制作鈦鋼復(fù)合板管箱的焊接工藝分析

陳金頂，趙一普，崔健(南京三方化工設(shè)備監(jiān)理有限公司，江蘇 南京 210036)

0 引言

鈦鋼復(fù)合板管箱焊接工藝，因?yàn)殁伜辖鸨旧砭哂谐瑥?qiáng)耐腐蝕性，加上強(qiáng)度大等優(yōu)勢，不管是焊接性還是使用期間的韌性等，均為鈦鋼復(fù)合板管箱的應(yīng)用創(chuàng)造更多空間。當(dāng)前航天行業(yè)、化工制造等行業(yè)均應(yīng)用到鈦合金材料。尤其是化工行業(yè)，因?yàn)榛瘜W(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中均存在一定腐蝕性，加上應(yīng)用材料特殊，所以需要應(yīng)用鈦合金材料的化工容器完成儲備、反應(yīng)等工作。鈦鋼復(fù)合板管箱焊接操作工藝復(fù)雜，很多環(huán)節(jié)均要求能夠一次焊接成型。結(jié)合鈦鋼復(fù)合板管箱焊接工藝的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化分析，保證焊接工藝操作順利完成。

1 鈦鋼復(fù)合板管箱焊接工藝工程介紹

鈦鋼復(fù)合板焊接工藝的應(yīng)用研究，主要結(jié)合某公司所上的PTA項(xiàng)目為前提，其中涉及到冷凝器設(shè)備，其作為系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備組成，冷凝器的管程因?yàn)榻橘|(zhì)腐蝕性等原因影響，所以選擇鈦鋼復(fù)合板。其中涉及到基層與覆層，基層鈦鋼復(fù)合板主要選擇Q345R，規(guī)定厚度在30～50 mm。覆層鈦鋼復(fù)合板則選擇純鈦板，厚度要求為3 mm，型號為TA1。通過對鈦鋼復(fù)合板的有效焊接，確保分離器筒體板符合規(guī)定要求。鈦鋼復(fù)合板焊接，因?yàn)槭艿借F、鈦元素特點(diǎn)加上線膨脹系數(shù)等的影響，加上兩者熱導(dǎo)率相差過多，所以焊接接頭處理以及質(zhì)量控制非常關(guān)鍵。尤其是鈦鋼復(fù)合板的低熔點(diǎn)共晶體以及TiC等情況特殊，需要積極對鈦鋼復(fù)合板焊接技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以此保證焊接質(zhì)量。

2 鈦鋼復(fù)合板管箱焊接特點(diǎn)分析

鈦鋼復(fù)合板管箱焊接工藝較為復(fù)雜，因?yàn)殁伣饘賹儆诓荒苋垲愋?，如此能夠在鈦鋼?fù)合板焊接處理中節(jié)省過渡層焊接的不足，但是鈦金屬焊接期因?yàn)楦邷匾约颁摰鹊挠绊?，?huì)在焊接中產(chǎn)生金屬化合物，如此強(qiáng)度降低，整體會(huì)出現(xiàn)脆化現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)脆化現(xiàn)象，則鈦焊接就面臨著失敗[1]。正因?yàn)檫@樣，必須確保管箱焊接期間，將鈦鋼復(fù)合板的兩種材料分開進(jìn)行焊接處理。鈦鋼復(fù)合板焊接處理中，為了保證材料本身的強(qiáng)度，需要通過基層鋼板加上復(fù)層處理的方式進(jìn)行優(yōu)化，如此不僅基本強(qiáng)度得到提高，同時(shí)抗腐蝕性也得到提高。在此基礎(chǔ)上對復(fù)層進(jìn)行特殊處理，通過復(fù)層加蓋板的形式，有效防止不銹鋼層被介質(zhì)腐蝕。應(yīng)用專用填充材料將蓋板以及鈦鋼復(fù)合板之間進(jìn)行充分填充，以此保證鈦鋼復(fù)合板焊接質(zhì)量[2]。

