在化學(xué)工程的設(shè)備制造安裝中,鈦及鈦合金的應(yīng)用越來越多。但由于在焊接施工中受地區(qū)、季節(jié)、保護(hù)條件等環(huán)境的不利影響,常易出現(xiàn)質(zhì)量問題。在眾多的焊接缺陷中,焊接裂紋危害性最大,且占一定的比重(返修難度亦較大)。由于有些設(shè)備需運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組對(duì)焊接,它的焊縫相對(duì)較多,焊縫集中,加之卷制與現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)焊接產(chǎn)生的多向應(yīng)力,致使焊縫的裂紋問題甚為突出,施工環(huán)境越差(尤其在東北的冬季和濕度較大的沿海地區(qū)),鋼板的強(qiáng)度越高厚度越大焊接裂紋的敏感性越強(qiáng)。下面結(jié)合近幾年來現(xiàn)場(chǎng)焊前試驗(yàn)及工程實(shí)踐,就工業(yè)純鈦設(shè)備焊接裂紋的種類(又發(fā)現(xiàn)了新裂紋)、形成機(jī)理及質(zhì)量控制問題予以研究。

1、焊接裂紋及其機(jī)理研究

1.1鈦材的主要物理化學(xué)性能分析

工業(yè)純鈦根據(jù)其雜質(zhì)(主要是O₂和Fe)的含量以及由此而引起的強(qiáng)度差,分為TA1、TA2、TA3三個(gè)牌號(hào),通常它們具有良好的耐蝕性、塑性、韌性、焊接性和較高的比強(qiáng)度,主要用作化學(xué)工業(yè)之中的耐腐蝕結(jié)構(gòu),如設(shè)備、容器、管道等。

工業(yè)純鈦的熔點(diǎn)高達(dá)1672℃,在常溫下,由于鈦表面致密氧化膜的作用,使其性能很穩(wěn)定。但鈦在高溫下具有很強(qiáng)的化學(xué)活潑性,隨著溫度的升高,其化學(xué)活潑性會(huì)迅速增強(qiáng)。高溫鈦有強(qiáng)烈的吸收空氣中氫、氧、氮的能力。空氣中固態(tài)鈦在250~300℃開始吸H2,在400℃時(shí)開始吸O₂,在600℃時(shí)開始吸N₂,同時(shí),焊接中當(dāng)溫度達(dá)到400℃以上時(shí),除了H₂、O₂、N₂以外,還和其它一些諸如C、Fe、Si等雜質(zhì)元素發(fā)生反應(yīng),從而降低了焊接接頭的塑性和韌性,其強(qiáng)度大大增加,脆性亦相應(yīng)增加。此外,O₂、N₂都是穩(wěn)定化學(xué)元素,當(dāng)其含量較少的時(shí)候,都會(huì)作為間隙元素固溶在鈦中,這也是降低鈦材塑性,導(dǎo)致產(chǎn)生焊接裂紋的根本原因之一。

1.2常見焊接裂紋俞與原因

工業(yè)純鈦化學(xué)性能活潑,固態(tài)加熱到400℃以上高溫時(shí),很容易被油脂、水分和空氣污染,由表面層劇烈吸收C、H₂、O₂、N₂等雜質(zhì)元素,致使焊接接頭的韌性和塑性下降而導(dǎo)致性能轉(zhuǎn)變,由原來的初始狀態(tài)向高強(qiáng)、脆化轉(zhuǎn)變,高強(qiáng)、脆化對(duì)焊接接頭的質(zhì)量均有明顯的不利影響。

工業(yè)純鈦的熔點(diǎn)高,導(dǎo)熱性差,熱容量小,導(dǎo)溫系數(shù)低,電阻系數(shù)大,所以在焊接時(shí)熔池內(nèi)積累的熱量多,不易散發(fā),熔池溫度停留時(shí)間長(zhǎng),冷卻速度慢,焊縫容易發(fā)生過熱現(xiàn)象,出現(xiàn)過 熱的組織,使晶粒變得粗大,晶粒尺寸加倍長(zhǎng)大,在冷卻收縮過程中,由于拉應(yīng)力的作用,再加上前面分析過的低塑脆化原因,很容易引起焊縫產(chǎn)生裂紋。尤其是在冬季、濕度較大的東北沿海地區(qū)焊接大型結(jié)構(gòu)和容器時(shí),產(chǎn)生裂紋的比率大得多。

