鈦材越來越廣泛用于化工醫(yī)藥等行業(yè)的機(jī)械設(shè)備制造和安裝行業(yè)。鈦材特點(diǎn)是密度小、強(qiáng)度高，在海水和大多數(shù)酸、堿、鹽介質(zhì)中均具有優(yōu)良的耐腐蝕性。在尿素、硝酸、農(nóng)藥等生產(chǎn)中，其抗腐蝕性遠(yuǎn)高于超低碳奧氏體不銹鋼。大量用于化工過程設(shè)備。但由于鈦的焊接變形大，校形困難；鈦在冷加工時易產(chǎn)生裂紋；其冷作硬化傾向的強(qiáng)化程度隨變形速度而加劇；變形速度對加工零件的極限程度和質(zhì)量都有很大影響。更不利的是鈦制設(shè)備不容易返修好，有時會產(chǎn)生愈返修效果愈差的情況。針對鈦的這些特性，鈦換熱器、鈦儲罐、鈦盤管、鈦蒸發(fā)器等鈦制設(shè)備在施焊過程中需要采取一些特殊工藝措施和技術(shù)手段，才能保證焊接質(zhì)量。

1、鈦材特性

設(shè)備常用鈦材按生產(chǎn)成型的方式不同，可分為壓力加工鈦材、鑄材及粉末冶金鈦等。其中壓力加工鈦材是化工設(shè)備用鈦中用量最多的類型。設(shè)備用鈦要求有更優(yōu)越的塑性和焊接性能，鈦材中雜質(zhì)含量會嚴(yán)重影響焊縫質(zhì)量，含氫會使鈦材產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，并產(chǎn)生腐蝕針孔；鈦中氧含量增高會導(dǎo)致氣孔；鈦中含鐵量過高，容易在焊縫附近出現(xiàn)穩(wěn)定的富鐵相區(qū)，與鈦基形成腐蝕電池，使鈦發(fā)生電化腐蝕等。因此設(shè)備用鈦選用雜質(zhì)含量較低的工業(yè)純鈦和低合金鈦牌號，如常用的有TA0、TA1、TA2、TA3、TA9、TA10等，它們具有良好的耐蝕性、塑性、韌性，主要用于化工設(shè)備的耐蝕結(jié)構(gòu)材料。表1是鈦材在幾種介質(zhì)中的耐腐蝕情況。

2、常見焊接缺陷分析

（1）燒穿。燒穿多發(fā)生在薄板焊接。其原因是：裝配間隙過大，難以承托熔化金屬；背面保護(hù)氣流過大而沖破熔融金屬；電流過大，焊速過慢；焊縫外有灰塵或雜物，焊接過程中引起爆炸沖掉熔池金屬液。

（2）斷裂。引起鈦材焊縫斷裂的因素相當(dāng)復(fù)雜，但最主要的是氫、氧、氮等雜質(zhì)的污染。焊縫吸氫量超過室溫下的固溶度，同時又受氧、氮等污染嚴(yán)重時，就會出現(xiàn)氫脆斷裂。該斷裂有的是在運(yùn)輸或使用過程出現(xiàn)，也有的是在焊后放置一段時間后出現(xiàn)。如某企業(yè)曾焊接一個材質(zhì)為工業(yè)純鈦的二氧化碳汽提塔，焊后質(zhì)檢合格，但放置一段時間后，焊縫出現(xiàn)裂紋。防止鈦焊縫斷裂，除采取適當(dāng)焊接措施及加入合金元素來增大氫的固溶度外，最主要是防止吸氫及氧、氮的污染，因此焊前清理及焊接過程中進(jìn)行保護(hù)極為重要。

（3）氣孔。氣孔有內(nèi)、外兩種。外氣孔通常產(chǎn)生于焊縫表面；內(nèi)氣孔通常產(chǎn)生在熔合線附近。一般來說，氫和氧及表面上存在的吸附水分和氣體是形成氣孔的一些因素。其來源主要有：母材及焊絲中氫氧含量過高，坡口過小而焊時熔質(zhì)過多，這主要形成內(nèi)氣孔；焊接時保護(hù)不善，大量吸氣；表面清理不凈，有油脂及其他有機(jī)物污染；保護(hù)氣體純度不高，濕度過大。

