烟囱钢内筒钛金属焊接工艺的质量控制

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1、烟囱钢内筒钛金属焊接工艺的质量控制烟囱钢内筒钛金属焊接工艺的质量控制摘摘 要要 文章概述了钛的基本性能，介绍了钛的焊接工艺，着重就钛的焊接问题进行了探讨，特别对钛焊接缺陷的产生进行了分析，并结合实践提出了相应的防范措施。关关键词键词 钛；焊接工艺；焊接缺陷的处理与修复；钛材焊接的问题；防范措施一一 引言引言钛作为一种新型的防腐材料，随着国民经济的发展，用钛材制造的各种压力容器、加热器、反应釜和特殊设备已广泛应用在各行各业。由于钛所具有的特殊性质，所以它的焊接技术远不及钢材焊接普及。操作保护措施、工艺规范和操作要求要比钢焊接复杂严格。二二 金属钛的基本性能金属钛的基本性能钛是银白色稀有金属，密度

2、小，比重轻，强度高，耐腐蚀，对人体无害，有漂亮的金属质感。工业纯钛熔点为 1668（4），有两种同素异晶体。在 882.5以下呈密集六方稳定态晶体为 钛；稳定态体心立方晶体为 钛。工业纯钛可分为 TA1、牌号，焊接性能良好。工业纯钛容易加工成型，但加工后会产生冷作硬化现象。三三 现场状况现场状况烟囱为套筒式烟囱，内筒为钛/钢复合板，钢内筒直径为 9.2m，本工程钛焊缝约7600m，焊接工作量较大，钛贴条与钛-钢复合板现场接头形式为搭接，现场主要为横焊和立焊，若焊缝质量控制不好，钢内筒将失去其抗烟气腐蚀的作用。本工程中的钛贴条与钛复层之间接头形式为搭接，钛焊缝主要是角焊缝，因此，钛板焊接时，背部

3、不需要充氩气保护，同时，由于钛贴条厚度仅为 1.6mm ，焊接过程中不需要太大焊接线能量，焊接热输入量少，再加上板较薄，散热相对较快，因此焊接过后，焊缝温度相对较低，现场制定了不加拖罩来保护焊接完毕的焊缝，这大大降低了现场焊接工艺的复杂性。四四 焊前准备焊前准备1.1.焊前清理焊前清理提醒操作者特别注意 TA2/Q235B 钛/钢复合板，TA2 钛复层的焊前清理是一项非常重要的工作，由于其清理的不细致引起的污染钛材、钛焊丝被使用，其危害是致命的。1.1 TA2 钛贴条和钛焊丝，必须进行焊前清洗。 。1.2 酸洗后的 TA2 钛贴条和钛焊丝必须用清水冲干净，然后烘干或风干即可使用。若暂时不用的应

4、妥善保管，以免造成新的污染。1.3 施焊前，基层钢及钛复层的坡口区应该清洗，没有污染。如加工的坡口被污染，必须进行清洗或用机械方法（可使用角向砂轮机，选用不锈钢丝轮、铜丝轮或用刮刀） ，加以清理干净，对于钛材再用洁净白布蘸丙酮擦洗。对于基层钢 Q235B，当采用手工焊时，其清洁范围离焊边至少 20mm，钛复层清洁范围离焊边至少 50mm。1.4 对于 TA2/Q235B 复合板焊件装配，当厚度相同时应以钛复层表面为基准。厚度不同时也应以钛复层表面为基准，若设计图纸或技术条件中有特别要求时，则应满足设计要求。2.2. 钛钛/ /钢复合板焊接方法及准备钢复合板焊接方法及准备2.1 钛复合板的焊接，

5、优先采用非溶化极（TIG）氩弧焊的方法，选用相应的手工氩弧焊接设备。2.3 选用焊机的引弧稳弧性能要好，焊接过程中参数稳定规范，调节方便，保护气体供应系统安全可靠。2.4 氩弧焊接时，应保证氩气的保护效果，氩气带子应采用不易吸潮材料的塑料管。每次开机前对输气管进行检查，开机后，检查氩气的出气情况，若发现其中输气不正常时，要及时处理更换。若氩气供应系统不正常，要由专业人员及时检修，待检修完成后，再次检查，直到输气系统一切正常后，才可进行下一步工作。敬请操作者注意，焊接氩气保护是非常重要的环节，TA2 钛材焊接的保护情况直接影响到钛材焊缝质量，由于氩气保护不到位所产生的任何缺陷都是致命的。五五 焊

