鈦—鋼復合板煙囪鋼內筒焊接工藝與應用

張宏達ZHANG Hong-da；徐雋媛XU Jun-yuan

（神華寧煤煤制油項目部，銀川 750411）

（Coal to Oil Project Department，Shenhua Ningxia Coal Industry Group，Yinchuan 750411，China）

0 引言

本文詳細介紹了鈦-鋼復合板煙囪內筒焊接工藝以及施工中的應用，希望能夠為鈦-鋼復合板煙囪鋼內筒施工提供參考。

1 概況

神華寧煤煤制油項目動力站工程1#煙囪設計為雙管（240/2×Φ6m）套筒式煙囪。煙囪外筒為鋼筋砼結構，高232.5m；煙囪鋼內筒為內壁直徑為6m，高220.65m 的圓柱形鋼制排煙管，設計62m 膨脹節以上懸掛于煙囪210m 平臺鋼梁上，62m 膨脹節以下支撐于19.75 平臺，頂標高240m，底部標高19.35m。頂部高出頂層砼平臺7.5m。懸吊段高度5m，設計為20+1.2mm 厚的鈦鋼復合板；懸吊段上部高度26m，設計為10+1.2mm 厚的鈦鋼復合板；懸吊段下部至膨脹節之際設計為8+1.2mm 厚的鈦鋼復合板，膨脹節以下自立段設計為12+1.2mm 厚的鈦鋼復合板；總重量約860 噸。

2 鈦板的性能

鈦材由于韌性好、耐腐蝕和易于成型等優點，多用于煙囪鋼內筒及各種壓力容器、加熱器、反應釜和特殊設備中，但鈦材同時也具有熔點高，熱容大，導熱性差等特性。在施工過程中要比一般鋼材焊接復雜，焊接難度大，焊接技術要求高。

由于鈦在空氣中極易被氧化，鈦材焊接時，易產生氣孔、裂紋等缺陷；施焊過程中熔池從液態轉變成固態，焊縫和高溫熱影響區晶粒易長大，促使焊接接頭的朔性下降。由于鈦板造價比高，我國大多數先用復合板，這樣一來就給焊接接頭帶來了很大的困難，在制造工藝中選用的是板帶連接焊。在施工現場選用的是鈦板1.2mm-1.4mm 與鋼板爆破成型。

施工中選用鎢極氬弧焊加同質焊絲或不填加焊絲，在保護良好的條件下焊接接頭強度系數接近100%。

因此，焊接時對熔池、焊縫及溫度超過400℃的熱影響區都要加以妥善保護。焊接時評定鈦氬氣保護效果的好壞，最簡單的方法是利用目視確定焊縫表面上的顏色，如果焊接接頭保護良好，沒有氧化，則焊縫和熱影響區的金屬表面呈銀白色光澤；當該區呈其它顏色時，即所謂有一層非常薄的表面覆蓋薄膜時，這時的焊接接頭的冷彎性能有很大的差別。

鈦的熔化溫度高、熱容量大、電阻系數大、熱導率比鋁、鐵等金屬低得多。上述物理特性使鈦的焊接熔池具有更高的溫度、較大的熔池尺寸，熱影響區金屬在高溫下的停留時間長，因此，易引起焊接接頭的過熱傾向，使晶粒變得十分粗大，接頭的塑性顯著降低。故在選擇焊接規范時，應盡量保證焊接接頭（特別是熱影響區金屬）既不過熱，又不產生淬硬組織，一般采用小電流、高焊速的焊接規范。

煙囪鋼內筒鈦-鋼復合板焊接過程中焊縫易出現氣孔，氣孔是最常見的缺陷，它占鈦整個焊接缺陷的70%以上。

3 鈦-鋼復合板焊接工藝

3.1 焊前清理 鈦復層（TA2）的焊前清理非常重要，由于其清理的不細致引起污染的鈦材、鈦焊絲被使用，其危害是致命的。

鈦-鋼復合鋼板中鈦復層（TA2）焊接時，焊前應對鈦蓋板及鈦焊絲進行化學清洗，酸溶液用HNO3、HF、H2O 混合配制，清洗后必須用清水沖凈，然后烘干，即可使用，若暫時不用的應妥善保管，以免造成新的污染。