（４）焊縫腐蝕。受鐵污染嚴(yán)重時，焊縫會出現(xiàn)穩(wěn)定的富鐵相區(qū)，與鐵基形成腐蝕電池而發(fā)生電化腐蝕。所以機(jī)加工后的坡口，必須經(jīng)酸洗才能施焊。此外，氣孔也會引起針孔腐蝕。除以上焊接缺陷外，筆者在多次對鈦設(shè)備焊接試驗(yàn)和焊接制作實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)一種新的裂紋，即焊縫處經(jīng)過多次反復(fù)加熱、冷卻形成的裂紋，暫稱為焊接循環(huán)溫變裂紋。

它多發(fā)生在厚板的多層多道焊縫區(qū)域。特征是：裂紋區(qū)材質(zhì)塑性、韌性降低，晶粒松弛，晶格歪扭，有局部硬化現(xiàn)象。有時裂紋旁伴有更微細(xì)裂紋。它發(fā)生的滯后性強(qiáng)，其隱蔽性危害性比延遲冷裂紋更大。筆者認(rèn)為，由于鈦材焊縫處多次反復(fù)加熱與冷卻，應(yīng)力不斷擴(kuò)張、收縮，致使焊縫疲勞開裂；再者，加熱過程晶粒不斷長大，使粗化晶粒間松弛、脆弱，出現(xiàn)裂紋等。因此，從焊接工藝角度看，適當(dāng)控制焊接最高加熱溫度、加熱速度、高溫停留時間和冷卻速度及盡量減少焊縫區(qū)的加熱與冷卻頻率和次數(shù)，是必須要注意的問題。

3、鈦設(shè)備焊接工藝的優(yōu)化

3.1　焊接方法的選用

鈦和鈦合金的焊接方法主要有惰性氣體保護(hù)電弧焊、等離子焊、電子束焊等。一般情況采用惰性氣體保護(hù)焊，通常是氬氣保護(hù)焊。為獲得優(yōu)質(zhì)焊縫，對焊接熔池及４00℃以上的熱影響區(qū)都必須采取保護(hù)措施，以免受空氣中的氣體污染。對大型工件及薄板（3～12Ｘ）的焊接應(yīng)采用等離子焊，等離子焊速度快、焊縫窄、焊接熱影響區(qū)小，且由于鎢極縮于噴嘴內(nèi)，焊縫可避免鎢污染，焊縫成型美觀。但由于其線能量大，需加強(qiáng)焊接區(qū)的保護(hù)及冷卻效果。而對于小型、重要零件的焊接則應(yīng)選用電子束焊，并且必須在真空箱中進(jìn)行。

3.2　焊絲

鈦設(shè)備要求焊后狀態(tài)的焊接接頭的強(qiáng)度不低于鈦材母材標(biāo)準(zhǔn)的下限，伸長率不低于或至少接近于鈦材母材標(biāo)準(zhǔn)的下限，所以容器用鈦焊絲要求更低的雜質(zhì)含量才能使焊接接頭達(dá)到足夠的塑性要求。容器用鈦焊絲應(yīng)按ＪＢ４７４５－2000“鈦制焊接容器”中規(guī)定的容器用鈦焊絲，見表2。

一般來說，根據(jù)母材牌號選用相應(yīng)牌號的焊絲。對于容器用鈦焊絲，要求通過規(guī)定的焊接工藝評定。另外，由于焊縫強(qiáng)度與塑性受其他焊接工藝的影響，有可能采用相應(yīng)牌號的焊絲不一定能與母材有最好的匹配，這時可選用純度高一級或低一級的工業(yè)純鈦焊絲：如焊縫強(qiáng)度偏高太多，可改用純度高一級的焊絲；如焊縫強(qiáng)度偏低，可改用純度低一級的焊絲。焊絲的選用仍根據(jù)焊接工藝評定結(jié)果來確定。

3.3　焊接工藝優(yōu)化

（1）焊接前的準(zhǔn)備。鈦制設(shè)備在焊前的準(zhǔn)備工作極為重要，尤其是在焊接過程中焊縫的污染和熱影響問題。焊縫只要受到小量的有害雜質(zhì)的污染，就會嚴(yán)重影響焊縫的質(zhì)量，影響設(shè)備使用甚至報(bào)廢。所以鈦和鈦合金在焊接前必須進(jìn)行嚴(yán)格的清理，并在焊接過程中采取有效措施防止有害雜質(zhì)的污染。焊接前的準(zhǔn)備工作包括下料、開坡口、除氫、表面清理、工件裝夾。每道工序都要對焊件表面進(jìn)行清理。采用惰性氣體保護(hù)焊時厚度為3Ｘ以下鈦板不開坡口，3Ｘ以上必須開坡口。并應(yīng)選刨、銑、磨等機(jī)加工方法加工坡口，嚴(yán)格控制尺寸。

