由于工(gong)业纯钛具有较好(hao)的综合(he)性能(neng)和(he)优(you)异(yi)的(de)耐蚀(shi)性能，使它成(cheng)为许多(duo)工业(ye)部(bu)分不可缺少(shao)的(de)结构(gou)材(cai)料。如(ru)果(guo)是在水(shui)中，它(ta)可以(yi)在短时间里(li)和(he)氧(yang)发(fa)生反(fan)应，在(zai)其表(biao)面形成(cheng)致密的(de)氧(yang)化膜，使钛产生(sheng)良好的(de)耐腐蚀(shi)性(xing)。钛表面(mian)钝(dun)化膜具(ju)有很强(qiang)的自愈再生(sheng)能(neng)力，即(ji)使在机(ji)械(xie)磨(mo)损(sun)的情(qing)况下也(ye)能(neng)快(kuai)速生成(cheng)新(xin)的氧(yang)化(hua)膜，完(wan)全(quan)满(man)足(zu)钛(tai)在(zai)一般条(tiao)件下(xia)的耐腐蚀要求(qiu)。使得爆
炸(zha)~ 轧(ya)制~ 钛钢复合(he)板成(cheng)为(wei)电(dian)厂(chang)烟囱内衬(chen)钢筒(tong)的(de)首选材料(liao)。
1、工业纯钛(tai)TA2的性能特(te)点(dian)
1.1 物理(li)性(xing)能
钛(tai)呈银白(bai)色，熔(rong)点高，导(dao)热性(xing)差(cha)，线(xian)膨(peng)胀(zhang)系(xi)数(shu)小，电阻(zu)率大。相(xiang)对于(yu)其他(ta)金(jin)属材(cai)料而(er)言，钛(tai)的密度(du)小、强度高(gao)[1-3]。
钛的密度(du)，仅(jin)为(wei)铁的57.4%，铜的(de)50.7%。钛(tai)合(he)金(jin)的(de)硬(ying)度性(xing)质最(zui)大(da)的一部分应用在(zai)常用(yong)工(gong)业(ye)合金(jin)中(zhong)，使(shi)用率是(shi)不(bu)锈钢(gang)的(de)3.5 倍(bei)，铝(lv)合(he)金的(de)1.3 倍，镁合(he)金(jin)的(de)1.7 倍(bei)。
1.2 化(hua)学(xue)性能(neng)
钛(tai)化学(xue)性(xing)质(zhi)活泼(po)，与(yu)氧(yang)有很(hen)强的亲(qin)和(he)力(li)，室温下(xia)洁净(jing)的表(biao)面也(ye)会(hui)迅速形(xing)成稳(wen)定(ding)而(er)坚(jian)韧的(de)氧化(hua)膜(mo)。钛的(de)化学活(huo)性随(sui)着温(wen)度(du)的提(ti)高(gao)而增(zeng)强(qiang)，在高温下(xia)氧(yang)化(hua)膜的厚(hou)度将(jiang)增(zeng)加(jia)。温度(du)高(gao)于(yu)648℃时，抗氧(yang)化(hua)能(neng)力急(ji)剧(ju)下降(jiang)。钛在固(gu)态状态下(xia)可吸(xi)收气(qi)体(ti)，加(jia)热至(zhi)300℃时，就(jiu)开(kai)始(shi)吸(xi)收(shou)氢。加热(re)至400℃时(shi)，可(ke)以(yi)吸(xi)收氧(yang)[4]。在600℃时(shi)可吸(xi)收(shou)氮(dan)。当钛中气(qi)体元素增加后，
其强度也(ye)会显(xian)著(zhu)增(zeng)加(jia)，而塑(su)性急(ji)剧(ju)下(xia)降(jiang)，所以(yi)氢(qing)、氧(yang)、氮是钛(tai)的有(you)害元素。
2、焊接(jie)性(xing)分(fen)析
2.1 化(hua)学成(cheng)分(fen)和力(li)学性(xing)能
TA2 的(de)化(hua)学(xue)成分和(he)力(li)学(xue)性能(neng)数(shu)据(ju)可以(yi)由(you)宝(bao)鸡某金(jin)属(shu)公司(si)的(de)材(cai)质证明(ming)得知(zhi)，分别见(jian)表1 和表2 所示，TA2 批(pi)号(hao)为(wei)：20158-4。
2.2 钛(tai)TA2 的(de)焊接(jie)特点(dian)