施焊前，對于鈦材再用潔凈白布蘸丙酮擦洗。復層鈦（TA2）清理范圍距離焊邊至少40mm，焊件清理后要盡快施焊。清理干凈的焊絲和焊件，不應用手觸摸，焊前嚴禁沾污，否則應重新清理。焊接坡口不能沾污，為提高焊接冶金質量，臨焊前用刮刀刮削坡口端面，用不銹鋼絲刷清理鈦復層至少40mm。

3.2 鋼內筒鈦條裝配 鈦條裝配時不能用鐵器敲打焊件，應采用銅錘或鋁錘敲擊焊件，避免產生凹坑和鐵污染。鈦條裝焊時所用的工具都應用丙酮或酒精清除灰塵、油脂等污物，且這些工具不能與鋼結構焊接所用的工具混用。焊工和裝配鉗工應戴潔凈的白手套，穿潔凈的工作服。

3.3 焊接材料 焊接鈦（TA2）應采用高純度的氬氣進行焊接，其純度不應低于99.99%（一級純氬）。

鈦焊絲嚴格按JB/T4745-2002 標準采購焊絲并加強復驗。一般來說，工業純鈦焊接時，填充金屬與母材的標稱成分相同。填充絲直徑1～3mm。

對于厚度大于1.0mm 的焊件來說，噴嘴已不足以保護焊縫和近縫區高溫金屬，一般需附加拖罩，拖罩寬25～60mm，手工焊拖罩長40～100mm，為了便于操作，噴嘴和拖罩可做成一體，視焊件厚度而定，薄的焊件拖罩短些，厚的拖罩則要長些。焊接直縫用平的拖罩，分布管靠近進氣的一側鉆有直徑0.8～1.0mm 小孔，孔距10mm 左右。氬氣經不銹鋼網或多孔板進入保護區，多孔板厚0.8～1.0mm，孔徑1.0mm，孔距8～10mm。不銹鋼網或多孔板起到類似氣篩作用。網或多孔板到焊件的距離10～20mm，以保證保護效果。應注意保護焊縫背面，鈦密度小，熔池表面張力大，焊漏的可能性比鋼小，只要保護良好，容易獲得良好的背面焊縫成形。在多數情況下，背面保護可以采用類似拖罩的結構。為加強冷卻可采用純銅背面墊板，墊板有凹槽，槽深2mm 左右，寬3～8mm，視板厚而定，槽下有通氣孔，孔徑1.0mm，孔距10mm，通氬氣以實現背面保護。

3.4 鈦-鋼復合板焊接方法 鈦材一般采用鎢極氬弧焊或熔化極氬弧焊的方法進行焊接，其中鎢極氬弧焊一般用于薄板焊接，手工鎢極氬弧焊采用了氬氣保護，合金元素基本沒有燒損，焊縫結晶組織較細，熱影響區最窄，接頭性能好。

在鎢極氬弧焊填絲焊接時，采用焊絲距熔池一定高度導入，使焊絲熔化后不直接進入熔池，而是在電弧區下落，起到熔滴凈化去氣作用，可明顯減少氣孔。

3.5 鈦板焊接設備 焊接設備應簡單、操作方便，可進行全位置焊接。所選焊機的引弧、穩弧性能要好，焊接過程中規范參數穩定，調節方便，冷卻水、保護氣體供應系統安全可靠。復層鈦的焊接保護要好，輸送氬氣的管道應采用不易吸潮材料的塑料管，每次開機前對輸氣管進行檢查，開機后，檢查氬氣的出氣情況，若發現其中輸氣管不正常，要由專業人員及時檢修，待檢修完成后，再次檢查，直到輸氣系統一切正常后，才可進行下一步工作。