作為金屬元素，鈦在液態(tài)時(shí)極易受到溫度的影響，氫、氧和氮等氣體均可被鈦吸收，導(dǎo)致鈦的性質(zhì)出現(xiàn)變化。氫、氧和氮等元素的吸入會(huì)影響到鈦塑性，鈦鋼復(fù)合板焊接期間會(huì)出現(xiàn)韌性下降的情況。碳鋼基層焊接處理中，需要提前對接頭位置進(jìn)行復(fù)層剝離處理，如此可以避免焊接期間受到氧化影響導(dǎo)致碳鋼基層焊接性能達(dá)不到理想要求[3]。鈦鋼復(fù)合板管箱焊接期間，因?yàn)楣芟湓O(shè)計(jì)要求，劃分為A、B兩種焊縫；管箱上開孔接管的焊縫，根據(jù)焊接規(guī)劃，均采用焊接接頭型式完成焊接處理，具體如圖1和圖2所示。

圖1 焊接示意圖

圖2 焊接示意圖

焊接方法選擇中，結(jié)合鈦鋼復(fù)合板電阻系數(shù)以及熱容量等特點(diǎn)，加上其熱導(dǎo)率相對較低，所以必須保證熔池尺寸以及焊接時(shí)候的溫度。盡量延長熱影響區(qū)的停留時(shí)間，避免出現(xiàn)接頭過熱現(xiàn)象，同時(shí)還能有效規(guī)避晶粒粗大以及塑性低的情況[4]。焊接方法選擇，電流與焊接速度的控制，要求以小電流為主，加快焊接速度。及時(shí)對鈦鋼復(fù)合板清根處理，防止出現(xiàn)鐵離子污染現(xiàn)象，焊接方法以手工氬弧焊(如需)、手工焊、埋弧自動(dòng)焊的綜合焊接為主。具體可參考NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》。

3 鈦鋼復(fù)合板管箱焊接工藝應(yīng)用

鈦鋼復(fù)合板管箱焊接工藝，嚴(yán)格遵循基層焊接為先，復(fù)合焊接為后的順序。基層焊接相較于復(fù)合焊接簡潔，焊接工藝的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。

3.1 基層材料焊接處理

基層材料焊接處理，涉及到埋弧自動(dòng)焊以及焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊等多種焊接處理手段。要求基層板點(diǎn)根據(jù)鈦鋼復(fù)合板管箱焊接情況設(shè)計(jì)寬長度在40～50 mm之間，其中涉及到的所有焊縫錯(cuò)邊量，規(guī)定均≤1.5 mm?？v縫焊接中，開始端需要進(jìn)行引弧處理，待焊接完畢，引弧板需通過等離子切割的方式完成切割，并打磨去除切口滲碳層。做好基層焊接期間環(huán)焊縫的對接處理，不僅如此還包括基層板縱以及臨時(shí)支撐構(gòu)件，焊接過程中都要控制層間溫度不能超過200 ℃。焊接縫及時(shí)檢查，做好焊接打磨處理，檢查方法中X射線最為重要。所有檢查均通過后進(jìn)入到鈦材焊接環(huán)節(jié)[5]。

除此之外，要求所有承壓件焊接接頭處理，尤其是連接位置，焊接操作都必須根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、NB/T47014《承壓設(shè)備焊接工藝評定》、TSG Z6002—2010《特種設(shè)備焊接操作人員考核細(xì)則》、GB/T 150.1～4—2011《壓力容器》等規(guī)范。焊接處理期間，手工焊條電弧焊焊縫金屬厚度按照要求必須≤3.0 mm，埋弧焊焊縫處理則厚度≤4.0 mm，手工鎢極氬弧焊焊縫處理，按照規(guī)定金屬厚度≤2.0 mm，管頭自動(dòng)焊焊接處理，厚度需≤1.0 mm。所有焊接操作，材料存儲期間，都必須做好烘干溫度以及保溫等處理，根據(jù)供應(yīng)商提供的焊接材料使用說明為主，特殊情況下則需要以焊接工藝為準(zhǔn)。

3.2 鈦復(fù)合板焊接工藝

鈦復(fù)合板焊接處理中，結(jié)合上述對鈦的介紹以及復(fù)合板焊接注意事項(xiàng)總結(jié)，前期做好充足的準(zhǔn)備工作。確定焊接保護(hù)區(qū)域，焊接期間調(diào)整好噴嘴與焊件平面的角度，兩者必須處于垂直形態(tài)，控制好焊絲的擺動(dòng)。

