钛(tai)焊(han)管(guan)焊接(jie)夹杂(za)缺(que)陷(xian)原(yuan)因(yin)分析及(ji)控制

换(huan)热器用钛(tai)焊(han)管(guan)具(ju)有密度(du)小，比强(qiang)度高、耐海(hai)水(shui)腐(fu)蚀性能(neng)优良等特(te)点，在海水(shui)冷(leng)却(que)系统管(guan)道中可(ke)以(yi)大(da)批量使用，例(li)如核(he)电站(zhan)和(he)滨海电(dian)站(zhan)，钛焊(han)管(guan)的(de)使用在(zai)保证(zheng)热交换效率同(tong)时，提高了设备(bei)使用(yong)寿命，带(dai)来(lai)显(xian)著(zhu)经济(ji)效(xiao)益[1-3]。纯钛在焊(han)接(jie)时(shi)容(rong)易受(shou)到(dao)环(huan)境(jing)污(wu)染(ran)，对(dui)焊(han)接(jie)环(huan)境要求(qiu)较(jiao)高(gao)，在充(chong)分(fen)氩(ya)气(qi)保(bao)护(hu)气氛下可(ke)以获(huo)得(de)良(liang)好的焊(han)接接头(tou)[4]。钛管(guan)在(zai)焊接(jie)过程(cheng)中的(de)污(wu)染会(hui)导(dao)致焊(han)接(jie)接(jie)头质(zhi)量下降(jiang)[5，6]，而焊(han)缝(feng)的(de)质(zhi)量(liang)控(kong)制(zhi)是生(sheng)产(chan)钛(tai)焊(han)管的(de)重(zhong)点(dian)[7]。目前换热(re)器用(yong)薄壁钛焊(han)管多采(cai)用自动钨(wu)极氩(ya)气保(bao)护(hu)焊(han)（TIG焊）。用(yong)自(zi)动(dong)钨(wu)极(ji)氩(ya)气保护(hu)焊(han)（TIG焊(han)）生(sheng)产钛焊管过程中(zhong)，时有(you)出(chu)现(xian)一种(zhong)类(lei)型缺(que)陷管。该(gai)缺陷(xian)目视在(zai)焊管(guan)外表面(mian)有(you)焊(han)缝箭头(tou)、内表面焊缝焊道(dao)有(you)变(bian)化，在(zai)外表(biao)面箭头(tou)根(gen)部可见有黑色异(yi)物，进(jin)行涡流探伤检(jian)测(ce)，管材(cai)报(bao)警不(bu)能满足(zu)ASTMＢ338标(biao)准[8]，需报(bao)废处理(li)，因而造(zao)成(cheng)生(sheng)产(chan)成(cheng)本增加(jia)。

为(wei)此，对该(gai)类(lei)型(xing)焊接缺(que)陷(xian)进行(xing)分(fen)析，找(zhao)出产(chan)生原因，制(zhi)定(ding)改(gai)善措(cuo)施(shi)，提(ti)高(gao)钛(tai)焊管(guan)生产(chan)过(guo)程(cheng)的焊(han)缝质(zhi)量(liang)。

1、基(ji)本(ben)信(xin)息

1.1　试(shi)验(yan)材(cai)料(liao)

实(shi)验材(cai)料(liao)为(wei)生产过(guo)程中(zhong)涡(wo)流报警的(de)Gr.2钛焊管(guan)，规格(ge)为φ22.0mm×0.5mm。其(qi)带材化学(xue)成分(fen)（质量分数(shu)，％）为(wei)，C0.012，O0.108，N0.003，H0.002，Fe0.017，其(qi)他单个最(zui)大(da)≤0.1，总计(ji)最大≤0.4。钛焊(han)管(guan)表面(mian)目(mu)视(shi)可见内(nei)外(wai)表(biao)面焊道变化(hua)，外(wai)表(biao)面可(ke)见(jian)箭(jian)头(tou)形(xing)状(zhuang)变(bian)化，在箭头根(gen)部(bu)可(ke)观(guan)察到有(you)缺陷。典(dian)型(xing)形(xing)貌如图(tu)1所示(shi)。