2.2.1 焊(han)接接(jie)头晶(jing)粒易粗(cu)化
TA2 特殊(shu)的(de)物理(li)性(xing)能(neng)决定(ding)了(le)在焊(han)接(jie)时(shi)容(rong)易出(chu)现焊接接(jie)头组(zu)织(zhi)粗(cu)化，从而(er)造成(cheng)塑性和韧性(xing)降(jiang)低[5,6]。因此在焊接时对热输(shu)入要严(yan)格(ge)控(kong)制，一(yi)般(ban)宜采(cai)用(yong)小(xiao)电流，快速(su)焊。
2.2.2 焊接(jie)接头脆(cui)化
TA2 容易受气体等(deng)杂(za)质(zhi)污染(ran)而(er)脆(cui)化(hua)。然而(er)，随(sui)着温度的升高(gao)，钛吸(xi)收(shou)氧、氮(dan)和(he)氢的能力(li)显(xian)著提(ti)高，加(jia)热至(zhi)300℃时，就(jiu)开始吸收(shou)氢。加热至(zhi)400℃时，可以吸(xi)收(shou)氧(yang)。在600℃时可吸收(shou)氮[7]。氢会导(dao)致钛的(de)塑(su)性(xing)和韧(ren)性降低(di)，导致氢(qing)脆(cui)。温(wen)度(du)越(yue)高，钛的氧(yang)化膜(mo)会变得多(duo)孔，在(zai)钛中(zhong)形(xing)成(cheng)硬化层(ceng)，降(jiang)低(di)钛的(de)塑(su)性(xing)。因此，在焊接过(guo)程(cheng)中应(ying)妥(tuo)善保(bao)护温(wen)度在400℃以
上(shang)的熔池、焊(han)缝及热影(ying)响(xiang)区( 包括(kuo)背面(mian))。
2.2.3 焊接(jie)裂(lie)纹(wen)
氢(qing)是(shi)冷裂纹形(xing)成的主(zhu)要原(yuan)因。在扩(kuo)散过程(cheng)中(zhong)，氢(qing)会从(cong)固溶(rong)体中析出TiH。TiH 析出(chu)过程会(hui)产生较大的(de)体积变化(hua)和较(jiao)大的(de)内应(ying)力[8]。为(wei)了(le)避(bi)免(mian)冷裂纹的(de)出(chu)现，有必(bi)要(yao)着(zhe)重预(yu)防(fang)氢(qing)的危害(hai)。在(zai)设计(ji)焊接工(gong)艺(yi)时，可(ke)以(yi)通(tong)过控制氢(qing)、氮(dan)等杂质元素(su)来减(jian)少裂纹。
2.2.4 气孔
在(zai)TA2 焊接(jie)中气孔(kong)串(chuan)是(shi)最(zui)常(chang)见(jian)的缺(que)陷(xian)之(zhi)一(yi)。主(zhu)要作(zuo)用(yong)是(shi)降低焊(han)接(jie)接头(tou)的(de)疲(pi)劳(lao)强度(du)[9]。孔隙度可以把接(jie)头(tou)疲(pi)劳强(qiang)度(du)降低(di)至(zhi)少(shao)一(yi)半(ban)。钛(tai)焊接(jie)接(jie)头(tou)的气孔(kong)有三部分(fen)：冶(ye)金反应(ying)产(chan)生的气(qi)孔、外部空气进入时(shi)形(xing)成的气(qi)孔(kong)和(he)油(you)水(shui)分(fen)解产(chan)生(sheng)的(de)气孔(kong)。①焊接前由于清(qing)洗不到(dao)位，有些(xie)焊丝(si)油会附着在(zai)钛(tai)表(biao)面，这(zhe)种情(qing)况(kuang)是(shi)造成气孔(kong)的主(zhu)要(yao)原(yuan)因。在(zai)焊(han)丝加(jia)工过程(cheng)中产生的残馀润(run)滑剂，在抛(pao)光(guang)过(guo)程中(zhong)产(chan)生的(de)残馀磨料颗粒(li)的断裂，以及，长(zhang)期运作(zuo)过(guo)程中(zhong)很(hen)容易有残(can)馀(yu)水分附(fu)着(zhe)在焊(han)接(jie)槽的附(fu)近，久而久(jiu)之(zhi)而容(rong)易(yi)形成(cheng)气(qi)孔(kong)。