钛管道的焊接大会优秀奖.docx

1、钛管道的焊接大会优秀奖 钛管道的焊接 中国石化集团第十建设公司 袁转东 魏家斌 杜少卿 摘 要 本文结合天津石化公司25万吨/年PTA装置的钛管道焊接工程，详细叙述了如何进行钛管道的焊接。关键词 活动对口卡具、保护气体 托罩 气体置换 检测1 前言钛金属因其优异的力学性能和耐腐蚀性能，正日益被航天、造船和石化等行业广泛应用；但是，由于钛金属具有较强的的高温化学活性，也使其成为一种较难焊接的一种金属。本文结合我公司在天津石化公司25万吨/年PTA装置的钛管道焊接工程，详细叙述如何进行钛管道的焊接。2 钛金属的特性钛是一种银白色金属，具有密度小、熔点高、线膨胀系数小和导热性差等特点。钛与氧的亲和力

2、很强，在室温条件下就能在表面生成一层致密而稳定的氧化薄膜，由于氧化薄膜的保护作用，从而使钛具有了良好的耐酸、碱腐蚀性能。钛通常有两种晶格结构，在882以下为密排六方晶格结构，称为钛；在882以上为体心立方晶格结构，称为钛。常用钛金属的牌号、化学成分和力学性能见表1。表1 常用钛金属的牌号、化学成分和力学性能牌号化 学 成 分 （%）室温力学性能常用焊材主要成分杂 质（不大于）抗拉强度b(MPa)延伸率（%）TiFeSiCNHOTi1基0.250.100.100.030.0150.20370-53020E-Ti1Ti2基0.300.100.100.050.0150.25440-62018E-Ti

3、2钛金属在常温下的化学性能比较稳定，但随着环境温度的升高，其化学活性急剧增大，对空气中氧、氮、氢等杂质的吸收能力也随之急剧增强，在固态下就有很强的吸收各种气体的能力。研究资料表明， 钛从250开始吸收氢， 从400开始吸收氧，从600开始吸收氮，且随着温度的提高，其吸收能力也随之增强。当钛金属在吸收了一定数量的氧、氮、氢等气体杂质之后，其屈服极限和延伸率等性能将急剧下降。3 钛金属的焊接性分析3.1 焊接脆性分析虽然钛金属在常温下化学性能比较稳定，但在焊接过程中，由于熔池金属、液态熔滴和熔合区及热影响区均处于高温状态，故其化学活性急剧增大，具有极强的吸收空气中氧、氢、氮等杂质的能力。当钛金属在

4、焊接过程中吸收了一定数量的氧、氢、氮等杂质后，其焊接接头性能将产生以下变化：（1）钛金属在高温焊接状态下吸收的氧，将熔入金属晶格间隙，形成间隙固溶体使金属晶格发生畸变，增大晶粒滑移阻力，产生固溶强化，从而导致焊缝金属变脆、韧性下降。（2）钛金属在高温焊接状态下吸收的氮，同样会熔入金属晶格间隙，形成间隙固溶体使金属晶格发生畸变，增大晶粒滑移阻力，产生固溶强化，从而导致焊缝金属变脆、韧性下降；当在高温焊接过程中吸收了较多数量的氮后，其焊缝金属中会析出脆性较大的氮化物，导致焊缝塑性的急剧下降。（3）钛金属在高温焊接状态下随着吸收氢数量的增加，焊缝中会析出片状或针状的TiH2, 由于TiH2的强度较低

5、，将导致钛金属抗冲击性能的急剧下降。综上所述，在钛金属的焊接过程中，为保证焊缝金属的力学性能，必须采取相应的保护措施，以减少焊接过程中对氧、氮、氢等气体杂质的吸收，防止因吸收气体杂质后引起焊接接头的脆化。3.2 焊接裂纹分析钛金属在焊接过程中极易出现焊接裂纹，其焊接裂纹主要分为热裂纹和冷裂纹。 3.2.1焊接热裂纹分析钛金属中的硫、碳等杂质含量较少，因此，很少有低熔点共晶物在晶界生成；但由于钛金属的有效结晶温度区间较窄、焊缝凝固时收缩量较小，故其热裂纹敏感性较低。当母材或焊材质量不合格，特别是当母材或焊材有裂纹、夹层等缺陷时，由于裂纹、夹层等缺陷处往往积聚大量的有害杂质，在焊接过程中易进入焊缝

