钛管连续焊接保护盒应用氩弧焊工艺效果分析

 钛管连续焊接保护盒应用氩弧焊工艺效果分析

王华明

中盐安徽红四方股份有限公司 单位省市：安徽省合肥市 单位邮编：231602

摘要：通过钛管子管板焊接性分析、焊接保护、焊接规范参数合理的分析，通过Mock-up模拟试验，制定合理的自动钨极氩弧焊接工艺参数及焊接坡口形式，管子管板焊接试样经无损检测、宏观试验、微观试验、硬度检验证明其焊接质量合格，并在产品上应用推广。

关键词：钛；焊接性分析；Mock-up试验；自动钨极氩弧焊

1引言

钛及钛合金作为一种新型的结构材料，具有密度小，强度高，高低温冲击韧性及抗腐蚀性强，目前广泛用于航空、航天、化工等工业部门。但是，钛是化学性质非常活泼的元素，常温下能与氧反应生成致密的氧化膜，高温下易受到空气、水分、油脂、氧化皮等污染，吸收氧、氮、氢气体，使焊接接头的塑性及韧性明显下降而产生脆化。同时，因体积膨胀而引起较大应力， 以致产生冷裂纹。焊缝熔池在冷却过程中，缺乏有效连续保护，氢来不及排出，易形成气孔，焊缝成形后表面呈蓝色或灰色，达不到焊接质量要求。本发明的目的是户外钛管材焊接的连续保护系统。当在户外现场焊接钛管材时，利用保护盒内氩气均匀不断地送出，保护盒随钨极氩弧焊枪同步移动，使整个焊接部位始终处于氩气保护状态之中，熔池受到有效地保护，焊缝成型后呈银白色或金黄色，满足焊接质量要求。氩气保护盒在焊接过程中，始终保护焊缝熔池，隔绝空气，保证了焊缝成型后的质量，氩气保护盒体积小，可操作性强，户外现场焊接方便，保护有效。

2钛的焊接

2.1钛的焊接性

钛是一种化学性质非常活泼的金属，在较高温度下与许多元素和化合物发生反应，特别是与空气中的氢、氧、氮发生反应，导致焊缝金属脆化，焊缝性能下降。钛焊接时对气孔有一定的敏感性，当焊缝金属中的氢原子达到一定浓度时，极易形成氢气孔。钛应避免铁离子污染，铁离子与钛会形成硬脆的TiFe相，降低钛的耐腐蚀性，并且TiFe相还会加快钛的吸氢速度。由于钛材中的碳、硫、磷等杂质元素较低，很少有低于熔点共晶体在晶界处产生，同时钛的结晶温度区间窄，钛液态金属凝固时收缩量小，因此钛的热裂纹敏感性低[3]。

2.2钛焊接的保护

钛焊接时应采用高纯度氩气保护，焊枪尾部应加氩气托罩保护，背面充氩保护，以防止钛在高温时吸氢、氧、氮。钛焊接前应对焊接区域采用丙酮清洗，防止焊接过程中产生气孔。钛的焊接场地应为洁净区域，不应与碳钢、低合金钢等材料接触，避免铁离子污染，焊接前应对钛表面蓝点检测，确定钛表面是否被污染。

3焊接规范参数的确定

3.1峰值电流与基值电流

峰值电流作为焊接电流，对管子管板根部焊透及焊缝熔合起到关键作用，基值电流作为维弧电流，保证电弧稳定燃烧。钛管子管板打底焊时，峰值电流不宜过大，也不宜过小，峰值电流过小，无法保证根部焊透，且影响电弧稳定性，峰值电流过大，钛熔化的液态金属过多，由于钛的液态金属流动性好，管子管板下坡焊时，液态金属受重力作用快速流到电弧前端，阻碍电弧对坡口根部熔化，致使根部未焊透。基值电流过小，电弧无法稳定燃烧，基值电流过大时脉冲现象不明显，并且会导致基值时也进行焊接。钛管子管板对于填充及盖面焊道焊接时，峰值电流及基值电流可适当增大，但是太大的电流会造成钛焊缝及热影响区氧化变色[4-5]。