在常規(guī)情況下,裂紋大致可分為兩種形式,即熱裂紋和冷裂紋。由于工業(yè)純鈦高溫強(qiáng)度大,塑性好,凝固時(shí)收縮量小,在結(jié)晶時(shí)晶面上形成的低熔點(diǎn)共晶雜質(zhì)少,結(jié)晶時(shí)溫度不易散發(fā),溫度區(qū)間小,所以在一般的情況下不易產(chǎn)生熱裂紋。然而由于氫從固溶體析出TiH₂的作用,使金屬脆化并引起很大的組織應(yīng)力,再加上焊接殘余應(yīng)力的作用,材料本身的塑性已經(jīng)降 低、脆性增加,很有可能在焊后產(chǎn)生冷裂紋。

1.3弧波裂紋及其形成機(jī)理探究

高溫波動(dòng)及其裂紋催生。在此暫稱它為弧波裂紋,它不屬于金屬常見焊接裂紋,如熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋與層狀撕裂裂紋等類型范疇,也有別于常說的熱疲勞裂紋(外在要素明顯,多針對(duì)鑄造模型)。即焊縫處經(jīng)過反復(fù)多次急速地加熱與冷卻后而形成的一種裂紋,其發(fā)展趨勢(shì)最終為斷裂。它多發(fā)生在:厚壁設(shè)備及管道的多層多道焊焊縫區(qū)域上(主要在熔合區(qū)附近)或焊縫修補(bǔ)之處。特征是:裂紋區(qū)域材質(zhì)性能發(fā)生變化(尤其是塑性、韌性降低),晶粒松弛,晶格歪扭,有局部硬化現(xiàn)象。有時(shí)裂紋旁邊伴有若干更細(xì)微裂紋。它發(fā)生的滯后性強(qiáng),其隱蔽性危害性比其他裂紋更大。目前形成機(jī)理仍在研究之中。筆者認(rèn)為,從本質(zhì)上看,鈦材焊縫處多次反復(fù)加熱與冷卻,一是應(yīng)力不斷擴(kuò)張、收縮,致使焊縫疲勞開裂;二是加熱過程中晶粒不斷長(zhǎng)大(有時(shí)連續(xù)有時(shí)斷續(xù),但多為波段式變化),從而使顯著長(zhǎng)大的粗化晶粒間松弛、脆弱;加之焊縫處若干次地快速冷卻,化合物逐漸析出、積聚、延伸,出現(xiàn)薄弱邊緣而致裂。因此,給焊接操作者提出了更高的要求,焊接時(shí),在保證焊縫金屬晶粒度細(xì)小及應(yīng)力勿過大或集中的前提下,盡可能采用較少的焊接層數(shù)及弧焊波動(dòng)(此點(diǎn)過去往往被忽略)。此類裂紋是若干因素(最高加熱溫度、加熱與冷卻速度、高溫停留時(shí)間、焊弧波動(dòng)的幅度及次數(shù)等)綜合作用的結(jié)果。消除和減弱其中的任何不利因素,對(duì)于防止它的產(chǎn)生都是有利的。

根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和近期研究結(jié)果,發(fā)現(xiàn)多數(shù)金屬材料焊接層數(shù)(弧波次數(shù))與焊接裂紋有一定的內(nèi)在聯(lián)系,如表1所示。由此可見,不同材料根據(jù)自身特性均有一個(gè)最佳 焊接層數(shù)的問題,即焊接裂紋傾向最小時(shí)的適宜焊接層數(shù)。鈦材亦如此,這要根據(jù)不同材質(zhì)的牌號(hào),當(dāng)時(shí)的具體施工條件由焊前試驗(yàn)來確定。

近年來的研究結(jié)果還顯示,雖然有時(shí)鈦設(shè)備某焊口經(jīng)無損檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)任何缺陷(達(dá)到合格水平),但在隨后的施工或設(shè)備運(yùn)行過程中,由于焊縫薄弱處已達(dá)到開裂的臨界或近臨界狀 態(tài),,一旦遇到較惡劣的環(huán)境和波動(dòng)的工況,隨即開裂。因此,焊接時(shí)除了要保證焊縫短期達(dá)標(biāo)外,還應(yīng)盡可能使焊縫的薄弱區(qū)遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的開裂臨界區(qū)。

2、若干優(yōu)化工藝措施

2.1焊前準(zhǔn)備和焊接材料的選擇

焊接方法的選擇,根據(jù)純鈦的物理、化學(xué)性能和特點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)多采用TIG焊接。焊絲的正確選擇是保證純鈦焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。為了保證焊縫與母材等強(qiáng),原則上采用與母材化學(xué)成分 相同的純鈦材料,一般要求焊絲中有害雜質(zhì)越少越好,在焊絲與母材不匹配的情況下,也可以從母材上切取的方法來解決。