由于氫含量過高，會使焊縫產(chǎn)生氣孔、微裂紋、氫脆等現(xiàn)象，因此必須在真空爐中進(jìn)行除氫處理，使氫含量降低到0.002％以下。并在焊前對鈦板的焊邊及焊絲表面進(jìn)行除油脂、清除氧化皮及吸氣層處理。表面徹底清理完畢即可進(jìn)行工件裝夾。在裝夾過程中操作人員必須帶清潔手套，不要觸摸焊口和焊口附近。嚴(yán)禁用鐵器敲打焊口，以免焊口受鐵污染引起焊縫脆化及降低耐蝕性。工件裝夾好后還必須對焊口進(jìn)行一次檢查，油污或棉紗毛等物都要清除干凈才能施焊。

（2）焊接工藝的優(yōu)化。為保證焊縫得到良好的力學(xué)性能，除了對鈦材及焊絲成分的純度要求不低于所規(guī)定的成分外，對保護(hù)氣體及溶劑成分的純度還要提出特殊要求。

氬氣的純度不低于99.99％，即雜質(zhì)Ｏ2含量＜0.003％，Ｎ2含量＜0.01％，濕度＜0.03g/m3。焊接過程中，要選擇正確的焊接規(guī)程，并在保證焊縫成型良好的前提下，采用較小電流和較快速度進(jìn)行焊接，以防止熱影響區(qū)過大。對于手工氬弧焊，為得到良好的保護(hù)效果，噴嘴應(yīng)盡量垂直于焊件平面，并靠近焊件。焊絲要間斷加入熔池填充焊縫，但不能把焊絲端頭紅熱部分從噴嘴有效保護(hù)區(qū)內(nèi)拿出，以免焊絲氧化。焊絲不能在電弧區(qū)劇烈擺動，否則會破壞噴嘴層流保護(hù)區(qū)。

（3）焊接技術(shù)措施。①薄板焊接。薄板容易變形，焊接裝夾必須采取壓板和墊板。壓板及墊板可用不銹鋼或紫銅。用導(dǎo)熱性能好的紫銅時，焊出的焊縫性能好。如果所選用的壓板為不銹鋼，墊板為紫銅時，在噴嘴處還應(yīng)加保護(hù)罩保護(hù)，否則焊縫和熱影響區(qū)就會發(fā)生氧化現(xiàn)象。②厚板焊接。鈦厚板焊接也可以用銅壓板及銅壓塊，以便加速焊縫冷卻。由于厚板焊接熱影響區(qū)寬，散熱慢，需要用較寬和較長的保護(hù)拖罩，最好拖罩通水冷卻。厚板焊接最好采用等離子焊或熔化極電弧焊。采用正極性焊時飛濺小，成型較好；用反極性焊時，焊絲熔化速度較快，適于大坡口的厚板焊接。③復(fù)合板焊接。由于鈦與鋼不能直接熔焊，所以對鈦—鋼復(fù)合板的焊接可選用間接式焊接接頭，即鈦面、鋼面各自焊接，復(fù)合層間互不熔合。

（４）氬氣保護(hù)效果檢驗(yàn)與返修。氬氣保護(hù)方面應(yīng)加以重視。因鈦在350℃以上會強(qiáng)烈吸氫、脆化，引起氣孔及裂紋，焊接時必須將焊接接頭及附近區(qū)保護(hù)到200℃為止。每一焊縫要根據(jù)行業(yè)判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行表面顏色檢查（見表3）。

對表面顏色不合格的焊縫和熱影響區(qū)，須用砂輪或風(fēng)鏟全部除去，然后重焊。補(bǔ)焊次數(shù)最多不能超過兩次。補(bǔ)焊位置應(yīng)在質(zhì)量證明書上注明。

總之，在鈦設(shè)備焊接制作中，只要有針對性地采取相應(yīng)措施，嚴(yán)格把好各施焊環(huán)節(jié)質(zhì)量關(guān)，就可取得良好制作效果。

參考文獻(xiàn)：

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[3]張裝生.鈦合金焊接工藝的探討[J].化工裝備技術(shù)，2002（2）：36－37.

[收稿日期]2009－04－17

[作者簡介]王靈果（1968—），女，副教授，研究方向：化工設(shè)備與機(jī)械。

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