由于鈦材焊接性問題，在鈦材設備制造過程中需采取一些特殊工藝措施與技術手段，才能保證質量。本文結合騰宇鈦業鈦列管式換熱器、鈦儲罐、鈦反應釜、鈦分離器等設備制作實踐予以介紹。

一、焊接缺陷及原因

鈦材設備在焊接時極易氧化、氮化和脆裂。鈦不僅在熔融狀態下能和幾乎所有元素起作用，而且在350~400℃時即開始大量吸氫。氫是鈦中最有害的元素之一，它能降低鈦的塑性與韌性，導致脆裂。當冷卻時，氫來不及逸出而聚成氣孔。故一般要求鈦中含氫量在0.01％以下。若母材或焊接材料中含氫量大，則應預先作脫氫處理。鈦在600℃以上就會急劇地和氧、氮化合，生成二氧化鈦和氮化鈦(硬度極大)，當加熱到800℃以上，二氧化鈦即溶解于鈦中并擴散深入到金屬鈦的內部組織中去，形成0.01~0.08mm的中間脆性層。溫度越高，時間越長，氧化、氮化也越嚴重，焊接接頭的塑性就急劇降低。為此，一般要求鈦中含氧量應在0.1％以內。此外，鈦還易與碳形成脆性的碳化物，降低塑性和可焊性。

鈦易過熱。鈦的熔點高(1680~1725℃)，屬難熔金屬，在焊接時需要高溫熱源。鈦的導熱系數低，僅為碳鋼的一半，熱量不易散失，過熱傾向嚴重。鈦在885℃時產生同素異構轉變，由α鈦(密集六方晶格)轉變為β鈦(體心立方晶格)，溫度再高，盧鈦的晶粒便會急劇地跳躍式地長大，使性能迅速變壞。當結構剛性大時，焊接拉應力作用，還會導致產生裂紋。

此外，鈦一旦沾染鐵離子即變脆。這也是導致鈦材產生焊接裂紋的重要原因之一。

二、主要工藝措施及控制

1、生產準備工作

1)施工場地及其要求

鈦材焊接應在獨立的鈦加工車間進行。如果在鋼鐵車間內進行焊接，應與作業區隔開。鈦材焊接應遠離通風口和敞開的門窗處，焊接作業處風速<10m/s，相對濕度<90％。若條件許可，在鈦材焊接場地鋪設地面，禁止鐵污染，搭防塵棚，配備去濕機，對提高焊接質量有良好效果。

2)簡體與零部件的下料

鈦材與不銹鋼、鋁材一樣，表面不得有硬印標記(樣沖孔等)，應用鉛筆(色筆)劃線。鈦薄板可以剪切下料，厚板可用氧乙炔焰或等離子弧切割。切口要留加工余量，用機械方法去除表面污染層。為了防止在各道工序受到損壞，表面應貼牛皮紙保護。鈦表面打磨只能用橡膠或尼龍滲合氧化鋁的砂輪，絕不能用打磨過碳鋼的砂輪。打磨時不允許出現過熱的色澤。

3)板坯的坡口加工與卷圓

縱縫坡口用刨邊機加工，坡口加工后卷圓，以免錯邊。卷板機滾筒表面應清理干凈。由于鈦的彈性模量較低，回彈量大，可采用模壓法(預彎)或在三輥卷板機上模板滾壓成型。要認真對待和嚴控簡體縱縫棱角度。

4)管板的管孔加工

這是換熱器制造的主要環節之一。鈦比不銹鋼有更大的咬粘傾向，管孔加工要用短而銳利的鉆頭，慢速、強制進給，用堅固支架，使其利于排屑；而且宜用大量、足夠的冷卻潤滑液。根據經驗，采用鉆孔一擴孔成形工藝或鉆孔一鉸孔成形工藝效果較好。

5)管子與管板的連接

鈦管與管板接頭一般采用貼脹后焊接。貼脹脹緊率一般控制在3％~5％。鈦的加工性能較差，變形速率敏感性高，為避免脹接時產生裂紋，應由專用脹接工具慢速進行。

6)封頭的壓制

用煤氣爐加熱坯料到300~500℃，經多次壓制成形。對于薄壁封頭，亦可采用夾板拉深法(沖壓機上壓制)。這種方法是將薄板料夾在兩塊較厚的板料中間，并將周圍焊死后拉深。成型后將焊住的部位割掉，取出夾在中間的所需封頭(此法可避免鼓包與皺褶等缺陷)。