氬氣的純度將直接影響到純鈦焊縫的硬度和韌性,對(duì)焊接裂紋的產(chǎn)生也有著明顯影響。氬氣的純度低,其雜質(zhì)的成分就多,尤其H₂的含量,如果含H₂在0.001mL/L以上,相對(duì)濕 度大于5.0%,露點(diǎn)在-40℃以上,就容易在焊縫中引起脆化,產(chǎn)生裂紋。所以,要求純鈦焊接用的氬氣必須是高純度氬(富氬Ar99.99%),露點(diǎn)在-40℃以下,H2O小于0.001mL/L。

2.2幾項(xiàng)主要焊接工藝及技術(shù)措施

2.2.1焊接設(shè)備及其輔助設(shè)備

鈦設(shè)備施焊前應(yīng)按有關(guān)規(guī)范及規(guī)程要求進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。然后根據(jù)此焊接工藝評(píng)定在正式施焊前組織參加焊接的焊 工進(jìn)行適應(yīng)性試驗(yàn),以保證正式焊接中獲得較好的質(zhì)量。此外,需做好以下幾方面事情。選用適宜的鎢極氬弧焊機(jī)(最好是逆 變電源),焊機(jī)帶高頻或高壓起弧裝置,施焊中嚴(yán)禁采用擦弧引燃的方法。選用精確的氬氣流量計(jì)以控制氣流量。送氣軟管選用塑料管,不宜采用橡膠管輸送氬氣。保護(hù)罩的材質(zhì)選用奧氏體不銹鋼或鋁、銅,不得使用碳鋼。所用清理工具只能用于鈦,不得混用,在使用前應(yīng)清洗干凈。

2.2.2焊接層數(shù)及其確定

在中、厚壁鈦設(shè)備的焊接中,應(yīng)采用多層焊,但根據(jù)多年試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)表明,層數(shù)過多易帶來負(fù)面影響,主要是焊縫區(qū)受 到焊接熱循環(huán)作用次數(shù)過多易導(dǎo)致性能劣化、引發(fā)弧波裂紋。事實(shí)是,在保證材料晶粒度細(xì)小及應(yīng)力較小的前提下,盡可能 地減少焊接層數(shù)。對(duì)于工業(yè)純鈦設(shè)備,一般按下式選取焊接層數(shù):n=S/md(式中,d為焊絲直徑,mm;S為設(shè)備壁厚,mm,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)m通常取0.8~1.2))。此外,設(shè)備壁厚不同,焊道亦不相同,實(shí)際操作中,設(shè)備焊縫的焊道數(shù)量通常按表2予以選取。

2.2.3坡口加工與清理

坡口切割與清洗工序必不可少,鈦板切割可用機(jī)械方法進(jìn)行,在切割過程中,不得使其過熱而變色,在坡口內(nèi)外表面不 小于20mm范圍內(nèi)用砂輪和不銹鋼絲刷打磨出金屬光澤,然后用刮刀修整坡口的毛刺和鈍邊,之后再打磨光滑,避免在清 洗的時(shí)候掛絲。清洗質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響到焊接裂紋的產(chǎn)生,清洗質(zhì)量不好時(shí),會(huì)在母材及焊絲表面上生成一層灰白色 的吸氣層,導(dǎo)致焊接裂紋和氣孔的產(chǎn)生,因此清洗時(shí)要注意以下幾點(diǎn):

①先采用酸洗。酸洗液為2%~4%HF+30%~40%HNO₃+H₂O(余量)。最后用清水沖洗干凈并吹干,臨焊前用丙酮或酒精擦洗。②焊絲在酸洗后一般需要進(jìn)行脫氫處理,焊前再用丙酮脫脂。③嚴(yán)禁使用氧化物脫脂。④清洗時(shí)不得戴橡皮手套,以免橡皮和脫脂溶劑發(fā)生反應(yīng)使焊縫產(chǎn)生氣孔。⑤清洗后的焊口必須馬上焊完,不宜久放(一般不得超過4h),否則需要按前面步驟重新清洗。

2.2.4焊接工藝參數(shù)的確定

純鈦焊接工藝的選擇,既要防止焊縫在電弧熱的作用下產(chǎn)生粗晶組織,又要避免在焊后冷卻時(shí)被大氣的污染出現(xiàn)脆化組織,所以對(duì)施工環(huán)境、焊接區(qū)域內(nèi)的保護(hù)至關(guān)重要。與不銹鋼設(shè)備相比較,除了與不銹鋼焊接保護(hù)有相似的地方外,還必須對(duì)400℃以上的區(qū)域用托罩進(jìn)行保護(hù),因?yàn)殁佋?00℃以上的高溫區(qū),化學(xué)性能特別活波,很容易吸收有害氣體,導(dǎo)致材料性能降低出現(xiàn)裂紋。

