采用可溶纸密封，再塞入一团可溶纸防止管内气压过大将密封可溶纸破坏，然后充入氩气将管内空气排净。焊接前必须充分预充氩气，并保持微弱正压和流动状态。确认管内空气被清除干净后方可焊接。焊后应延时充氩，以使高温区充分冷却，防止表面氧化。焊接过程中填充焊丝应始终保持在氩气的保护之下。熄弧后焊丝不得立即暴露在大气中，应在焊缝脱离保护时取出。焊丝如被污染、氧化变色时，污染部分应予以切除。

焊接保护气体系统喷嘴的结构和尺寸对焊接质量有较大的影响。如果结构不合理，就会出现涡流或刚度不大的层流而带人空气，焊接时使焊缝吸氢氧等杂质而使焊缝质量变差。并且钛的活性强，因此喷嘴直径要大些。施工时采用了D16~18mm的喷嘴。操作时喷嘴到焊件的距离要小些。

焊接时,焊枪基本不作横向摆动，当需要摆动时。频率要低，摆动幅度也不宜太大。断弧及焊缝收尾时。要继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区。

金属冷却到 350°C以下时方可移开焊枪。操作过程中要注意选择保护气体流量。气体流量的选择以达到良好的保护效果为准，过大的流量不易形成稳定的层流。并增大焊缝的冷却速度,引起微裂纹拖罩中的氩气流量不足时，焊缝呈现出不同的氧化色泽；而流量过大时，将对主喷嘴的气流产生干扰作用。焊缝背面的氩气流量也不能太大，否则会影响到正面第一层焊缝的气体保护效果。并可能形成内凹。一般情况下，焊具喷嘴流量在 1 3 ~ 1 6 L / m i n 范围内；管内流量在 8 ~ 1 6 L / mi n 范围内。并应充满整个管内腔室；保护拖罩流量在l5 ~ 30 L/m in 范围内。
焊缝的氩气保护效果可通过焊缝颜色判断。

3.7 焊接工艺参数

焊接时应在合格的工艺参数范围内选用小线能量焊接，正确选择焊接工艺参数是保证焊接质量的关键。焊接钛 TA2 采用小电流、高焊速的焊接规范，层间温度不得大于 200°C，防止高温时间过长晶粒长大。焊接工艺参数见表 3。

钨极氩弧焊时推荐采用铈钨电极，电极直径根据使用的焊接电流大小选择，电极端部应有圆锥型，其端部尺寸和形状参考下面修整：

3.8焊后处理

焊后用丝粗为0.30mm的不锈钢钢丝刷.将焊缝处刷至银白金属色。然后用于净的白绸布蘸少许丙酮将焊接区域擦净，经处理的焊区严禁用手触摸和接触铁制物品。

4 、质量控制

4.1 焊接工艺评定和焊接工艺指导书

根据产品的规格。进行了D55mm×3mm钛管的水平固定和垂直固定两种位置的焊接工艺评定。根据焊接工艺评定报告编制了适用于现场焊接的工艺指导书，在焊前技术交底时发放了工艺指导书，且在焊材库、焊机房、焊工休息室等处张贴。

4.2 焊工培训和考试

鉴于钛焊接技术含量高，操作难度大。挑选了5名有经验的优秀焊工进行培训考试。培训内容包括理论知识和操作技能两部分。使焊工在正式焊接之前熟悉该材料的焊接特性、操作要求及注意事项，掌握钨极氩弧焊各位置的焊接操作技能。合格后取得了质量技术监督部门颁发的有效焊接资格证书和合格证书。

4.3 焊接过程质量控制

在施工过程中要认真按施工方案施工，工艺交接要及时，加强施工过程中的质量管理，严格执行工艺制度。在施工中做好施工记录，严格执行“三检制”。对违反工艺规定的操作者有权进行制止。严格控制质量最大可能提高一次焊接合格率。

4.4施焊环境的管理与监控

由于钛的污染主要来自与其他物质的接触所以在我们将钛预制设置在业主已建成可以投用的仓库，同时尽量减少污染我们还在仓库里设立小型的钛合金焊接场地。即采用脚手架管搭设钛管焊接区，采用PVC地板将脚手架管包裹，地面也用使用PVC地板革进行铺设。用于钛加工的工具要专用，在使用过程中尽量减少与钛表面的摩擦。

在焊接小屋外我们设置施焊人员更换工作服的清洁区，杜绝带有油污的工作服入场而影响焊接质量；焊接手套选用白细纱布手套，严禁佩戴棉线及其他面料的手套施工中经常换洗，保持清洁。

施焊场地采用直流风机输入过滤空气保证施焊工作间处于微正压，以免影响保护气体的保护效果。施焊场地要设立温度计、湿度计对环境的温度、湿度进行控制。

总之焊接钛 TA2管道时，管件及焊丝表面的清理度及气体保护问题是影响焊接质量的重要因素；而焊接工艺评定、严格焊工培训考试及严格的过程质量控制管理是焊接质量优良的保证。我们只有严格按照钛管焊接的技术质量要求进行施工，才能最大可能的提高焊接一次合格率。

参考文献：

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。