1.2　方法(fa)及设(she)备(bei)

钛(tai)焊(han)管的生产(chan)工艺(yi)流(liu)程(cheng)为：带材→清洗→剪(jian)切端焊(han)→清洗(xi)→冷(leng)弯成形(xing)→焊(han)接(jie)→一(yi)次定(ding)径→在(zai)线(xian)退火(huo)→二(er)次定径(jing)／矫(jiao)直→涡(wo)流探(tan)伤(shang)→激光测径→定尺(chi)切(qie)断→超声波探(tan)伤(shang)→精切→端头(tou)去毛(mao)刺→水下气密试验→表面风(feng)干(gan)→表面检查。其(qi)中焊(han)接工艺(yi)为直流(liu)正(zheng)接(jie)自动钨(wu)极(ji)氩(ya)弧(hu)焊，采(cai)用(yong)的(de)焊(han)接(jie)设(she)备(bei)为(wei)米(mi)勒ＭＡＸＳＴＡＲ700焊机(ji)。为(wei)防(fang)止焊(han)接过(guo)程(cheng)中(zhong)环(huan)境(jing)对焊缝(feng)影响，在(zai)焊(han)缝(feng)背面（焊管(guan)内壁(bi)）、焊枪(qiang)、焊合室(shi)内通氩(ya)气(qi)（纯(chun)度≥99.99％）进行(xing)保护。带材经(jing)过(guo)清(qing)洗(xi)、成型(xing)冷弯卷曲成(cheng)管状后在(zai)焊(han)合(he)室内(nei)焊(han)接。焊(han)接(jie)用钨针(zhen)直径为3.2mm，钨(wu)针伸(shen)出长度为(wei)9mm，焊接速(su)度6.0m/min，焊(han)接(jie)电(dian)流(liu)180Ａ，电(dian)压12Ｖ，焊枪氩气流量(liang)为(wei)10L/min，焊(han)合(he)室(shi)氩气流(liu)量(liang)为(wei)15L/min，焊缝背(bei)面(mian)保(bao)护(hu)气流量(liang)为(wei)10L/min。

在(zai)钨针(zhen)尖(jian)持续(xu)使(shi)用24ｈ后，进行(xing)跟(gen)踪取样(yang)。切(qie)取(qu)2个带(dai)缺陷(xian)的典(dian)型试(shi)样(yang)，采(cai)用(yong)XJA-6Ａ金(jin)相(xiang)显(xian)微镜对(dui)钛(tai)焊(han)管(guan)焊缝(feng)轴(zhou)向、纵(zong)向(xiang)进行了金(jin)相组织观(guan)察。切(qie)取(qu)3个(ge)带典型(xing)特(te)征缺陷的(de)试样，使用(yong)ＺｅｉｓｓＭｅｒｌｉｎＣｏｍｐａｃｔ场(chang)发(fa)射扫描(miao)电子(zi)显微(wei)镜和(he)ＯｘｆｏｒｄＡＺｔｅｃＸ-Ｍａｘ50能谱(pu)仪(yi)对焊(han)缝(feng)夹(jia)杂(za)缺陷(xian)处外表面形(xing)貌(mao)和成(cheng)分分析(xi)。

2、缺陷处(chu)组织分(fen)析

2.1　金(jin)相(xiang)组(zu)织分(fen)析(xi)