3.2峰值时间和基值时间

峰值时间和基值时间表示峰值电流和基值电流持续时间。峰值时间对熔池组织结晶有一定影响，较短的峰值时间对熔池有一定的搅拌作用，并有利于气孔逸出熔池，较长的峰值时间，会使焊接热输入量增加。基值时间与脉冲特点有很大关系，若基值时间过长，脉冲特点不明显，基值时间过短，在脉冲电流停歇期间，焊丝熔化量不足，熔滴过渡不稳定。

3.3预熔电流及预熔时间

预熔电流和预熔时间是对焊丝端部及母材进行预热，为峰值电流焊接熔滴过渡进行准备。预熔电流和预熔时间通常根据管子壁厚确定，管子壁厚较薄，预熔电流小，预熔时间短；管子壁厚较厚，预熔电流适当增加，预熔时间则略微延长。

3.4焊枪角度

钛管子管板焊枪角度应靠管子侧10°~15°为宜，如若焊枪角度过大，焊接电弧热量过多作用于管子侧，管子壁厚薄，散热慢，容易引起管壁烧穿，角度过小时，钨极难以对准坡口根部位置。

3.5钨极伸出长度

钨极伸出长度3~6mm为宜，钨极伸出长度过短，钨极无法靠近坡口根部，钨极到坡口根部最好保证1.5~2mm的距离，钨极伸出长度过长，喷嘴保护气体对钨极及焊接熔池保护作用下降。4.6提前吹气和滞后断气时间钛管子管板焊接提前吹气和滞后断气时间相比其他材料焊接时要更长，提前吹气时间长，能保证焊接区域的有害气体更少，更长的滞后断气时间可保证保护气对焊缝有更长的冷却时间，可有效地避免焊缝吸氢、氧、氮。

3.6送丝行程与焊接行程

焊接行程须大于送丝行程，但送丝行程不应小于360°，即管子一周圈，通常送丝行程360°~365°为佳，焊接行程控制在365°~370°为佳。4.8送丝速度送丝速度应与焊接电流适当匹配，过低的送丝速度导致焊缝填充金属量减少，过大的送丝速度有可能导致焊接未熔合，甚至焊丝直接顶进熔池中，导致粘丝，无法正常施焊。

4管子管板Mock-up模拟试验

国外化工巨头及工程公司要求换热器管子管板焊接之前进行Mock-up试验，即模拟产品管子管板焊接试验，试验合格后，按照合格的Mock-up工艺进行焊接，并且只有通过Mock-up试验的焊工才能进行产品焊接，因此本次项目的钛管子管板自动钨极氩弧进行了Mock-up试验。

4.1焊前准备

焊接前对管板及管子进行丙酮清洗去除油污，并进行蓝点检测，保证管板、管子未受铁离子污染。钛管子管板焊接背面需要充氩气保护，氩气纯度应达到99.999%，Mock-up试验管板背面增加氩气气体保护罩，如图1所示。

图1背面气体保护罩

4.2钛管子管板打底焊

钛管子管板打底焊采用自动钨极氩弧自熔（不加丝）焊接，由于钛具有良好的焊接性，自熔焊接也能保证不产生裂纹，并且自熔焊接更能保证根部焊透，自熔打底焊焊后如图2所示。

图2自熔打底焊

4.3钛管子管板填充盖面焊接

钛管子管板填充、盖面焊接均采用自动钨极氩弧加丝焊接，焊接材料ERTi-3/φ0.9mm，盖面焊后焊缝成型状态及表面颜色如图3所示。

图3盖面焊缝

4.4焊接参数

管子管板焊接参数如表1所示。

表1焊接参数

5结论

对钛管子管板自动钨极氩弧焊进行Mock-up试验，通过无损检测、理化试验验证该焊接工艺的可靠性，焊接过程中对钛管子管板充分保护并对现场焊接有效管理，保证了其焊接质量，对钛管子管板自动钨极氩弧焊有效的推广，提高了产品的生产效率。

参考文献

[1]王天先，徐红，雷万庆，高压换热器管子-管板自动脉冲钨极氩弧焊[J]，石油化工设备，2007，36（4）：66-69.

[2]王天先.高压换热器管子管板自动脉冲钨极氩弧焊[J]，电焊机，2007，37（8）：64-68.

[3]刘剑武.氩弧焊工艺参数对牌号6082 T6铝合金力学性能的影响[J].福建冶金,2023,52(03):57-59+18.DOI:10.19574/j.cnki.issn1672-7665.2023.03.005.