②氢(qing)。氢主要来源是(shi)由(you)于焊(han)丝中氢的(de)含量过高(gao)、沟槽(cao)和(he)空气中(zhong)的水(shui)分。改善(shan)措(cuo)施：焊(han)丝选用(yong)含氢(qing)量低(di)的(de)，工(gong)作(zuo)中采(cai)取(qu)措(cuo)施有(you)效避(bi)免(mian)水污(wu)染和空气污染。同时(shi)更(geng)为重(zhong)要对(dui)气孔的数(shu)量(liang)有影响(xiang)的两(liang)个(ge)因素(su)：第一(yi)，不(bu)同的(de)焊接方(fang)法。一般(ban)情(qing)况，氩(ya)钨(wu)弧焊产生的(de)气(qi)孔相对(dui)电(dian)子束(shu)焊(han)接更(geng)少(shao)。第二，焊接(jie)工艺参数(shu)。焊(han)接(jie)参(can)数(shu)、固定焊(han)接工(gong)艺、气体纯(chun)度(du)、焊缝(feng)冷(leng)却速(su)度等都影响气(qi)孔(kong)的(de)形(xing)成[10]。
2.2.5 焊(han)接(jie)变(bian)形
低(di)碳钢的(de)双倍(bei)弹簧(huang)模量才(cai)能(neng)达到(dao)钛(tai)的弹性(xing)模(mo)量(liang)。导热(re)系(xi)数是钢的1/4，铜(tong)的(de)1/23，铝的(de)1/3。所以才(cai)焊(han)接过程(cheng)中(zhong)，它会产生(sheng)很(hen)大(da)的焊(han)接变(bian)形(xing)。冷却后的(de)钛(tai)回弹性大(da)，约为(wei)不(bu)锈(xiu)钢
的(de)两(liang)倍，焊接矫(jiao)正困难(nan)。因此(ci)，在(zai)焊(han)接过(guo)程中，有(you)必(bi)要解决(jue)在(zai)如(ru)果(guo)防止(zhi)焊接(jie)变形这一问题(ti)，可(ke)以(yi)从优(you)化焊接(jie)工艺(yi)、工件配(pei)装两(liang)方(fang)面入(ru)手(shou)[11]。此(ci)外(wai)，焊接前定位(wei)焊接(jie)和钛的约束可(ke)以有(you)效地减(jian)小(xiao)焊接(jie)后(hou)的(de)角变形(xing)和弯(wan)曲(qu)变形(xing)。
3、焊(han)接工艺(yi)
3.1 焊接方法
钨极(ji)氩弧焊(han)GTAW 适(shi)用于厚(hou)度在(zai)3mm 以下的钛(tai)及(ji)钛(tai)合金的(de)焊(han)接(jie)，母(mu)材(cai)厚度(du)小于2mm 的(de)I 形坡口(kou)对接接头(tou)可不(bu)加(jia)焊(han)丝(si)进(jin)行(xing)焊(han)接(jie)。考(kao)虑(lv)到(dao)现(xian)场(chang)实际(ji)情(qing)况(kuang)，钨极氩弧焊(han)GTAW 是(shi)最(zui)佳(jia)选择(ze)。
3.2 焊(han)接(jie)材料
选用(yong)焊丝的成(cheng)分要和被(bei)焊母材(cai)相(xiang)近，杂(za)质(zhi)越少(shao)越(yue)好(hao)；因此(ci)根据(ju)TA2 的(de)性能(neng)特(te)点和目标产品烟(yan)囱钢(gang)内(nei)筒内(nei)衬的性(xing)能要(yao)求(qiu)，再(zai)结(jie)合烟囱(cong)钢(gang)内(nei)筒内(nei)衬的化(hua)学成(cheng)分和(he)力(li)学性(xing)能，选用宝鸡万德(de)公司(si)金属(shu)有(you)限(xian)公司根据(ju)GB/T3623-2007 生产(chan)的(de)直径(jing)为(wei)2.0mm 的焊(han)丝(si)，其(qi)的(de)化学成(cheng)分如(ru)表3 所示，焊(han)丝(si)的(de)证(zheng)书(shu)编号(hao)：20170216-01。
3.3 焊前准(zhun)备
