TA2+16MnR復(fù)合板焊接技術(shù)在冷凝器上的應(yīng)用

黃向紅

（四川機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川攀枝花617064）

1　概述

鈦及其合金具有顯著的耐蝕性，這是由于它與氧的親和力強(qiáng)，會在表面生成一層致密的氧化膜，阻止介質(zhì)的腐蝕。在大多數(shù)水溶液中，鈦及其合金都能在表面生成一層鈍化膜，因此，在酸、堿、鹽水溶液和氧化性介質(zhì)中，鈦及其合金表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性，比現(xiàn)有的不銹鋼和其他常用有色金屬的耐腐蝕性好，被大量用于各種熱交換器、化學(xué)反應(yīng)容器材料及防腐蝕領(lǐng)域。

圖1照片所示為攀煤化公司煤氣凈化車間回收二系氨氣處理冷卻器。過去氨氣處理冷卻器采用不銹鋼材質(zhì)制造，由于介質(zhì)的腐蝕性很強(qiáng)，設(shè)備的使用壽命很短，因此決定改用鈦材來制造。考慮到全部使用純鈦材成本太高，而鈦鋼復(fù)合板既具有鈦復(fù)層優(yōu)良的耐蝕性，又具有基層碳鋼的強(qiáng)度和塑性，可以節(jié)約鈦材，降低成本，因此決定采用TA2+16MnR鈦鋼復(fù)合材料（12 mm+2.0 mm)作為氨氣處理冷卻器的筒體材質(zhì)，這樣一來，保證鈦鋼復(fù)合板的焊接質(zhì)量就顯得尤為重要。

圖1　氨氣處理冷卻器照片

2　TA2與16MnR的性能特點

TA2是工業(yè)純鈦，盡管其強(qiáng)度不高，但具有優(yōu)良的塑性、韌性和抗腐蝕性能，多用于化學(xué)工業(yè)和石油工業(yè)的耐腐蝕容器、管道等的制造。根據(jù)JB/T 4745—2002《鈦制焊接容器》標(biāo)準(zhǔn)，TA2的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1和表2。16MnR是鍋爐壓力容器用低合金高強(qiáng)鋼，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表3和表4。

表1　復(fù)層TA2（工業(yè)純鈦）的化學(xué)成分　%

表2　復(fù)層TA2的力學(xué)性能

表3　基層16MnR的化學(xué)成分　%

表4　基層16MnR的力學(xué)性能

3　TA2+16MnR復(fù)合板的焊接性分析

TA2+16MnR鈦鋼復(fù)合板是以16MnR為基層，以工業(yè)純鈦TA2為復(fù)層，以爆炸或軋制等方法制成的雙層復(fù)合板。基層16MnR主要用來滿足焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的強(qiáng)度和剛度要求，復(fù)層TA2則用以滿足耐腐蝕等特殊性能要求。因TA2與16MnR在化學(xué)成分、金相組織、物理性能等方面差異很大，這就大大增加了焊接難度。并且Ti與Fe互熔會形成TiFe和TiFe2等脆性化合物，使焊縫塑性嚴(yán)重下降甚至產(chǎn)生裂紋。因此，TA2和16MnR不具有良好的異種金屬焊接性，需對其焊接性進(jìn)行分析，以制定出合理的焊接工藝措施。

3.1　TA2焊接性分析

3.1.1氣體及雜質(zhì)對TA2焊接性能的影響

TA2的熔點為1 680℃，在常溫下，由于其表面致密的氧化膜使得其性能非常穩(wěn)定，但在高溫下呈現(xiàn)出很強(qiáng)的化學(xué)活潑性。高溫時Ti在空氣中具有強(qiáng)烈吸收H，O和N的作用。空氣中的固態(tài)Ti從250℃開始吸收H，從400℃開始吸收O，從600℃開始吸收N；另外，當(dāng)溫度達(dá)到400℃以上時，除了H，O和N以外，還和其他諸如C，F(xiàn)e和Si等雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而降低焊接接頭的塑性和韌性，增加強(qiáng)度和脆性，在焊接應(yīng)力作用下易產(chǎn)生裂紋。