6、，导致焊缝产生热裂纹。3.2.2 焊接冷裂纹分析当在焊接过程中焊缝吸收了较多数量的氧、氮气体杂质时，焊缝或热影响区的性能将变脆，在较大的焊接应力作用下，将产生焊接冷裂纹。同时，在焊接时由于熔池中的氢和母材金属低温区的氢向热影响区扩散，引起氢在热影响区含量增加，从而导致焊缝中的片状或针状的TiH2析出的增加，使焊缝或热影响区的脆性增大。另外，在焊缝金属内的氢化物析出的同时，焊缝金属由于体积膨胀会产生较大的组织应力；再加上氢原子具有很强的向较低温度的热影响区内的高应力部位扩散、聚集的能力，致使这些部位形成薄弱环节，从而导致焊接延迟裂纹的产生。3.3 焊接气孔分析焊接气孔是钛金属焊接过程中的一种主要

7、焊接缺陷，最常见焊接气孔是氢气孔，多数产生在焊缝中部和熔合线附近。焊接气孔的产生主要有以下原因：（1）氩气纯度不够、流量控制不当，氩气保护效果不好；（2）母材、焊丝表面的氧化膜及油污等杂质清除未净，经焊接高温分解后的氢熔入熔池，冷却结晶过程中来不及逸出时，便在焊缝金属内部集聚形成气孔。3.4 粗晶倾向分析由于钛金属熔点高、导热性差(比钢的导热性低4倍多)、比热小, 因此，在焊接时易形成较大的熔池，且冷却速度慢，致使热影响区的高温过热停留时间较长 (为相同条件下钢的2.5-3倍) ，从而导致了焊缝晶粒粗大倾向的产生。4 钛管道的焊接4.1 钛管道的焊接方法和焊接工艺流程钛管道的焊接必须采用钨极氩

8、弧气体保护焊焊接工艺，钛管道的焊接工艺流程见图4.1。图4.1 钛管道焊接工艺流程图4.2 钛管道的焊接材料4.2.1氩气钛管道的焊接应选用一级氩气，氩气纯度应不低于99.99%， 露点应在-40以下，杂质总含量应小于0.02%，水分应在0.001mg/L 以下。4.2.2 焊丝钛管道焊接用焊丝的成分应与母材金属相同，其表面不得有烧皮、裂纹、氧化色或金属、非金属夹杂等缺陷存在，焊丝在焊接前应进行烘干。常用钛金属焊丝的牌号见表1。4.3 钛管道施工的焊前准备4.3.1 焊接坡口形式的选择在选择钛管道的焊接坡口形式时，应考虑尽量减少焊接层数和金属填充量，以降低焊缝的累积吸气量，防止焊接接头塑性下降

9、。钛管道的焊接坡口形式及尺寸见图4.3.1。图4.3.1 焊接坡口形式及尺寸4.3.2 焊件的清理和焊接坡口及焊丝的氧化膜清除4.3.2.1焊件的清理钛管道焊接前，应采用机械或化学清洗方法，对焊接坡口及其两侧各50mm范围内的氧化皮、油脂和污染物等进行彻底清理。4.3.2.2 焊接坡口及焊丝的氧化膜清除焊件清理后的坡口和焊丝应用机械清理或化学清洗方法进行氧化膜的清除。a、氧化膜的机械清理用不锈钢丝刷等机械方法对焊接坡口和焊丝表面的氧化膜进行清除，清理工具应专用并保持清洁。b、氧化膜的化学清洗用配置的酸洗溶液对焊接坡口和焊丝进行酸洗,以清除其表面的氧化膜，酸洗后，应用清水冲洗并用丝布擦干；酸洗后

10、的焊接坡口和焊丝金属表面应呈现银白色。4.4 焊接坡口的组对和定位焊4.4.1 焊接坡口的组对为了减少在钛管道坡口组对过程中铁离子对已完成清理的坡口的污染，保证焊口的组对质量，应特制非焊接式专用活动对口卡具进行辅助对口。采用专用活动对口卡具辅助对口，既可避免组对过程中使用铁质连接固定板造成铁离子对焊接坡口的污染，也可在焊口组对时通过调节丝杠，使焊口保证同心，防止对口错边现象的产生。活动对口卡具见图4.4.1 。图4.4.1 活动对口卡具示意图4.4.2 使用活动对口卡具对钛管进行组对的步骤如下：（1） 在距组对焊口100mm处，使用两个活动对口卡具将管口卡紧、固定；（2） 通过调整丝杠、钢构架

11、，使组对焊口坡口之间预留1-2mm的间隙；（3） 通过上、下调整丝杠，使组对焊口达到同心。4.4.3 焊接坡口定位焊焊接坡口定位焊是减少焊接变形的措施之一，钛管口组对定位焊时，定位焊点的间距应以100-150mm为宜，定位焊点的长度应以10-15mm为宜。定位焊所用的焊丝、焊接工艺参数及保护气体等条件应与正式焊接相同。5 焊接管口内、外部气体的置换和保护5.1焊接管口内部气体的置换和保护在焊接管口组对完成以后，应先进行管口内部的气体置换。为保证管口内部气体的置换质量，需特制管口内部气体置换装置，对管口内部的气体进行置换。内部气体置换装置根据管径不同，分为两类：（1）内保护紫铜防护气罩对于管径大