3.2.1 選擇適當(dāng)?shù)拟亸?fù)合板焊接環(huán)境

鈦復(fù)合板焊接環(huán)境要求必須無塵、無煙，并且保持空氣整潔。焊接人員焊接之前需佩戴專業(yè)的手套，任何區(qū)域均不能在無手套的情況觸摸，尤其是坡口位置。坡口處理不允許錘擊。出現(xiàn)任何與規(guī)定不相符的情況，都要立即終止焊接。及時(shí)測定風(fēng)速是否控制到≥1.5 m/s，濕度是否≥80%，焊件的溫度是否≤5 ℃。

3.2.2 焊接涉及到的材料

除了鈦復(fù)合板之外，焊接還需要應(yīng)用到鈦焊絲、氬氣、鎢極等。其中鈦焊絲主要從鈦板母材中提取，但是這種焊絲不能在焊接中再直接應(yīng)用。需進(jìn)行清潔與干燥處理，并且將前端位置切除至少10 mm，檢查是否存在被氧化現(xiàn)象，如果出現(xiàn)氧化現(xiàn)象立即切除。現(xiàn)在市場上也開始有了成熟的焊絲可供采購。焊材在使用之前應(yīng)用丙酮或者乙醇等進(jìn)行化學(xué)清潔。氬氣必須保證純度≥99.99%，雖然可以存有氧，但是需控制≤0.002%范圍之內(nèi)，壓力≥0.5 MPa，水分要求不能超出0.001 mg/L。鎢極主要以鈰鎢極為主，鎢極頂端為主需要經(jīng)過特殊打磨，不能出現(xiàn)太尖的情況，否則焊接期間受到溫度影響會(huì)出現(xiàn)夾鎢的情況。

3.2.3 焊接預(yù)熱與定位焊縫

定位焊縫的完成必須由專業(yè)人員指導(dǎo)，主要方法為鎢極氬弧焊，焊接期間做好定位焊縫的拖罩保護(hù)處理。點(diǎn)焊鈦蓋板期間，必須將鈦復(fù)板以及蓋板距離設(shè)定好，要求間距必須在50 mm，并且點(diǎn)焊處理中長度需≤10 mm。焊接中將焊縫的位置錯(cuò)開，盡量在焊接定位處理中不要添加更多的焊絲。在此基礎(chǔ)上將鈦鋼復(fù)合板緊密貼合到鈦蓋板上，將間隙控制到最小，隨后進(jìn)行點(diǎn)焊。

3.2.4 具體焊接處理

焊接工藝應(yīng)用中盡量控制電弧電壓不出現(xiàn)任何波動(dòng)，并且利用小線能量進(jìn)行焊接處理。短弧沒有過多擺動(dòng)，對焊縫背面加以保護(hù)。將焊絲提前加熱，尤其是兩端都應(yīng)該放置在焊接保護(hù)氣體中加以保護(hù)。焊接層間溫度控制在100 ℃以內(nèi)，鈦焊縫位置及時(shí)進(jìn)行氬氣保護(hù)。注意做好焊件表面的保護(hù)工作，避免在焊接中出現(xiàn)電弧擦傷的情況，當(dāng)焊接息弧后，及時(shí)將弧坑填滿，并且將焊縫表面的缺陷進(jìn)行打磨處理。

焊接完畢及時(shí)對接頭積極檢查，檢查方法主要包括外觀與PT檢查。具體檢查判斷及處理方法如表1[5]所示。

表1 焊縫焊接顏色判斷檢查表

通過表1對鈦鋼復(fù)合板管箱焊接檢查情況為基礎(chǔ)，外觀合格之后還要對管箱進(jìn)行PT滲透檢測，檢測等級達(dá)到Ⅰ級屬于焊接合格。在此基礎(chǔ)上還要做好焊縫返修處理，尤其是檢測不合格的區(qū)域，需進(jìn)行特殊打磨，如果焊接的母材依然能夠滿足厚度要求，則可以在母材基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)焊。如果焊接的母材厚度已經(jīng)不能滿足焊接要求，則需要更換母材再次進(jìn)行焊接。

4 結(jié)語

綜上所述，鈦鋼復(fù)合板管箱焊接，作為化工企業(yè)中的重要容器材料，其質(zhì)量直接影響到企業(yè)生產(chǎn)安全。不僅如此，航天以及其他行業(yè)對鈦鋼復(fù)合板材料需求都比較大。鈦鋼復(fù)合板管箱焊接工藝的應(yīng)用，從前期準(zhǔn)備到焊接處理，后期的檢測以及缺陷處理都要保證準(zhǔn)確到位，如此才能真正做到一次性焊接成型，焊接質(zhì)量得到提高。