6、接工艺焊接工艺1.选用 TA2 焊丝2.钛板的焊接原则上应保证足够的熔透深度，但又不能熔到钢面，保证保护良好，避免产生缺陷，并且尽量采用较小的焊接线能量，尽量减少焊件的过热。我们经过长期试验，推荐焊接工艺参数如下：手工钨极氩弧焊工艺参数钛板厚mm钨极直径 mm焊丝直径 mm焊接电流 A喷嘴直径 mm氩气流量 L/min1.22270801610145. 将会熔入永久焊缝的定位焊缝应清除其表面的氧化层等，焊缝颜色为银白色和金黄色为正常，并使焊缝两端平滑过渡以便于接弧，否则要加以修整。6. 焊缝缺陷的清除或修整，采用砂轮（机械）修整的方法进行处理。修磨后时，特别注意，要不伤及其它无缺陷或不需修理的

7、部位，造成加大焊缝区域的倾向。7 .焊接环境出现下列任一情况时，应采取有效保护措施，否则应立即停止焊接工作。7.1 焊接环境不清洁，有灰尘、烟雾等。7.2 焊接环境风速大于或等于 1.5m/s。8.焊接过程中特别防止铁离子污染焊缝区。若出现熔深过大，可能产生焊缝融化金属与钢的互熔时，应立即停止焊接，查明原因。8.1 若需调整工艺参数时，其调整幅度不得超过原焊接工艺参数的 10%，并经试焊接后，才能进行正常焊接。并在焊接记录中注明。8.2 如果出现工艺参数调整超过原工艺参数的 10%时，经试焊接仍不能满足焊接要求时。则应认真核对，外界条件是否变化及焊材的情况，焊接设备的情况，保护氩气的情况等。待

8、问题解决后再进行焊接工作。并在焊接记录中注明。9. 钨极氩弧焊接中如出现钨极碰到焊接金属即触钨的情况，应立即停止焊接作业，去除污染源，更换钨极后再进行焊接作业。10. 焊接作业时，焊缝应尽可能的长，当中间出现停焊，重新进行焊接时，焊缝应重叠10mm 左右。11. 焊接时不得随意引弧，焊缝成型应光滑、均匀，不得有气孔、凹坑、氧化等缺陷，焊接完成后应进行自检，发现问题及时补修处理。12. 焊接操作工必须穿戴清洁工作服、工作鞋及白手套才能进行钛复层的焊接作业，防护面罩必须用头戴式，且不得有漏光现象。13. 焊接过程中如定位焊点出现开裂，造成板边错位或间隙变化应立即停止焊接，经修复后再继续进行施焊。六

9、六 焊接缺陷的处理与修复：焊接缺陷的处理与修复：1. 对于焊缝缺陷进行修复时，应首先对缺陷进行砂轮修磨清理，再用白布醮丙酮进行擦洗清理，清理完成后再进行返修补焊，返修部位、返修过程应记入质量档案。2. 原则上同一部位的返修补焊不得超出两次，若两次修复后仍旧出现不合格情况时，则应用砂轮将以缺陷部位为中心周围向外延伸 10mm 左右的钛层去处，去处后的部位、钛板条用丙酮进行清洗，待晾干后进行补块焊接，并将其记入质量档案。七七 焊接质量的检验：焊接质量的检验：1.焊缝外观质量检测1.1 可用肉眼或 5 倍放大镜对焊缝外形尺寸表面质量进行检查，外观检查率为 100%。1.2 焊缝外形尺寸应符合设计要求

10、。1.3 焊缝成型应均匀、致密、光滑的向母材过度，不得有裂纹、气孔、夹钨、未熔合以及超过规定的咬边、弧坑等缺陷，钛焊缝表面不允许存在明显的划伤等缺陷。经清除缺陷后的焊缝表面不得低于母材表面补焊处理。2. 在外观检查合格的条件下，钛复层焊缝进行 100%的着色渗透检测。八八 钛钛材材焊焊接注意的接注意的问题问题由于钛材的熔点高，热容大，导热性差，具有高的化学活性，使钛材的焊接有以下主要问题。1.杂质元素对焊缝金属和高温热影响区的影响焊缝金属和高温热影响区易被氧、氢、氮、碳等元素污染，使接头的性能变坏。钛在元素周期表中属于过渡族元素具有很高的化学活性。常温下光洁的钛表面就能与空气中的氧起作用，生成

11、一层致密的氧化膜，在 250温度时开始吸氢，400开始吸氧，600开始吸氮，并能和氢、氧起激烈反应。随着温度升高其化学活性急剧增加。焊接时若不采取保护措施或保护不良，空气进入焊接区域，或者由于焊丝焊件清理不干净有油污，形成有机物、氧化膜等物质，这些物质在电弧热的作用下分解成氧、氢、氮、碳等，这样这些元素就会与被加热了的钛起作用。氧、氢、氮、碳是钛的间隙元素，能溶解于钛，形成间隙固溶体，当元素含量超过其在钛中的溶解度时，又会与钛形成各种化合物（TiO、TIH2、TiN、TiC 等） 。当形成间隙固溶体时，由于这些元素进入钛晶格中，会使钛的晶格歪曲、畸变，从而改变钛的机械性能。当形成化合物时，由于