12、于18钛管道来说，常用的气体置换的方式是：人进入管道内部，沿焊道贴一圈U型紫铜气罩，紫铜气罩铺设完成以后，使用高温胶带在管道内部进行密封，使管道内部隔绝空气，处于紫铜防护气罩的保护之下。焊接前，在进行管道内部气体置换时，首先在管道外部使用高温胶带将焊道密封，上端预留一处气孔，然后通过紫铜防护气罩下端的进气孔向紫铜防护气罩内部的封闭空间通氩气进行气体置换，在进行气体置换过程中，紫铜防护气罩内多余的空气通过焊道上端的预留孔溢出。（2）管口内气体置换装置对于管径小于18的钛管道来说，常用的气体置换的方式是使用特制的管口内气体置换装置。管口内气体置换装置由两段不锈钢堵头、密封胶皮和进出气接头等组成。在

13、进行管口内部气体置换时，应先用不锈钢堵头，在焊接管口内部隔出约200mm左右的空间；接着用高温胶带将焊口粘贴封闭，使焊口内部形成一段封闭区间；然后向管口内的封闭区间填充氩气，并逐步将封闭区间内的空气通过出气孔完全排出，使焊接管口内部完全处于氩气的保护之下，且其充氩过程须一直持续到焊接完成、焊缝金属冷却到 200以下方可停止。 5.2 焊接管口外部气体的置换和保护基于钛金属所具有的高温化学活泼特性，在焊接过程中仅依靠氩弧焊焊枪喷嘴喷射出的氩气对高温焊接状态下的高温焊道及其热影响区进行保护，是无法保证焊接质量的。为了增大钛管焊接过程中的氩气保护面积、延长氩气保护时间，保证焊接质量，必须特制管道外部

14、气体置换保护装置，对在高温状态下的焊接熔池和热影响区及其焊缝金属进行焊接辅助保护。在钛管道焊接过程中，根据管道的管径不同，制作的管道外部气体置换保护装置的形状是不同的，管径在2以下的钛管，我们使用全管道保护紫铜皮气罩进行全管道保护, 管径在2以上的钛管，我们使用外保护气体托罩进行气体保护。同样也分为两类：（1）全管道保护紫铜皮气罩管径在2以下的钛管，由于管径较小，为了保证气体保护效果，管道外部使用全管道保护紫铜皮罩进行全管道保护。在进行管道外部空气置换时，先将制好的全管道保护紫铜皮罩套进管道，然后使用高温胶带进行密封，在焊道外部形成一个与周围空气隔开的封闭空间。然后通过全管道保护紫铜皮罩上的输

15、氩管对紫铜皮内部的封闭空间进行充氩，封闭空间内多余的空气通过焊道上端的预留孔溢出，最后由输氩管进入的氩气逐渐将已封闭在全管道保护紫铜皮罩范围内的空气完全排空，使处在封闭范围内的高温焊道及其热影响区，在整个焊接过程中始终处于氩气的充分保护之下，并持续到焊接完成、焊缝金属冷却到200以下方可停止。（2）外保护气体托罩管径在2以上的钛管，我们使用外保护气体托罩进行气体保护。焊接管口外部保护气体拖罩由输氩管、不锈钢丝网、拖罩外壳、焊炬等构成。在进行焊接管口外部的空气置换时，应先将焊接管口外保护气体拖罩放置在焊接管口外部，形成一个与周围空气隔开的半封闭空间，然后通过放置在拖罩下部的输氩管对气体拖罩内部进

16、行充氩，由输氩管进入拖罩的氩气，通过不锈钢丝网均匀地向外保护气体拖罩内部的半封闭空间扩散，并逐渐将已封闭在外保护气体拖罩范围内的空气完全排空，使处在外保护气体拖罩封闭范围内的高温焊道及其热影响区，在整个焊接过程中始终处于氩气的充分保护之下，并持续到焊接完成、焊缝金属冷却到200以下方可停止。在钛管道焊接过程中，应根据不同的管道直径制作不同形状、尺寸的外保护气体拖罩。常用的对接管口外保护气体拖罩见图5.2。图5.2 焊接管口外保护气体拖罩示意图6 焊接管口内、外部气体的置换和保护质量检测焊接管口内外的气体充氩置换工作完成后, 应进行试焊，通过观察焊道色泽来判断充氩置换和气体保护的质量，只有在确认