由(you)于现场(chang)施(shi)工时(shi)，所(suo)有焊(han)接接(jie)头均(jun)为T 型(xing)接(jie)头，结(jie)合(he)现(xian)场实(shi)际情(qing)况，选(xuan)用(yong)T 型(xing)接(jie)头(tou)进(jin)行工(gong)艺评(ping)定(ding)试(shi)验。焊前清(qing)理包括机械(xie)清(qing)理(li)、化学(xue)清(qing)理。①机械清(qing)理：针(zhen)对(dui)难(nan)以进行化学清理(li)的表(biao)面(mian)污染(ran)。②化学清(qing)理：对(dui)于(yu)较薄(bao)的(de)氧(yang)化(hua)膜，可(ke)以(yi)采(cai)用酸(suan)洗工(gong)艺，酸(suan)洗后(hou)用水冲(chong)洗(xi)、干燥(zao)。
3.4 焊接(jie)工(gong)艺参(can)数(shu)
焊(han)接时过(guo)大的焊接电(dian)流和(he)焊(han)接电压(ya)将(jiang)造成焊接接头(tou)晶粒粗(cu)化，并且(qie)过(guo)大(da)的(de)焊接(jie)热输入(ru)提(ti)高焊(han)接变形(xing)的(de)风(feng)险；因(yin)此(ci)，一(yi)般宜(yi)采用小(xiao)电流，快速(su)焊。过小的焊接电(dian)流(liu)和焊接(jie)电压(ya)到时有利(li)于(yu)降低(di)焊接(jie)热输(shu)入，但是热(re)输入(ru)过小又严(yan)重(zhong)影(ying)响生产效率。因(yin)此，焊(han)接时(shi)适宜的焊(han)接(jie)工艺(yi)参(can)数(shu)尤为(wei)重要(yao)，具体如表(biao)4 所示(shi)。
4、试(shi)验(yan)结(jie)果
4.1 外观(guan)
根据ASME 第(di)Ⅸ卷(juan)中(zhong)的(de)QW-462.4（a）对(dui)焊(han)接(jie)试(shi)件切割(ge)成5 个试(shi)样，5 个试样(yang)的外(wai)观(guan)检测(ce)情(qing)况(kuang)见(jian)表5。
4.2 宏(hong)观(guan)金(jin)相(xiang)
把5 个试(shi)样(yang)根(gen)据ASME 第Ⅸ卷中(zhong)的QW-183 的(de)要求进(jin)行了(le)宏观金相试验(yan)（见(jian)表6）。
4.3 试(shi)验(yan)结果分(fen)析(xi)
（1）5 个试样的(de)外(wai)观(guan)颜色(se)为(wei)银(yin)白色、淡(dan)黄(huang)色(se)和黄色；结(jie)果合(he)格。
（2）5 个(ge)试样的焊缝(feng)金属(shu)和热影响区(qu)横断(duan)面(mian)完(wan)全熔合(he)、无裂(lie)纹，且焊脚(jiao)长度差均(jun)不大(da)于(yu)3mm，宏(hong)观金(jin)相(xiang)满(man)足ASME 第(di)Ⅸ卷(juan)中的(de)QW-183 的(de)要(yao)求，结果(guo)合(he)格(ge)。
5、结(jie)论
工业(ye)纯(chun)钛TA2 的焊(han)接过程(cheng)，一(yi)定(ding)要控(kong)制好(hao)机械清理(li)~化学(xue)清(qing)理(li)~ 焊(han)接(jie)环(huan)境(jing)控(kong)制~ 焊(han)接工艺(yi)参(can)数~ 保(bao)护(hu)气体(ti)保护时(shi)间这(zhe)五(wu)个环节。这些(xie)环(huan)节(jie)每(mei)一(yi)个都特(te)别重要，缺一不可。
在某(mou)电厂烟(yan)囱(cong)钢内(nei)筒爆(bao)炸(zha)~ 轧(ya)制~ 钛(tai)钢复合(he)板(ban)施工(gong)实践(jian)中，从(cong)以上(shang)五(wu)个环节(jie)着(zhe)手，严格控制施工(gong)工艺，工(gong)业纯(chun)钛TA2 的(de)焊接取得(de)了(le)很(hen)好的(de)效果(guo)。
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相(xiang)关(guan)链(lian)接
