作者：王道峰、吴传才

 

摘要：本文详尽阐述了凝汽器钛管钛合金的材料特点及焊接性，影响凝汽器钛管焊接一次成功率的生氧化色彩、裂纹、气孔等焊接缺陷的产生机理，并针对以上焊接缺陷，进行了详细分析和钛管焊接试验。通过对钛管焊接工艺规范的不断摸索，以及对试验过程出现的问题的合理分析，总结出钛管焊接工艺特点及操作要领，通过在分工，焊接工艺参数和施工方法等方面的改进，提高了凝汽器钛管焊接一次成功率。

关键词：凝汽器钛管；焊接一次成功率；氧化色彩；裂纹；气孔；凝汽器钛管焊接试验；焊接工艺参数；施工方法

前言

凝汽器是用来冷却汽轮机低压缸排汽,降低排汽口的温度和压力,使汽轮机的转速提高,以达到需要的发电功率。钛管板是凝汽器的核心部件,海水从钛管内流过冷却管周围由低压缸排排出的蒸汽,使之凝结为水。海水与蒸汽(凝结水)必须截然分开,即不允许海水自钛管内泄漏至管外,以防止对凝结水产生污染。而由于钛管敏感的焊接特性和各种外部因素导致在钛管焊接过程中钛管焊缝极易出现氧化色彩、裂纹、气孔等缺陷。从而降低了钛管焊接一次成功率，对工程质量造成负面影响。华电青岛发电有限公司扩建2×300MW热电联产工程凝汽采用器钛管作为冷凝管（SB338Gr.2），为提高钛管焊接一次成功率, 针对以钛管焊接容易出现的焊接缺陷，进行了详细分析和钛管焊接试验。求找到合适的焊接工艺参数、正确的焊接对方等以提高钛管焊接一次成功率。

一、钛合金的材料特点及焊接性

  （一）钛合金的材料特点：密度小（约4.5g/cm³），抗拉强度高（441～1470MPa），即比强度大（强度/密度）大。在海水及大多数酸、碱、盐介质中均具有较优良的抗腐蚀性能。

（二）钛合金的焊接性能，具有许多显著特点，这些焊接特点是由于钛合金的物理化学性能决定的。

    1. 气体等杂质污染引起焊接接头脆化

     在常温下，钛及钛合金是比较稳定的。但在焊接过程中，液态熔滴和熔池金属具有强烈吸收氢、氧、氮的作用，而且在固态下，这些气体已与其发生作用。随着温度的升高，钛及钛合金吸收氢、氧、氮的能力也随之明显上升，大约在250℃左右钛开始吸收氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮，这些气体被吸收后，将会直接引起焊接接头脆化，是影响焊接质量的极为重要的因素。

    （1）氢是影响

氢是气体杂质中对钛的机械性能影响最严重的因素。焊缝含氢量变化对焊缝冲击性能影响最为显著，其主要原因是随缝含氢弹量增加，焊缝中析出的片状或针状TiH2增多。TiH2强度很低，故片状或针状卫HiH2的作用例以缺口，合冲击性能显著降低；焊缝含氢量变化对强度的提高及塑性的降低的作用不很时显。

  （2）氧的影响

   焊缝含氧量基本上是随氩气中含氧量增加而直线上升的随焊缝含氧量上升，焊缝的硬度和抗拉强度明显增加，而塑性却显著降低。为了保证焊接接头的性能，在焊接过程中应严防焊缝及焊接热影响区发氧化。

  （3）氮的影响

在700℃以上的高温下，氮和钛发生剧作用，形成脆硬的氮化钛（TiN）而且氮与钛形成间隙固溶体时所引起的晶格歪挪程度，比等量的氧引起的后果更为严重，因此，氮对提高工业纯钛焊缝的抗拉强度、硬度，降低焊缝的塑性性能比氧更为显著。当焊缝含氮量在0.13％以上是，焊缝由于过脆而产生裂纹。

  （4）碳的影响

   碳也是钛及钛合金中常见的杂质，实验表明，当碳含量为0.13%以下时，碳因深在α钛中，焊缝强度极限有些提高，塑性有些下降，但不及氧氮的作用强烈。但是当进一步提高焊缝含碳量时，焊缝却出现网状TiC，其数量随碳含量增高而增多，使焊缝塑性急剧下降，在焊接应力作用下易出现裂纹。当焊缝含碳量为0.55％时，焊缝塑性几乎全部消失而变成非常脆的材料。焊后热处理也无法消除此种脆性。我国技术条件规定，钛合金母材的含碳量不大于0.1%，焊缝含碳量不超过母材含碳量。

2.钛管焊缝缺陷及产生机理

（1）氧化色彩

大约在250℃左右钛开始吸收氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮，而空气种含有大量氮和氧。在进行钛管焊接时，因氩弧焊枪形成的氩气气体保护层只能保护好焊接熔池不受空气的有害作用，而对已凝固而处于高温状态附近的焊缝及其附近区域则无保护作用，而处于这种状态的钛管焊缝及其附近的区域仍有很强的吸收空气中的氮及氧的能力。随氧化程度逐步加重，钛管焊缝颜色发生变化及焊缝塑性下降的规律。银白色（无氧化），金黄色（TiO,轻微氧化），蓝色（Ti₂O₃ ，氧化稍为严重），灰色（TiO₂，氧化严重）。

（2）钛管焊缝的裂纹问题

     钛合金焊接时，焊接接头产生热裂纹的可能性很小，这是因为钛及钛合金中S、P、C等杂质含量很少，由S、P形成的低熔点共晶在晶界很少生成，加之有效结晶温度区间窄小，钛及钛合金凝固时收缩量小，焊缝金属不会产生热裂纹。