3.1.2焊接接頭易產(chǎn)生裂紋

TA2的導(dǎo)熱性差，導(dǎo)熱系數(shù)低，熱容量小，如果熔池停留時間長，冷卻速度變慢，焊縫晶粒就會由于過熱而變得粗大，在冷卻收縮過程中，由于焊接拉應(yīng)力的作用，再加上低塑脆化原因，很容易使焊縫產(chǎn)生裂紋。由于TA2含S，P和C等雜質(zhì)的量很少，且高溫強(qiáng)度高，塑性好，凝固時焊縫收縮量小，因而焊接接頭產(chǎn)生熱裂紋的可能性較小。TA2焊接時，熱影響區(qū)易產(chǎn)生冷裂紋，這是由于焊接過程中H由溫度高的熔池向溫度較低的熱影響區(qū)擴(kuò)散，由于此時的α相含有過飽和氫，在發(fā)生共析反應(yīng)后析出TiH2，H含量的增多會使該區(qū)析出TiH2的量增加，從而增大了熱影響區(qū)脆性，另外由于氫化物析出時體積膨脹引起較大的組織應(yīng)力，再加上H原子向該區(qū)的高應(yīng)力部位擴(kuò)散和聚集，以及焊接殘余應(yīng)力的作用，以致焊后產(chǎn)生冷裂紋。

3.1.3焊縫中易產(chǎn)生氣孔

由于焊接溫度高，TA2對H，O和N的親和力加強(qiáng)，所以氣孔成了TA2鈦及其合金最常見的缺陷之一。氣孔的存在不僅會引起應(yīng)力集中而且還會使整個焊接接頭的塑性、耐疲勞強(qiáng)度、壽命等降低。TA2焊接時主要產(chǎn)生的是H2孔，也有CO氣孔。

3.1.4焊接時應(yīng)預(yù)防焊接變形

Ti的彈性模量小，約為低碳鋼的一半，焊接變形大；冷變形的回彈能力強(qiáng)，約為不銹鋼的2～3倍，故矯形困難。因此，焊接中應(yīng)采取有效措施預(yù)防焊接變形。

3.1.5焊接時應(yīng)避免Fe污染

Fe對TA2的耐腐蝕性能也有很大的影響。Fe會在富鐵相區(qū)與α相區(qū)建立起自發(fā)電池，產(chǎn)生電偶腐蝕，特別是在焊縫和熱影響區(qū)會產(chǎn)生“優(yōu)先腐蝕”；同時Fe污染會導(dǎo)致TA2吸氫加速，形成氫致裂紋，造成氫脆破壞。因此，TA2焊接過程中，要避免Fe污染。

3.2　TA2+16MnR復(fù)合板對接焊焊接特點

TA2+16MnR復(fù)合板對接焊時，為了保證復(fù)合鋼板保持原有的綜合性能，復(fù)層和基層必須分別進(jìn)行焊接，基層16MnR是壓力容器常用鋼材，焊接性良好，采用已有的成熟焊接工藝能保證焊接質(zhì)量，可以滿足復(fù)合鋼板對強(qiáng)度、剛度和韌性等力學(xué)性能要求。復(fù)層TA2是工業(yè)純鈦，焊接時要選擇合適的焊接材料和焊接工藝，以避免產(chǎn)生冷裂紋，同時應(yīng)滿足設(shè)備運行時對耐蝕性的要求。由于TA2與16MnR直接熔焊會形成脆性熔合物，嚴(yán)重降低焊縫的塑性甚至產(chǎn)生裂紋，因此對基層與復(fù)層交界處只能采取間接熔焊焊接。

4　TA2+16MnR復(fù)合板焊接工藝

4.1　焊前準(zhǔn)備

4.1.1焊件的切割

TA2+16MnR復(fù)合板切割必須用機(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20 mm的范圍內(nèi)用砂輪和不銹鋼絲輪打磨出金屬光澤，用刮刀修正坡口的毛刺和鈍邊后再打磨光滑。

4.1.2焊前清理

做好復(fù)層TA2的焊前清理工作是非常重要的。污物易在焊縫中產(chǎn)生氣孔和非金屬夾雜，一旦焊接材料及焊件不干凈會使焊縫的塑性和耐腐蝕性顯著下降。因此，應(yīng)特別注意TA2+16MnR鈦鋼復(fù)合板的焊前清理工作。