3.6 焊接工藝

①坡口型式

由于鈦與鐵之間能形成TiFe、TiFe2脆性化合物，因此鈦鋼復合板焊接時，要通過結構設計和合理的選擇焊接參數才能實現鋼基層與鈦復層互不熔合，即鈦與鈦、鋼與鋼各自進行焊接。

先焊鋼基層，打底焊接用焊條電弧焊，焊接參數要小，防止鈦復層熔化，除（一）型接頭外，都要求焊透。本設備選擇（二）型。未焊透應在鈦復層一側補焊。焊縫經檢驗合格后方可進行鈦復層焊接。焊接鈦復層時，用小的熱輸入，嚴防鋼層熔化。

②工藝參數

鈦的鎢極氬弧焊的工藝參數主要有焊接電流種類、焊接電流、保護氣體流量等。對于板厚為1.6mm 的TA2，焊絲直徑應為1.0～2.0mm，焊接電流應為60～80A，噴嘴氬氣流量為10～12L/min，拖罩氬氣流量應為14～16L/min。

③焊接電流

焊接電流是氬弧焊的主要參數，電流增大，焊縫熔透深度和焊縫寬度增大，而余高減小，易產生燒穿、焊瘤等現象。電流過小，則易產生未熔透、夾渣及成型不規則等現象。

④焊接速度

焊接速度的選擇主要根據工件厚度決定并和焊接電流配合以保證所需的熔深和熔寬。焊接速度增大時，焊縫的余高以及焊縫寬度都相應減小，同時還會影響氬氣對熔池的保護。當焊接速度太快時，氣體保護受到破壞，焊縫容易產生未焊透和氣孔。如果焊接速度太慢，會產生凹陷、燒穿等現象。

⑤噴嘴與工件的距離

距離越大，氣體保護效果越差，但距離太近會影響焊工視線，且容易使鎢極與熔池接觸，產生夾鎢，一般噴嘴端部與工件的距離在8～14mm 之間。

⑥焊絲加入熔池的方式

焊接時，將焊絲末端在氬氣保護層內往復斷續地送入熔池的1/3～1/4 處。焊絲移出熔池時不可脫離氣體保護區，送入時不可接觸鎢極，不可直接送入弧柱內。這種方法適用于電流較小，焊接速度較慢的情況。二是連續送絲法，在焊接時，將焊絲插入熔池一定位置，隨著焊絲的送進，電弧同時向前移動，熔池逐漸形成。這種方法一般適用于電流較大，焊接速度較快的情況，質量也較好，成形也美觀。但需要熟練的操作技術。

4 鈦-鋼復合板焊接檢驗

4.1 檢驗人員 焊接質量檢驗人員應經技術培訓，能正確掌握焊縫質量評判標準。無損檢測檢驗人員應具有有關部門認可的資格。

4.2 檢驗程序及項目 焊接質量檢驗應包括工序檢驗和成品檢驗。焊接工序之間應經質檢人員認可后，方可轉入下道工序施工。成品檢驗項目一般包括外觀檢驗、無損檢測、鐵離子檢查等。

4.3 外觀質量檢驗

①可用肉眼或五倍放大鏡對焊縫外形尺寸及表面質量進行檢查。外觀檢查率為100%。

②焊縫外形幾何尺寸應符合設計圖樣要求。

③焊縫成形應均勻、致密、平滑地向母材過渡，不應有裂紋、未熔合以及超出規定的咬邊、氣孔、夾渣、弧坑等缺陷。

④鈦焊縫不應有咬邊。鋼焊縫的咬邊深度不應大于基層板厚的10%，且不應大于0.5mm，咬邊的連續長度不應大于100mm，焊縫兩側咬邊的總長度不應超過該焊縫總長度的10%。