     钛及钛合金焊接时，当焊缝含氧、氮量较高时，焊缝或热影响区性能变脆，在较大的焊接应力作用下，会出现冷裂纹。其特征是裂纹产生在焊后数小时甚至更长时间称作延迟裂纹。经研究表明焊接过程中氢的扩散是引起这种裂纹的主要原因。焊接过程中氢由高温深池向较低温的热影响区扩散，氢含量的提高使该区析出TiH2量增加，增大热影响区脆性，另外由于氢化物析出时体积膨胀引起较大的组织应力，再加上氢原子向该区的高应力部位扩散及聚集，以致形成裂纹。防止这种延迟裂纹产生的办法，主要是减少焊接接头氢的来源。

   （3）钛管焊缝中的气孔问题

    钛管焊接时，气孔是经常碰到的一个主要问题。形成气孔的根本原因是由于氢影响的结果。

    防止产生气孔的工艺措施主要有：

    1）在高纯度的氩气保护下进行焊接，氩气纯度不应低于99.99%

    2）彻底清除钛管、钛板和钛板管眼表面上的氧化皮油污等有机物。可以用化学和机械方法清洗。

    3）对熔池施以良好的气体保护，控制好氩气的流量及流速，防止产生紊流现象，影响保护效果。

4）选择焊接合适的工艺参数、焊接规范，增加深池停留时间使用便于气泡逸出，可有效地减少气孔。

二钛管焊接

钛管焊接生产中采用钨极氩弧焊。氩弧焊的电弧在氩气流的保护与冷却作用下，电弧热量较为集中，电流密度高，热影响区小，焊接质量较高。

1.焊前准备 焊件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。根据青岛天气潮湿对焊接造成的不利影响，变过去钛管全面胀接完毕后施焊为胀接一部分后立即施焊，避免了管板的重复清洗，保证了焊接质量。

（1）穿钛管前应首先对凝结器钛复合板管孔进行清理，清理时，用浓度大于95%的酒精进行清洗，孔内可借助圆柱形尼龙绳子和白绸子布擦拭，清理时严禁戴橡皮手套。清理标准：用白绸子布擦拭不变色为合格。

（2）穿完管用酒精清洗钛管时，两部必须同时协调进行，一端把钛管推入，清理钛板管孔，另一端把钛管抽出，清理钛管外壁，反之亦然，往返应不少于5次。

（3）胀管经验收合格后方可焊接。且在进行钛管焊接前焊工用手指摸，再检查一次确认无欠胀、漏胀，并用酒精清理后方可进行焊接。

A、钛管焊接过程中将钛管区划分为若干区域，焊工分区负责施焊，避免因交叉焊接引起的漏焊。

B、钛管胀管欠胀及漏胀是焊接时产生氧化钛管及翻边的主要原因，往往产生不可修补的缺陷，如造成管短，将不能再继续施焊，裂纹也是不易修补的缺陷。所以焊工焊前对仔细进行胀管检查，发现有欠胀、漏胀时重新进行胀管。

C、施焊期间应随清理随焊接，清理可用小型喷雾器在钛管上喷酒精，用白稠布擦净。焊接过程出现夹钨必须清理干净，重新施焊。

2. 手工钨板氩弧焊焊接工艺及参数的选择

经过钛管焊接试验，确定出最终钛管焊接工艺参数：

焊接电流：70~90A（脉冲电流）

焊接速度：2.5—2.7转/分钟

氩气喷嘴流量：5—6L/min

氩气滞后保护流量：9—11L/min

3.焊接过程中起弧和收弧位置见下图。从11点位置起弧，顺时针旋转焊接一周后在12点位置开始衰减，在3点位置收弧。

4.钛管焊接时，当温度高于400℃~700℃时，很容易吸收空气中的氧、氢和氮，严重影响焊接质量。因此，钛管焊接时，对熔池全面及高温部分（400℃~650℃以上）的焊缝区必须严加保护，为此，钛管焊接时必须采取特殊的保护措施，即采用喷嘴尺寸较大的焊矩，以扩大气体保护区面积。确保焊接时熔池始终处在氩气保护下，在焊接收弧时，先将熔池填满，然后按下衰减按钮，同时将电弧移至焊缝边缘，待焊缝冷却后再将焊枪移开，保证焊口在400℃以上始终在氩气的保护下。

5.焊接过程中，发生异常中断时，应重新清理焊口后再继续施焊。

6.钛及钛合金手工钨极氩弧焊操作要领

 1）焊接时，焊枪基本不作横向摆动，当需要摆动时，频率要低，摆动幅度也不宜太大，以防止影响氩气的保护。

 2）断弧及焊缝收尾时，要继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区金属冷却到350℃以下时方可移开焊枪。

7.质量检验

   外观检查符合GB/T13149-91。

  三、结　论

1.钛管焊接的气体保护问题是影响焊接接头质量的首要因素。增强氩气对钛管焊缝的保护即可以显著提高钛管焊接一次成功率。

2.钛管焊接时采用较小的焊接线能量，壳有效提高钛管焊接一次成功率。

3.钛管手工钨极氩弧焊时，应仔细彻底的清理钛管、钛板及钛板管眼表面的油污等有机物和杂质即严格控制氢的来源，以防止冷裂纹的产生，同时应注意防止气孔的产生，提高钛管焊接一次成功率。

4.只要严格按照焊接工艺要求施焊，并采取有效的气体保护措施，即可获得高质量的焊接接头，获得理想的焊接一次成功率。

参考文献：

1.      周振丰. 焊接冶金学（金属焊接性）.  北京：机械工业出版社,1996  

2. 《钛材管板焊接技术规程》 SD339-89