常用的清理方法有兩種:①機(jī)械清理，用切削加工、噴砂、噴丸或鋼絲刷清除焊接區(qū)的污物和氧化皮等；②化學(xué)清理，將焊件在酸洗液中進(jìn)行清洗，去凈焊件表面氧化物，至呈銀白色為止。酸洗后的工件要在流動的清水中洗凈，焊前再用丙酮或酒精將焊件焊接區(qū)域的表面擦凈。如清洗后4 h未施焊,焊前應(yīng)重新清洗，表面需要擦拭時，須用綢布。

鈦貼條及鈦焊絲需用3%HF+w35%HNO3酸洗液清洗。酸洗后必須用清水沖洗，然后烘干，酸洗至施焊的間隔時間不應(yīng)超過2 h，同時，酸洗后應(yīng)確保不受二次污染。

4.1.3焊接方法的選擇

由于鈦及其合金的化學(xué)活性強(qiáng)，易被O，N和H污染，所以不能采用一般的手工電弧焊或CO2氣體保護(hù)焊等焊接方法施焊。TA2必須在惰性氣體保護(hù)下焊接，不但熔池處要進(jìn)行保護(hù)（利用槍體保護(hù)），而且應(yīng)對焊后剛開始冷卻時的焊縫和熱影響區(qū)也要進(jìn)行保護(hù)（后拖裝置保護(hù)），即300℃以上區(qū)域均應(yīng)進(jìn)行惰性氣體保護(hù)。手工鎢極氬弧焊是最常用的焊接方法。

4.1.4焊接材料的選擇

正確選擇焊接材料是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。從保證接頭焊接質(zhì)量考慮，基層16MnR的焊接需采用E5O15手工電弧焊焊條；TA2是工業(yè)純鈦，所選用焊絲在正常焊接工藝下，應(yīng)使焊縫的抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的下限，同時焊縫的塑性不低于母材或與母材相當(dāng)，所用焊絲應(yīng)具有與母材相當(dāng)?shù)哪臀g性。焊絲中的N，O，C，H和Fe等雜質(zhì)元素的含量上限值應(yīng)大大低于母材中雜質(zhì)元素的標(biāo)準(zhǔn)含量上限值。一般不允許從所焊母材上裁條充當(dāng)焊絲。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4745—2002，本次施焊采用的焊絲牌號為STA2R，其化學(xué)成分見表5。

表5　STA2R焊絲的化學(xué)成分　%

焊前將焊絲放在專用的酸洗槽內(nèi)，嚴(yán)格按規(guī)定進(jìn)行酸洗。然后將焊絲放在保溫箱內(nèi)隨用隨取，并用白絲綢滲入丙酮擦洗后再焊接。

氬氣的純度將直接影響TA2焊縫的硬度和韌性，對焊接裂紋的產(chǎn)生也有著明顯的影響。所以要求TA2焊接時所使用的氬氣必須是高純氬氣（99.99%），雜質(zhì)的總體積分?jǐn)?shù)小于0.02%，相對濕度小于5.0%，露點在-50℃以下，H2的體積比小于0.001 mL/L，且符合JB/T 4745—2002規(guī)定,當(dāng)瓶裝氬氣壓力低于0.5 MPa時不宜使用。

焊接基層16MnR鋼采用的手工電弧焊焊條牌號為E5O15，焊前需經(jīng)350～450℃烘干1 h，然后放在100℃保溫箱內(nèi)隨用隨取。

4.1.5焊件的坡口設(shè)計與組對

為保證焊接質(zhì)量，避免基體16MnR鋼焊接中污染復(fù)層TA2，鈦復(fù)層采用搭接焊形式，所以在設(shè)計焊接坡口時,冷卻器縱縫、環(huán)縫基體選擇V 形坡口， 坡口角度 60°～70°， 鈍邊取1～2 mm，焊接間隙取1.5～2.0 mm；基板對接坡口內(nèi)壁應(yīng)平齊，錯口值不應(yīng)超過壁厚的10%，且≤1 mm。TA2+16MnR復(fù)合板焊接接頭形式如圖2所示。

圖2　TA2+16MnR復(fù)合板焊接接頭形式示意圖

坡口組對時，定位焊縫應(yīng)與正式焊接采用的焊接材料及焊接工藝相同，即所選用的焊絲、焊條、焊接工藝參數(shù)及氬氣保護(hù)條件都應(yīng)與正式焊接時相同。焊前應(yīng)對焊絲表面和焊接坡口及其兩側(cè)各20 mm范圍內(nèi)的氧化物、油污、水分、銹蝕等進(jìn)行清理，并且應(yīng)由合格焊工施焊。