⑤鈦焊縫表面不允許存在深度大于等于0.5mm 的劃傷。若有大于等于0.5mm 的劃傷應清除。清除后的焊縫表面不應低于母材表面。

⑥應對所有的鈦焊縫和熱影響區原始狀態的表面顏色進行檢驗。

⑦低倍焊縫檢查。

⑧無損檢測。

鈦焊縫按JB/T 4730.5 規定的方法進行滲透檢測。無損檢測方法、檢測范圍及合格標準，應符合設計圖樣和技術條件的規定，或符合供需雙方協議的要求。

⑨鐵離子檢查。

鈦復層焊接后，焊接區應進行鐵離子檢查。鐵離子檢查液的配方是：鐵氰化鉀K3（Fe（CN）6）3g，鹽酸20mL，蒸餾水75mL。檢查前，被檢表面用丙酮擦凈。檢查時，受檢表面滴上檢查液，若檢查液呈橙色（溶液本色），表明鈦面無污染。若檢查液呈藍色，說明鈦面有污染，則該表面應用丙酮重新擦拭，直至檢查液呈橙色為止。

5 鈦（TA2）焊接常見缺陷及預防措施

5.1 焊縫氣孔

①氬氣及母材、焊絲中不純氣體（O2、H2、N2、H2O）的影響氬氣及母材、焊絲中含H2、O2及H2O 量的提高，都會明顯使焊縫氣孔增加。

②表面層的影響鈦板及焊絲表面常受到外部雜質的污染，這包括水分、油脂、氧化物、含碳物質、塵埃、砂粒、磨料質點（表面用砂輪磨后或砂紙擦磨后的殘余物）、有機纖維、臟指印及吸附的氣體等，這些雜質對鈦及鈦合金氣孔的生成都有一定的影響，特別是對接端面處的表面雜質污染對氣孔形成的影響更為顯著。

消除氣孔的主要措施如下：

①用高純度的氬氣進行焊接，其純度不應低于99.99%（一級純氬）。

②焊前焊絲和工件接頭附近表面，特別是對接端面必須認真進行機械清理，機械清理后再進行酸洗，酸洗后用清水再清洗，臨焊前，工件對接面再用丙酮或酒精仔細擦洗。

5.2 裂紋 由于工業純鈦（TA2）中S、P、C 等雜質很少，低熔點共晶很難在晶界出現，有效結晶溫度區間窄，加之焊縫凝固時收縮量小，母材和焊絲質量不合格，特別是焊絲有裂紋、夾層處存在大量有害雜質時，則有可能出現焊接熱裂紋，因此要特別注意焊絲質量，嚴格按JB/T4745-2002 標準采購焊絲并加強復驗。還有一種是焊接保護不良，焊縫變脆引起的焊接熱應力裂紋。

5.3 鎢夾雜 手工氬弧焊時，因操作不慎可能產生鎢夾雜，引弧出現弧坑后，下降焊炬又未及時提高鎢極，弧坑周圍的液態金屬填平弧坑、埋住鎢極尖，熔池凝固后就形成鎢夾雜。

5.4 保護不良引起的缺陷 在保護不良時，氧、氮等進入焊縫及近縫區引起冶金質量變壞，焊縫和近縫區顏色是保護效果的標志，銀白色表示保護效果最好，淡黃色為輕微氧化，一般是允許的。

5.5 未焊透 未焊透是氬弧焊易出現的焊接缺陷，這與電弧特性有關，電弧張角大（約45°），弧長少量變化引起工件加熱面積較大變化。由于鈦的密度小，液態表面張力大，故燒穿的可能性比鋼小。

6 結束語

由于鈦及鈦合金具有良好耐腐蝕性能，在氧化性、中性及有氯離子的介質中其腐蝕性均優于不銹鋼，有時甚至超過1Cr18Ni9Ti 不銹鋼的10 倍。因此在化工、海洋工程、海水淡化，電站冷凝器方面獲得成功的應用。近幾年，我國在電廠采用鈦-鋼復合鋼板制作煙囪鋼內筒，開創了我國鈦-鋼復合鋼板制作煙囪內筒的先河。

[1]GB50205-2001，鋼結構工程施工質量驗收規范[S].

[2]火力發電廠焊接篇.DL5007-92，電力建設施工及驗收技術規范[S].

[3]GB-3323，鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級.