钛焊接工艺
内部编号：（YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128）
工业纯钛焊接工艺试验及焊接接头质量控制
齐鲁石化公司检修公司聂振海
钛及钛合金具有比重小，强度高及良好的高、低温性能，它在湿氯气中，氧酸盐、尿素、硝酸、石酸、石炭酸等大多数酸、碱、盐介质中有优异的抗裂性能和耐腐蚀性能，使之成为一种前景广范的新型结构材料，越来越广泛地应用在石油化工、军工、宇航、制药等各个领域。

但是，由于钛在高温下，有很强的化学活泼性，熔点高，热熔量小，导热性差等特点，因此它的可焊性具有与碳钢、普通低合金钢、不锈钢、铝、铜等不同的显着特点。

为了广开生产门路，适应我公司化工生产的需要，我们进行了工业纯钛焊接工艺试验及焊接接头质量控制的专题研修。

现简述如下：
一、工业纯钛的种类及性能
工业纯钛的牌号用汉语拼音字母TAx表示。

TAD是碘法钛，TA
4—TA
8
、
TB
2、TC
1
~TC
10
是钛合金。

工业纯钛有TA
1
、TA
2
、TA
3
，其化学成分及常温机械
性能见表1。

工业纯钛的化学成分及板材的室温机械性能表1
钛的机械性能与纯度有关，钛纯度越高，强度越低，但塑性增加。

杂质与钛形成脆性化合物，使塑性、韧性急剧降低，因此，钛中杂质受到严格限制。

钛与钢、铝、铜的部分物理性能比较见
表2。

钛与钢、铝、铜的部分物理性能比较表2
钛的导热系数小，比热小，电阻系数大，与不锈钢相比在焊接时，所需功率还要小，而且焊透性也较好。

二、工业纯钛的可焊性特点
1、高温下易氧化
工业纯钛的化工性质非常活泼，虽然常温下比较稳定，但在高温下易吸收氢、氧、氮等气体而变脆，使塑性显着下降。

为了防止上述有害气体的污染，在焊接时需要采用特殊的工艺措施。

- - -
2、焊接线能量对焊接接头性能的影响
工业纯钛焊接接头的强度与母材相近，而塑性则明显比母材低，过热区最低。

分析其原因有两个方面：
一方面由于钛材熔点高，导热性差，比热小，因此焊缝及过热区高温停留时间长，冷却速度慢，致使过热区出现粗大的晶粒，从而使塑性低。

另一方面，如果焊缝冷却速度很快时，会出现β相α相无扩散型转变。

这种转变类似钢中的马氏体转变。

而α相又不同于钢中的马氏体，它的过饱和程度较低，冷却越快；过饱和程度越高，α相越细密，塑性就越低。

因此，工业纯钛焊接时应选择适当的线能量，使热影响区的冷却速度既不过慢，又不过快，从而防止晶粒严重长大及过量细小的α相存在。

3、焊接变形及冷裂纹倾向严重
由于钛材弹性模量比钢小，所以在同样的内应力情况下，钛的焊接变形大，而且回弹大，所以又难以矫正。

工业纯钛焊接时，有时会出现延迟裂纹。

氢是引起焊接裂纹的主要原因。

量增加，使其脆性增裂纹多出现在热影响区，该区含氢量高，从而析出TiH
2
加。

另外，析出氢化物时体积膨胀引起较大的组织应力，再加上氢原子向高应力区扩散及聚集，导致裂纹产生。

减少焊接变形，防止裂纹的办法是采用正确的焊接程序，减少焊接接头上氢的来源。

4、易产生气孔
气孔是工业纯钛焊接中较常见的一种工艺缺陷。

主要是氢气孔。

钛焊缝气孔往往分布在熔合线附近，这是钛气孔一个特点。

防止产生气孔主要是减少氢的来源。

使用高纯度的氩气，焊件及焊丝表面要认真清洗，去除水分、油污、氧化皮、有机纤维及吸附的气体杂质。

此外，要配合适宜的焊接工艺，如焊接速度等。

三、工业纯钛的焊接工艺要点
1、焊接环境：焊接环境要求通风、干燥、无尘并与钢结构预制场所隔离。

风速小于2m/秒，以室内（或棚内）作业为好。

湿度小于90%。

2、焊接器材
焊丝的化学成分和力学性能要与母材相当，要求高塑性时，纯度应比母材高。

氩气纯度大于等于%，水分小于等于50ml/m3，露点低。

焊机应有高频引弧、电流衰减和气体延时保护装置。

氩气纯度对对接接头表面颜色及接头弯曲角的影响表3
板材，板厚1.5mm
TA
3
采用软塑料管输氩气。

喷嘴直径φ12~16mm。

选用铈钨极（或钍钨极），钨极磨削成图1所示形状。

图1坡口形式图2 坡口形式
3、焊前准备
坡口采用机械方法加工。

坡口形状见图2。

坡口及焊丝的清理。

焊前应认真对焊丝及坡口进行清理，这是工业纯钛焊接中重要的一步。

清理方法可采用机械清理：用细锉、奥氏体不锈钢丝刷或铣刀等，和化学清洗的方法。

化学清洗方法见表4。

钛合金酸洗溶液配方及规范表4
将焊丝表面及坡口两侧25mm以内的氧化皮、油脂、毛刺和污物清理干净。

最后用绸布沾丙酮或乙醇擦洗，以彻底除去油污及水分。

清理完后必须在4小时内焊完，否则要重新清理。

清理过的焊丝应在150~200℃下保温使用，取用时应戴清洁手套。

4、定位焊
工业纯钛的定位焊，一定要采用与正式焊接完全相同的焊接材料和焊接工艺，- - -。

点焊处不得有裂纹、气孔、夹渣及氧化变色等缺陷，一旦发现缺陷应及时消除重焊。

定位焊长度10mm左右，间距150~200mm，高度不超过壁厚的2/3。

5、焊接方法
工业纯钛采用手工钨极氩弧焊。

手法采用左焊法，见图3、图4。

直流正接。

焊接位置采用平
焊接方向
图3 板材试件焊接方式图4 管状试件焊接方式
焊和管口的转动焊。

在不妨碍观察的前提下，弧长越短越好，不摆动或少摆动。

焊接层数越少越好，以免引起晶粒粗大。

6、焊接工艺参数
焊接工艺参数见表5。

焊接工艺参数表5
宜采用较小的焊接规范。

热输入量小于、等于35000J/cm，层间温度小于、等于200℃，小电流和较慢的焊接速度。

这样即可以防止过热产生粗晶，又可防止或减少气孔、裂纹、咬边等焊接缺陷。

7、- - -
四、工业纯钛的焊后检验
1、焊道表面色泽的检查
焊道表面色泽的检查，是检验工业纯钛是否被氧化，检查保护效果好坏重要的一环。

每层每道焊道都应进行检查，发现不合格焊道应清除重焊。

合格标准见表6。

焊道色泽检查合格标准表6
最后焊道也可用酸洗法确定是否合格，经酸洗除去颜色者为低温氧化，不能除掉的为高温氧化。

焊缝酸洗技术条件表7
2、底层焊道均应将进行渗透探伤。

3、对接接头应100%进行X射线探伤检验，合格标准见SHJ502—86中国石油化工总公司标准“钛管道施工及验收规范”第4.4.2条。

图9 无特殊保护措施情况下焊道表面氧化情况。