12、这些化合物均属硬脆性质，会强烈的改变钛的机械性能。氧、氮、碳使钛的强度和硬度升高，塑性下降。而以氮的影响最大，氧次之，碳最小。氢在含量小于 0.05%，对钛的强度和塑性影响不明显，但钛的冲击韧性明显的下降。然而，实践证明工业纯钛焊接时，焊缝被元素污染的程度是决定焊缝质量好坏的最主要的因素。2.钛焊缝和高温热影响的组织状态发生变化,使接头性能变坏钛有两种晶体结构,在 882以上到熔点为体心立方结构,叫 钛,此温度以下为密排六方结构叫 钛,在 882发生固态相变.处在高温下的 钛有晶粒发生急剧长大的倾向.由于钛又具有熔点高、热容量大（20时）和导热性差等特性，因此，焊接时高温热影响区较宽，高温停留

13、时间较长，这样，使焊缝和高温热影响区的 钛有晶粒长大明显。另外，焊接冷却时，焊缝和高温热影响区金属由 相向 相转变，由于正常焊接冷却属快速冷却，所以 相冷却转变成 相是针状的组织（针状 ） 。对于工业纯钛，焊缝金属和高温热影响区的晶粒长大是焊接接头塑性下降的重要因素。裂纹也是钛材焊接中可能产生的工艺缺陷。钛焊缝裂纹属于冷裂纹，产生的原因主要是氢的作用造成的。氢在钛的 相和 相中溶解度不同，前者大后者小。若熔池金属中有较高的氢，在熔池金属结晶时，氢可以溶解在 相，形成间隙固溶体。随着焊缝金属的继续冷却， 相转变成 相，由于氢在 相中的溶解度下降，可能产生氢在 相中过饱和，特别是当温度冷却到 32

14、0-125时，氢在 相中的溶解度急剧下降，当温度在125以下，氢在 相中的溶解度只有 0.0010-0.0029%。这个值远低于钛材标准中规定的杂质氢含量。此时含有过饱和氢的 相将发生共析反应而析出 TiH2,由于 TiH2 具有低的断裂强度，使焊缝的韧性下降，另方面伴随共析反应,产生体积膨胀而引起很大的晶间反应。所以，具有较低断裂强度的焊缝在大的晶间应力作用下可能产生晶间微裂纹，并扩展成裂缝。特别是当焊缝中含有较高的氧、氮、碳等杂质而降低了焊缝的塑性时，晶间裂纹扩展成宏观裂纹的可能性就更大。所以氢是使钛焊缝产生裂纹的根源，氧、氮、碳是促进裂纹形成的因素。九、钛及钛合金焊接缺陷的防范措施九、钛

15、及钛合金焊接缺陷的防范措施1做好焊前准备。焊件和焊丝表面质量对焊接接头的力学性能有很大影响，因此必须严格清理。铁板及钛焊丝可采用机械清理及化学清理两种方法。1.1 机械清理：对焊接质量要求不高或酸洗有困难的焊件，可用打磨机、细砂纸、硬质合金刮刀或不锈钢丝刷擦拭，但最好是用硬质合金刮刀刮削钛板，去除氧化膜。1.2 化学清理：焊前可先对试件及焊丝进行酸洗，酸洗液可用 HF5%+HNO335%的水熔液。酸洗后用净水冲洗，烘干后立即施焊。或者用丙酮、乙醇、四氯化碳、甲醇等擦拭钛板坡口及其两侧（各 50mm 内）、焊丝表面、工夹具与钛板接触的部分。清洗待焊件表面并在 2 小时内焊接。2.正确选择焊接材料

16、。氩气纯度应不低于 99.99%，露点在-40以下，杂质总的质量分数0.001%。重要构件背面应冲氩气保护，当氩气瓶中的压力降至 0.981MPa 时，应停止使用，以防止影响焊接接头质量。原则上应选择与基本金属成分相同的钛丝，焊丝以真空退火状态供应。有时为了提高焊缝金属塑性，也可选用强度比基本金属稍低的焊丝。3.注意观察焊缝金属表面。焊缝区金属颜色与氩气保护效果如下表：颜色银白金黄紫青（蓝）灰白效果好中中差差质量良好合格合格不合格不合格4.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，使焊缝表面层出现较多的 相，以至引起微裂纹。控制好气体的流量及流速，防止产生紊流现象，影响保护效果。十十 总结总结钛焊接时，焊缝和高温热影响区金属一方面易与空气中氧、氮、氢等气体发生作用，并与工件焊丝表面粘附的含氧、氮、氢元素的异物作用，被氧、氢、氮、碳杂质污染，使接头的强度和硬度升高，塑性下降，