17、充氩置换和气体保护质量已经达到合格要求后，方可进行正式焊接。钛焊道的色泽检查表见表2。表2 焊道色泽检查表 焊道色泽(金属光泽)保护效果焊接质量银白色优合格金黄色良合格紫色蓝色低温氧化,表面污染合格高温氧化,污染严重不合格灰色保护不好,污染严重不合格暗灰色灰白色黄白色注：区别高温氧化和低温氧化的方法宜使用酸洗法，经过酸洗后能除去紫色和蓝色者为低温氧化,除不去者为高温氧化。7 钛管道的焊接工艺7.1钛管道的焊接必须采用钨极氩弧气体保护焊，且应采用直流正接；焊接用钨棒应磨成尖锥形。7.2 焊接工艺参数的选择鉴于钛管道焊接过程中易出现脆裂和晶粒粗大等倾向，故在进行钛管的焊接工艺参数选择时，为了防止焊

18、缝在高温过热区停留时间较长并避免焊后冷却过程中形成脆硬组织，应选用小规范进行焊接；焊接工艺参数选择前应进行焊接工艺评定。钛管的焊接工艺参数选择见表3。表3 焊 接 工 艺 参 数 选 择 表 焊件壁厚(mm)坡口形式焊 接层数焊丝直径(mm)钨极直径(mm)喷嘴直径(mm)电 流(A)电 压(V)焊速cm/min氩 气流 量(喷嘴)L/min氩 气流 量(拖罩)L/min氩 气流 量(管内)L/min3V形坡口22.02.42080-10012-147-158-1516-308-15632.02.42080-11012-147-1510-1516-308-15842.02.42090-1101

19、2-147-1510-1520-308-151052.02.420100-13014-167-1512-1520-308-157.3 焊接工艺技术要求7.3.1 参加钛管道焊接的焊接人员，焊前应进行专项焊接技术培训，掌握钛金属的材料特性、焊接工艺技术要求和焊接操作技术要领，取得相应焊接资格后，方可参加钛管道的焊接作业。7.3.2 钛管道的焊接施工，必须编制焊接工艺卡并按照焊接工艺卡规定的焊接工艺进行施焊，严格控制焊接线能量, 以减少焊接热输入，缩短在焊缝高温过热区的停留时间，防止形成脆硬组织和晶粒粗大现象的产生；焊接层间温度不得高于200。7.3.3 焊接过程中必须依据焊件的形状和尺寸制作并正

20、确使用外保护气体拖罩，以确保在焊接过程中对焊道、焊接热影响区的保护质量。7.3.4 为使焊接区域处于良好的保护状态, 焊枪喷嘴直径应选择12-20mm为宜，焊枪钍钨电极的伸出长度应在5mm左右为宜，电弧长度应保持在1-3mm范围内；焊枪喷嘴喷出的氩气应保持稳定层流。7.3.5 起弧时，焊枪必须提前送气，并采用高频引弧；息弧时，应使用电流衰减装置和气体保护装置；焊接弧坑必须填满；焊接时，粘贴在坡口处的高温胶带应随焊接随揭开。7.3.6 焊接过程中电弧应保持稳定，并避免钨极与焊件或焊丝接触造成夹钨；出现夹钨时应立即停止焊接，待消除缺陷后方可继续焊接。7.3.7 焊接过程中，填充焊丝的加热端应始终保

21、持在氩气的保护之下，息弧后应在焊缝脱离氩气保护时方可取出；焊丝如被污染或氧化变色时，其污染或氧化变色部分应予切除。7.3.8 随着焊接工作的持续进行,焊枪钍钨电极端部将逐渐被烧损,应随时对被烧损的钍钨电极端部用砂轮进行打磨, 以确保钍钨电极端部始终保持尖锥状。7.3.9 焊接过程中应密切观察焊道色泽，以确认气体保护效果和焊接质量。如在焊接过程中发现有明显的焊缝氧化现象时，应立即停止焊接，待查明原因并实施纠正处置后方可继续焊接。7.3.10 现场施焊时，必须采取防风措施，以防环境风对焊接保护气体流态的影响，确保氩弧气体的焊接保护效果。7.4 焊缝返修经无损检测发现的焊缝不合格部位，必须进行返修。

22、焊缝返修前，应对不合格焊缝进行不合格原因分析，针对不合格原因编制焊缝返修工艺卡，并按照焊缝返修工艺卡规定的焊缝返修工艺进行返修施焊。焊缝同一位置的返修不得超过两次。8 结束语了解钛金属的特性，做好钛管道焊接前的各种准备工作，是钛管道焊接成功的关键。以天津石化公司25万吨/年PTA装置工程施工为例，由我公司施工的钛管道焊口100X射线探伤，共透照398张胶片，合格率98.7%，工期提前6天，取得了较好的经济效益和社会效益。参考文献：1、焊接数据资料手册 机械工业出版社19942、焊接方法及设备 上海交通大学姜焕中 机械工业出版社19813、工程焊接手册 清华大学 原子能出版社 19804、有色金属焊接 顾曾迪等编 机械工业出版社19875、金属熔焊原理及工艺 周振丰编 机械工业出版社19836、金属手册 美国金属学会 机械工业出版社1984