4.2　焊接工藝參數(shù)及焊接順序的確定

TA2+16MnR復(fù)合板對接接頭的焊接順序為:對基層16MnR鋼手工鎢極氬弧焊打底→手工電弧焊填充→背面機(jī)械打磨清根→背面手工電弧焊填充及蓋面→基層檢驗→填入鈦貼條→鈦蓋板與鈦復(fù)層的點焊和焊接。焊接工藝參數(shù)見表6。

表6　TA2+16MnR復(fù)合板焊接工藝參數(shù)

4.3　焊接操作

4.3.1基層焊接

（1）氬弧焊打底。TA2+16MnR復(fù)合板焊接時，復(fù)層TA2受熱循環(huán)的影響較大，因此基體打底焊時必須嚴(yán)格控制焊接線能量，防止因焊接區(qū)域過熱而引起復(fù)層TA2的變形和污染。進(jìn)行手工氬弧焊時，除了對焊縫正面充氬保護(hù)外，焊縫背面也應(yīng)充氬氣保護(hù)并降溫。

（2）填充焊接。填充層采用手工電弧焊，焊接時必須采用短弧操作，以防止焊縫金屬增氧、產(chǎn)生氣孔而使焊接接頭力學(xué)性能降低。

基體焊縫焊完經(jīng)檢驗合格后再進(jìn)行鈦貼條對接的點焊及焊接。

4.3.2鈦蓋板與鈦復(fù)層搭接焊

氬氣的保護(hù)效果直接影響復(fù)層TA2焊縫的質(zhì)量，無論是焊接過程還是焊后冷卻過程都必須將焊縫與熱影響區(qū)中溫度高于300℃的區(qū)域置于氬氣的良好保護(hù)之下。所以除了正面從焊槍通氬氣保護(hù)焊縫外，還要采取措施進(jìn)行后拖保護(hù)。

氬弧焊時采用左向焊法，焊槍噴嘴盡量與被焊工件垂直，焊絲與焊件間應(yīng)盡量保持最小夾角（10°～15°）， 鎢極伸出長度和噴嘴離焊件表面距離盡量小，以獲得良好的氬氣保護(hù)效果。

5　焊后質(zhì)量檢驗

5.1　外觀檢查

對鈦復(fù)層焊縫和熱影響區(qū)表面用10倍的放大鏡進(jìn)行100%檢查，沒有裂紋、咬邊、氣孔、夾渣、未熔合、弧坑和飛濺等缺陷，焊縫外也沒有打弧點。焊縫及熱影響區(qū)表面顏色80%以上為銀白色和金黃色，其余為淡藍(lán)色，對比標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4745—2002中表10-5規(guī)定，質(zhì)量合格。

5.2　內(nèi)部檢查

按標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4745—2002中10.5規(guī)定:筒體縱縫、環(huán)縫對接焊縫的基層經(jīng)100%射線檢驗，為Ⅱ級合格。

5.3　力學(xué)性能

按標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4745—2002標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行力學(xué)性能試驗，筒體縱縫Rm為515 MPa/530 MPa、筒體環(huán)縫Rm為520 MPa/535 MPa；正面、背面彎曲試驗（D=10 s， 180°）完好。

6　結(jié)語

對TA2+16MnR復(fù)合板的焊接性進(jìn)行了分析，設(shè)計了合理的鈦鋼復(fù)合板焊接接頭，制定了合理的焊接工藝，并加強(qiáng)了焊接過程的工藝控制，最終獲得了滿意的焊接接頭。

將設(shè)計的焊接工藝應(yīng)用于實際產(chǎn)品的焊接，焊后用5～10倍放大鏡檢查焊縫無裂紋、氣孔、未熔合等缺陷；按JB/T 4745—2002標(biāo)準(zhǔn)對筒體（TA2+16MnR復(fù)合板）縱縫、環(huán)縫的焊接接頭用X射線探傷檢測II級合格，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。對筒體按規(guī)定進(jìn)行水壓試驗，經(jīng)檢查無滲漏，無明顯的異常變形。

從煤化工廠冷凝器水壓試驗和投入運行以來的情況看，質(zhì)量穩(wěn)定。因此，TA2+16MnR復(fù)合板采用上述焊接工藝是行之有效的。

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