图2（ａ）为(wei)钛(tai)焊管缺(que)陷(xian)图片，可(ke)以清(qing)楚的(de)看到箭头形状(zhuang)及(ji)箭(jian)头(tou)根部(bu)的黑点。焊缝缺陷(xian)处(chu)显微(wei)组织(zhi)在(zai)轴(zhou)向(xiang)图2（ｂ）及(ji)纵(zong)向(xiang)图(tu)2（ｃ）方(fang)向(xiang)，焊(han)缝区(qu)主(zhu)要(yao)为粗(cu)大的(de)板条状(zhuang)α相(xiang)以(yi)及针(zhen)状α相(xiang)。焊(han)缝轴(zhou)向(xiang)区域(yu)内并(bing)没(mei)有(you)发现气(qi)孔、夹杂等缺(que)陷。在(zai)焊缝纵(zong)向显微(wei)组织(zhi)中(zhong)，有(you)不规(gui)则形(xing)状(zhuang)夹杂物嵌(qian)在(zai)焊缝表面(mian)组(zu)织(zhi)内(nei)。

2.2　扫(sao)描(miao)电(dian)镜及(ji)能(neng)谱(pu)分析

对缺陷(xian)样进行(xing)扫(sao)描电镜和(he)能谱分(fen)析。3＃、4＃、5＃样的扫(sao)描电(dian)镜(jing)形(xing)貌(mao)如图(tu)3所(suo)示(shi)。缺陷(xian)处(chu)和非(fei)缺陷位(wei)置能谱(pu)分(fen)析(xi)结(jie)果(guo)见表(biao)1。从(cong)扫描电镜照片(pian)中，可以明显(xian)看(kan)到焊管(guan)表(biao)面(mian)黑(hei)点处(chu)存(cun)在有(you)不(bu)规(gui)则(ze)形(xing)状异物(wu)嵌入在焊(han)缝中，其大小(xiao)不一。3＃（ａ）、4＃（ｃ）、5＃（ｅ）缺(que)陷处的能谱分析结(jie)果(guo)表明，该(gai)处(chu)含有(you)大量的(de)碳(tan)、氧、钨(wu)元(yuan)素。缺陷(xian)物旁(pang)边位置能谱分(fen)析(xi)主要(yao)元素为(wei)钛(tai)。

3、讨(tao)论分析

3.1　夹(jia)杂物(wu)成(cheng)分来源

结合(he)生产(chan)情况(kuang)，对元(yuan)素来(lai)源(yuan)进行(xing)分(fen)析(xi)。试(shi)验(yan)用(yong)的(de)纯钛(tai)带是(shi)以海绵钛为原(yuan)料，经(jing)熔炼板(ban)坯、热(re)卷轧(ya)制、酸洗(xi)、冷(leng)轧、脱(tuo)脂(zhi)、退火(huo)等(deng)工序(xu)生(sheng)产(chan)而来(lai)[9]。纯(chun)钛(tai)带(dai)，从(cong)表1中元(yuan)素成分上(shang)看(kan)其杂(za)质元(yuan)素主要为铁(tie)、氮(dan)、碳(tan)、氧、氢(qing)元素。这些杂质元素中(zhong)氮、氧、碳(tan)是(shi)α相稳定(ding)元素(su)，以(yi)间隙原(yuan)子的(de)形式(shi)有(you)限固(gu)溶于α相中(zhong)，铁(tie)主(zhu)要(yao)以置换(huan)原(yuan)子的形式(shi)有限(xian)固(gu)溶于(yu)α相(xiang)中[10]。这些杂质元(yuan)素含(han)量较(jiao)低(di)，并均匀分布在(zai)钛带(dai)中(zhong)，在(zai)高纯氩(ya)气保护气氛(fen)下焊(han)接(jie)，过程中无(wu)法形(xing)成(cheng)上(shang)述(shu)样品管中(zhong)的夹(jia)杂缺陷(xian)。