對(duì)于小型設(shè)備,可在設(shè)備內(nèi)充氬保護(hù)。焊接時(shí),必須自始至終地充氬保護(hù),直到溫度降至材質(zhì)穩(wěn)定的范圍。這是焊接鈦 材的關(guān)鍵要領(lǐng)。考慮保護(hù)效果,焊接時(shí)盡量采用大直徑的噴嘴,噴嘴與焊口距離適當(dāng)縮小以加強(qiáng)保護(hù),鎢極伸出長(zhǎng)度宜短,以 不妨礙視線看到熔池為限。氬氣流量大小對(duì)保護(hù)有著相當(dāng)?shù)挠绊?過大的流量不容易形成穩(wěn)定的氣流層,反而在保護(hù)區(qū)內(nèi)形 成紊流,使有害氣體浸入熔池。另外,過大的氣流使得熔池冷卻速度加快,焊縫表面容易出現(xiàn)裂紋。過小的氣流使保護(hù)不到位,達(dá)不到保護(hù)效果,所以保護(hù)氣的流量一定要適中。在焊接時(shí),拖罩和噴嘴的距離始終保持在20~25mm范圍內(nèi), 當(dāng)焊接結(jié)束時(shí),拖罩保護(hù)不能立即結(jié)束,必須等焊縫溫度降至200℃以下才能停止送氣。

純鈦設(shè)備的TIG焊基本上與不銹鋼焊接相同,為了克服熱影響區(qū)溫度的提高,在保證完全焊透的情況下,盡量采用較小焊接線能量的操作方法,即快速焊、直線運(yùn)把和填充焊絲(電流太小容易產(chǎn)生氣孔)。除此之外,焊接過程中還必須注意如下事項(xiàng):①焊前預(yù)先通氬氣一段時(shí)間進(jìn)行置換,可采用明火檢測(cè)法對(duì)焊口進(jìn)行檢查,確認(rèn)設(shè)備內(nèi)氣體完全是氬氣了,然后再進(jìn)行焊接。②采用短弧焊,不擺動(dòng)焊把和焊絲。蓋面時(shí)即使要擺動(dòng),也只能是微幅慢速擺動(dòng)。③焊絲端部在焊接過程中不能脫離保護(hù)范圍,否則焊絲端部會(huì)被氧化,如發(fā)現(xiàn)焊絲端部已經(jīng)氧化,須將氧化部分切去然后才能使用。④焊接時(shí),起弧和收弧點(diǎn) 必須是在坡口內(nèi)進(jìn)行,不得在母材上起弧和收弧。送絲的時(shí)候不能將焊絲快速地一送一抽式移動(dòng),應(yīng)當(dāng)慢速均勻地將焊絲往熔池里面填,否則會(huì)造成氣體紊亂,影響保護(hù)效果。⑤焊接時(shí),噴嘴和焊件角度為70°~80°,焊絲與焊口的夾角為10°~15°。⑥在焊接過程中,必須嚴(yán)格控制層間溫度,每焊完一層定要等溫度降至室溫時(shí)再繼續(xù)下一層的焊接。表3為幾種壁厚設(shè)備的焊接工藝參數(shù)(TIG、供參考)。

2.2.5操作技術(shù)要點(diǎn)

焊接時(shí)要時(shí)常觀測(cè)焊縫表面顏色,以銀白色為最佳,其次是金黃色。否則要調(diào)整焊接工藝參數(shù)和保護(hù)氣體流量。對(duì)焊接 環(huán)境的要求。按純鈦的焊接要求,焊接施工現(xiàn)場(chǎng)必須保持干燥、清潔、焊接時(shí)的環(huán)境溫度應(yīng)控制在10℃以上,焊接區(qū)域沒有過堂風(fēng),焊接熔池和熱影響區(qū)絕對(duì)禁止水或水氣及其它氣體的滲入,如遇有上述情況,一定要有遮擋、保溫、除濕等措施,避免焊縫受到污染產(chǎn)生裂紋。