2、簡體主焊縫(縱向與環向焊縫)焊接工藝

鈦設備主焊縫可選用表1所述的焊接方法。鈦的等離子弧焊近年來得到廣泛應用，一般采用小孔法焊接。附加保護氣及背面保護氣都應制作專門的氣罩，緊密地與等離子噴嘴連結，又要與其絕緣。對于厚度3~4mm鈦板，專門氣罩的長度應大于120mm。

TIG焊用得最廣，除手工外，也可以側面送絲進行自動焊接(小車行走，轉胎轉動)，還可以加脈沖電源進行自動焊接。表2是蒸發器67m²TA2工業純鈦簡體縱、環縫用側面送絲自動TIG焊的工藝參數，鈦板厚8mm。焊前坡口用不銹鋼絲刷及丙酮清理，焊絲也經清理。第1層采用手工焊是考慮裝配錯邊時容易控制；第5層因在簡體內部，焊機頭難進入，故也用手工焊。除第5層外，用φ2mmTA2鈦絲作填充絲。鎢極直徑4mm。氬氣純度99.99％以上，主流量14~15L/min，尾罩氣流量15~20L/min，背面保護氣流量10~15L/min。

焊好鈦設備縱、環縫的關鍵是氬氣保護，尾罩及背面保護氣罩必須設計并安置好，最難的是背面保護，切要小心從事。

3、鈦管與鈦管板焊接

鈦管與鈦管板焊接有先脹后焊和只焊不脹兩種。前者多用于鈦復合鋼管板，后者用于全鈦材管板。當設備小、壓力與溫度較低、受力不大而管板較薄時，一般用全鈦材作管板，此時管子與管板只焊不脹。

1)焊接方法與氬氣保護

管端焊口可采用手工鎢極氬弧焊配以特制的保護氣罩進行焊接。或采用微機控制的自動脈沖TIG焊(加絲或不加絲)。

應特別重視氬氣保護。因鈦在350~C以上時會強烈吸氣、脆化，引起氣孔及裂紋，焊接時必須將焊接接頭及附近區域溫度維護至200~C。

2)焊接工藝與控制

焊前要檢查管板孔、管徑及中心距尺寸(傳熱管應倒內角0.5×45°)，管子凸出管板尺寸要盡量一致，由專用工具檢查。如需脹管，脹管前管端與管板間隙應<0.5mm，脹管后管壁內50mm范圍內管板表面用丙酮去油，用無鐵砂紙磨去氧化膜，顯出金屬光澤。

焊接時宜安排好合理的順序。以管板中心為基準，兼顧各個方向劃分幾個區域，然后按分區(由中心向四周幅向向外地焊接，并盡量注意各向的對稱性與平衡性)進行焊接。這樣管板不易因焊接而發生凸起或凹進變形。

焊接工藝參數因焊接方法不同而異。TIG焊可參照縱、環縫手工TIG焊。微機控制的脈沖TIG時，如線能量小，則冷卻快，會出現鈦馬氏體(α'相)，塑性下降；如線能量大，則冷卻慢，晶粒會長大，塑性也降低。

故線能量一般取6kJ/cm~8kJ/cm為妥，此外，線能量再小則管板接頭熔深太淺，難以達到質量要求。

焊接管板接頭時，如焊后顏色不為銀白色及金黃色，應磨去，重焊。如出現氣孔、裂紋，須磨去重焊。

三、注意事項

采用鎢極氬弧焊時，還需注意以下幾點。

1、焊前預先通氣一段時間，而后再起弧焊接。

2、采用較大口徑的噴嘴時，噴嘴與工件的距離適當縮小以加強保護。鎢極伸出噴嘴的長度宜短，以不妨礙觀察到熔池為限。

3、采用短弧焊效果好，勿擺動焊槍。

4、焊絲熱端在焊接過程中不能脫離保護范圍，如發現被氧化，須將氧化部分切去才能繼續使用。

5、焊接結束時要滯后停氣，直至焊接區溫度降至材質穩定的范圍，一般溫度在200~C以下。

6、如某部分焊縫保護不好，焊道表面發生氧化，須將氧化皮去除后才能進行下一道焊接。

7、焊接簡體環縫時，內襯銅墊環，可起到撐圓的作用。

8、焊后熱處理。根據鈦材成分和結構使用要求可選用退火、時效或淬火一時效處理(宜嚴格按規范進行)。

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