在(zai)轧制过(guo)程(cheng)中(zhong)会使(shi)用轧(ya)制(zhi)油(you)，轧(ya)制(zhi)完(wan)成后(hou)进(jin)行(xing)脱(tuo)脂、退火(huo)。如(ru)果(guo)脱脂(zhi)不(bu)完全(quan)，会导致(zhi)带材(cai)表面(mian)残留有油(you)污(wu)[11]。脱脂(zhi)异常(chang)带材(cai)，在(zai)焊接时由(you)于(yu)带材受热形(xing)成(cheng)大(da)量(liang)的(de)黑(hei)烟，钨极烧(shao)损(sun)。从(cong)钛(tai)带(dai)到(dao)钛焊管(guan)生(sheng)产(chan)工(gong)艺(yi)过(guo)程中(zhong)分析(xi)，在(zai)其他(ta)各(ge)工(gong)序(xu)内都未(wei)有钨元(yuan)素参与。因(yin)此，从钛(tai)焊(han)管生产过(guo)程(cheng)进行分(fen)析，分析(xi)能谱(pu)结果中夹杂(za)缺(que)陷(xian)内钨元(yuan)素(su)主要(yao)来(lai)源(yuan)于(yu)钨极(ji)，碳、氧元素(su)主要来(lai)源于带材表(biao)面残留油污。

3.2　夹(jia)杂物产生(sheng)原(yuan)因分析(xi)

综(zong)合(he)试验(yan)结果(guo)及(ji)生(sheng)产实际(ji)焊(han)接分(fen)析，认(ren)为该(gai)类型(xing)夹杂(za)缺(que)陷的(de)产(chan)生(sheng)原(yuan)因(yin)是(shi)，焊(han)接(jie)过(guo)程中(zhong)，由于(yu)焊(han)接(jie)带材(cai)表面(mian)有残(can)留油(you)污(wu)、钨(wu)针(zhen)尖伸(shen)出(chu)长(zhang)度(du)过长(zhang)、氩气(qi)保(bao)护效果(guo)欠(qian)佳，从(cong)而(er)在钨针(zhen)尖(jian)表(biao)面出(chu)现烧损(sun)，氧(yang)化物(wu)聚集(ji)如(ru)图(tu)4所示(shi)。可以(yi)看出，钨(wu)针(zhen)尖在(zai)使用一段(duan)时间(jian)后(hou)，针尖(jian)完(wan)好(hao)，在(zai)钨针(zhen)尖(jian)锥(zhui)角(jiao)根(gen)部处，可(ke)见(jian)白色灰(hui)状(zhuang)物质，轻(qing)触掉落类(lei)似炉(lu)渣(zha)。钨(wu)极(ji)氩(ya)弧焊(han)中(zhong)，钨(wu)极(ji)在(zai)氩气保(bao)护良(liang)好(hao)情(qing)况时(shi)，烧(shao)损(sun)慢，当带(dai)材(cai)表(biao)面残(can)留(liu)有(you)碳、氧、钨针(zhen)尖伸(shen)出长(zhang)度(du)较(jiao)长(zhang)、氩气保护效果欠(qian)佳，带材表面(mian)碳、氧(yang)有(you)机物(wu)在高(gao)温(wen)下(xia)挥发与钨(wu)极反(fan)应形(xing)成(cheng)渣状物(wu)质覆(fu)盖(gai)在(zai)钨(wu)针(zhen)上(shang)，从(cong)而引(yin)起(qi)钨(wu)极的(de)烧损[12]，当氩(ya)气(qi)保护效(xiao)果欠(qian)佳时(shi)，钨(wu)极烧(shao)损(sun)加快。当(dang)烧(shao)损(sun)达(da)到一定(ding)程度时(shi)，部(bu)分脱落(luo)到焊接熔(rong)池中，引(yin)起焊接电弧(hu)波(bo)动(dong)，从(cong)而产生焊道(dao)内外(wai)表面(mian)出(chu)现箭(jian)头(tou)状变(bian)化，掉落物(wu)在(zai)箭头根(gen)部形成夹(jia)杂(za)缺陷。