2.3氬氣保護(hù)效果判別及其裂紋等缺陷的返修

在施工檢查中,如發(fā)現(xiàn)焊縫保護(hù)不佳,應(yīng)停止焊接。如產(chǎn)生了焊接裂紋,亦應(yīng)即刻返修,以免裂紋延伸,返修裂紋要注意 如下事項(xiàng):①用著色的方法檢查出裂紋和兩頭的終端,用合金鉆頭在終端處打出止裂孔,將裂紋及其兩側(cè)用聚酯磨光片打 磨,清除裂紋和兩側(cè)表面氧化層。打磨時(shí)要有間斷性,以免局部區(qū)域溫度升高而導(dǎo)致母材再次被污染。②再用著色法檢查,確認(rèn)裂紋徹底清除干凈后,進(jìn)行對(duì)止裂孔和打磨處的清洗。③焊接方法和工藝參數(shù)與正常焊接相同。但是,在修補(bǔ)裂紋時(shí),切不可忽視了在焊縫正、反面再次充氣保護(hù)。④補(bǔ)焊時(shí)一定要控制層間溫度,每層焊完都必須進(jìn)行必要的著色檢查和清洗工作。

3、其它注意事項(xiàng)

①焊后處理及檢驗(yàn)。鈦設(shè)備焊后都需對(duì)焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行酸洗,然后用清水將酸洗液清洗干凈。焊后檢查主要有如

下幾項(xiàng):外觀檢查,焊縫表面無咬邊、焊瘤、氣孔、夾渣、裂紋。色別檢查,焊口表面呈銀白色的占80%以上,其余為金黃色,證明焊縫保護(hù)效果良好。X射線檢查,應(yīng)無裂紋和未焊透以及超標(biāo)的氣孔、夾渣等缺陷。②根據(jù)鈦材的焊接特性,凡是在焊接過程中能有效地防止氣體污染的焊接方法均能采用,如鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊、等離子弧焊等,但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工條件,采用鎢極氬弧焊(直流正極法),既能保證焊接質(zhì)量,又能適合現(xiàn)場(chǎng)條件下的各種位置焊接。③焊絲選用與母材化學(xué)成分相同的材料,并附有質(zhì)保書(有時(shí)為了提高塑性也可選用比母材合金成分低的焊絲),決不允許有裂紋、夾層等各種內(nèi)在及表面缺陷,并且焊前予以徹底清理。鈦設(shè)備對(duì)接焊縫通常采用V型單面60°坡口,1~1.5mm鈍邊,對(duì)口間隙2~2.5mm。④對(duì)大、中型設(shè)備,可采用槽內(nèi)充氬保護(hù)焊縫及近縫區(qū)的內(nèi)表面,槽內(nèi)亦應(yīng)提前送氣排凈空氣,并保持微弱的正壓和流動(dòng)狀態(tài),而后起弧焊接。盡可能選用較小線能量以減少金屬過熱和氫的溶入,保證焊縫質(zhì)量。⑤焊接過程中應(yīng)保持穩(wěn)定,防止鎢極與焊件或焊絲接觸造成夾鎢,當(dāng)出現(xiàn)夾鎢時(shí),應(yīng)消除缺陷后方可繼續(xù)施焊。若采用多層焊,層間溫度控制在200℃以下,脫離保護(hù)罩溫度控制在400℃以下。⑥此外,設(shè)備在組對(duì)縱、環(huán)焊縫時(shí),要保持內(nèi)壁平齊,錯(cuò)變量不得超過壁厚的10%。要嚴(yán)格控制焊后的冷卻速度在適宜的范圍,通常為10~200℃/s。焊接時(shí)如發(fā)現(xiàn)藍(lán)色和灰白色,必須磨掉(磨光機(jī)應(yīng)在低速下使用,以防高速時(shí)金屬著火氧化),重新焊接。

4、結(jié)語

在某化學(xué)工程通過對(duì)三臺(tái)鈦設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝、焊接中,所用技術(shù)措施對(duì)鈦設(shè)備焊接裂紋的控制方面起到了積極作用,有效 地控制了在焊接過程中裂紋的產(chǎn)生,并成功地修補(bǔ)了二處裂紋,經(jīng)著色檢查后全部為合格,其效果令人滿意。

歸納起來鈦設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的焊接過程,關(guān)鍵的幾個(gè)要點(diǎn)必須控制好,即打磨———清洗———環(huán)境———保護(hù)—— —參數(shù)———焊接———后處理,這些節(jié)點(diǎn)每一個(gè)都很重要,缺一不可,必須認(rèn)真對(duì)待。實(shí)踐證明,只要嚴(yán)格按照規(guī)定和適宜的工藝參數(shù)進(jìn)行施工,就能制造焊接出滿意合格的產(chǎn)品。

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