3.3　该类型焊接(jie)缺陷的控(kong)制

通过上述(shu)观(guan)察(cha)与(yu)分析(xi)，该类(lei)型(xing)焊接缺陷产(chan)生与控(kong)制，主要(yao)与(yu)带材(cai)清(qing)洁(jie)程(cheng)度、氩(ya)气(qi)保护效果(guo)、钨(wu)针(zhen)使用时间(jian)有关。因此，要(yao)减(jian)少该缺(que)陷(xian)类型产(chan)生(sheng)，主(zhu)要(yao)考(kao)虑清洁带材及增强(qiang)钨(wu)针(zhen)尖的(de)氩气保护效(xiao)果。钛带(dai)加工过(guo)程(cheng)中，严(yan)格(ge)控(kong)制(zhi)脱(tuo)脂工序(xu)，保证(zheng)钛带(dai)表面清(qing)洁(jie)。钛焊(han)管(guan)制造过(guo)程中增加(jia)焊(han)枪氩气(qi)保护气(qi)流量，减(jian)少(shao)钨(wu)针(zhen)尖(jian)伸(shen)出长度(du)、增加修磨(mo)钨针(zhen)尖频(pin)次，避(bi)免因钨针(zhen)尖(jian)烧损，表面氧化物聚集掉落而(er)产(chan)生(sheng)夹(jia)杂缺陷(xian)的问(wen)题。

根据(ju)上述分析对(dui)带材进行(xing)清(qing)洁(jie)，对焊(han)接参数(shu)进(jin)行(xing)调(diao)整(zheng)，将焊(han)枪(qiang)保护(hu)气由(you)10L/min调(diao)整(zheng)到(dao)15L/min，钨极(ji)伸出长度由9mm调整(zheng)到(dao)7mm，钨极(ji)修磨间隔由24ｈ调(diao)整(zheng)到12ｈ。调(diao)整(zheng)参数(shu)前，钨针(zhen)使(shi)用后，烧损较严(yan)重(zhong)，其(qi)钨(wu)针尖(jian)氧(yang)化物(wu)聚集(ji)较多；而(er)调整后，钨(wu)针尖(jian)完好(hao)，避免(mian)了(le)烧(shao)损(sun)后氧(yang)化物掉(diao)落(luo)产生(sheng)该焊(han)接缺陷(xian)（图(tu)5）。

4、结论(lun)

钛焊(han)管(guan)生(sheng)产(chan)过(guo)程(cheng)中(zhong)，出(chu)现(xian)的(de)焊道(dao)变(bian)化(hua)，焊缝(feng)夹(jia)杂(za)，本(ben)文(wen)对(dui)其成(cheng)因(yin)进(jin)行了分(fen)析，并(bing)提出(chu)了改善(shan)方(fang)法(fa)：（1）钛(tai)焊(han)管焊接过程中焊(han)道内(nei)外(wai)表面出现(xian)箭(jian)头(tou)状变化(hua)，在该(gai)箭头根部存在(zai)有夹(jia)杂物(wu)，是(shi)由于(yu)钨(wu)针(zhen)尖上的(de)氧化(hua)物在焊(han)接过程(cheng)中聚(ju)集(ji)后掉(diao)落到熔池(chi)中(zhong)产(chan)生(sheng)。（2）为减(jian)少该类型(xing)焊接(jie)夹(jia)杂(za)缺(que)陷(xian)，严格(ge)控制(zhi)钛(tai)带(dai)生产中(zhong)脱(tuo)脂(zhi)工(gong)序(xu)，在钛(tai)焊(han)管(guan)焊(han)接时(shi)增加焊(han)枪(qiang)氩气保护气流量(liang)，增加修(xiu)磨钨(wu)针尖(jian)频次，减(jian)少(shao)钨(wu)针尖伸(shen)出(chu)长(zhang)度，避免因钨(wu)针(zhen)尖上的(de)氧(yang)化(hua)物聚集(ji)掉(diao)落产生的(de)焊(han)接(jie)夹(jia)杂缺(que)陷。

参(can)考文(wen)献

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