工业纯钛TA2焊接技术在钛液薄膜蒸发器中的应用

工业纯钛 TA2焊接技术在钛液薄膜蒸发器中的应用黄向红(四川机电职业技术学院 ,四川 攀枝花 617064)摘要 :以工业纯钛 TA2为主体材料的钛液薄膜蒸发器 ,其技术关键在于确定合适的焊接工艺保证焊接接头的焊接质量及各项力学性能指标 , 以适应钛液介质的腐蚀 。为了摸索 TA2钛焊接的特点及操作要领 , 进行了一系列焊接工艺试验 , 通 过试验及分析确定出最佳的“断弧焊 ”焊接工艺规范参数 , 最后完成产品的焊接 。关键词 : 工业纯钛TA2 焊接技术 应用中图分类号 : TG44文献标识码 : B文章编号 : 1002 - 6886 (2011) 03 - 0030 - 04Industr ia l Pure T itan ium TA2 W eld ing Technology in T itan ium Hydraulic M em brane Evapor im eter of Applica tionHUANG X ianghongAbstract: To industrial pure titanium TA2 as the main material of titanium hydraulic membrane evapo rimeter, its techno logy is the key identify app rop riate weld p rocess guarantees the quality of welding welded joints and various mechanical performance indicato rs, to fit titanium liquid medium co rro sion. To grope TA2 titanium welding characteristics and operations essentials, carried out a series of ex2perimental welding techno logy, through testing and analysis determ ine the best“broken arc welding”welding p rocedure specificationparameter, Finally finished p roducts of welding.Key words: industrial pure titanium; TA2; welding techno logy; app lication2力 : 0. 3 MPa ;工作温度 : 180; 换热面积 : 45 m 。0 前言薄膜蒸发器是一种较先进的蒸发装置。由于其有传热系数大、物料在器内停留时间短、结构简单等特点 ,适应 于热敏性及易生成泡沫的物料。它可在减压下操作 ,故适 于钛液的浓缩。钛液薄膜蒸发器的材料 ,首先应具备耐腐 蚀 ,耐冲刷及较高的导热系数 ,其次还应考虑到材料的机械强度、加工性能等 ,而钛及其合金具有良好的耐蚀性及 耐冲刷性能 ,虽然其导热性差 ,但因钛的强度高、刚性大 , 制作薄壁蒸发器的实际热阻并不大。另外 ,钛还有一个宝 贵的性质 ,就是它的湿润性很差。这可以防止污垢的沉 积 ,避免蒸发管的赌塞。综合起来钛材虽然价格昂贵 ,导热系数小 ,但仍是钛液薄膜蒸发器的理想材料。1 钛液薄膜蒸发器的结构特点及设计参数2 工业纯钛的母材性能及焊接性分析制作的钛液升膜式薄膜蒸发器 ,其结构如图 1 所示。它主要有加料室、蒸发室及分离室三部分组成。其中蒸发 室是蒸发器的核心 ,它是装有许多列管的换热器 ,列管直 径为 25 mm。加料室、蒸发室中列管及釜体 (分离器 )均用 钛材 ( TA2)制成 ,管板采用厚度为 3 + 12 mm 的 ( TA2 + 16MnR)复合板。主要设计参数有 : 设备壳程介质为蒸汽 ,设计压力118 MPa;工作介质 : 钛液 ; 釜体直径 : 1 200 mm; 工作压211母材性能国产工业纯钛主要有 TA1、TA2、TA3三个牌号 ,其区 别在于含氢、氧、氮杂质的含量不同 ,这些杂质使工业纯钛强化 ,但使塑性显著降低。工业纯钛尽管强度不高 ,但塑性及韧性优良 ,尤其是具有良好的低温冲击韧性 ;同时具 有良好的抗腐蚀性能。所以 ,这种材料多用于化学工业、 石油工业中的耐腐蚀容器、管道等。根据 ( JB / T 4745 -2002)钛制焊接容器 标准 , TA2 的化学成分及力学性能制造工程 、工艺装备31如表 1、表 2所示。量很少 ,能在晶界与钛形成低熔点共晶的杂质含量也就很少 ,再加上有效结晶温度区间窄小 ,且工业纯钛高温强度 大 ,塑性好 ,焊缝凝固时收缩量小 , 因而焊接接头产生热 裂纹的可能性很小。而工业纯钛焊接时 ,热影响区易产生冷裂纹 ,这是由于焊接过程中氢由高温熔池向较低温的热 影响区扩散 ,含有过饱和氢的 相发生共析反应后析出TiH2 ,氢含量的提高使该区析出 TiH2 量增加 ,增大热影响 区脆性 ,另外由于氢化物析出时体积膨胀引起较大的组织应力 ,再加上氢原子向该区的高应力部位扩散及聚集 ,以 及焊接残余应力的作用 ,以致焊后产生冷裂纹。2. 2. 3焊缝中的气孔问题 气孔是钛及钛合金焊接时最常见的缺陷之一 ,气孔不仅造成应力集中而且会使整个焊接接头塑性、寿命降 低。形成气孔的根本原因是由于在高温下 ,钛具有强烈的吸收氢、氧、氮的结果。钛焊接中产生的气孔主要是氢气孔 , 也有 CO2 气体形成的气孔。2. 2. 4钛的弹性模量小 ,约为低碳钢的一半 ,焊接变形大 冷变形的回弹能力强 ,约为不锈钢的 ( 23)倍 ,故造成校形困难。因此 ,焊接中要采取有效措施预防焊接变 形。2. 2. 5铁的含量对钛的耐腐蚀性能影响很大 铁的存在会在富铁相区与 相区建立起自发电池 ,产生电偶腐蚀 ,特别是在焊缝和热影响区会产生“优先腐 蚀 ”;同时铁污染会导致加速吸氢 ,形成氢致裂纹 ,造成氢 脆破坏。因此 ,在焊接过程中 ,要避免铁的污染。由于金属钛具有上述焊接特点 ,所以在焊接过程中 ,必须采取有效的技术措施 ,制定合理的焊接工艺 ,才能确 保焊接质量。表 1TA2的化学成分 ( %)主要成分杂质 (不大于 )合金牌号化学成分 其他元 素TiFeCNHO单一总和工业纯钛TA2基0. 300. 100. 050. 0150. 250. 100. 40表 2TA2的力学性能b /MPa0. 2 /MPa牌号/ %TA244032018212焊接性分析2. 2. 1气体及杂质污染对焊接性能的影响 工业纯钛的熔点为 1 680,在常温下 ,由于钛表面致密氧化膜的作用 ,使得性能很稳定 ;但钛在高温下具有很 强的化学活泼性 ,随着温度的升高 ,其化学活泼性就会迅速增强 ,高温钛有强烈吸收空气中的氢、氧、氮的作用。空 气中固态铁在 250300开始吸收氢 ,从 400开始吸收氧 ,从 600开始吸收氮 ,同时当焊接温度达到 400以 上时 ,除了氢、氧、氮以外 ,还和其他一些诸如碳、铁、硅等杂质发生反应 ,从而降低了焊接接头的塑性和韧性 ,使强 度大大增加 ,脆性增加。氢是气体杂质中对钛的机械性能影响最严重的因 素。焊缝含氢量变化对焊缝冲击性能影响最为显著 ,其主 要原因是随缝含氢量增加 , 焊缝中析出的片状或针状TiH2 增多。氧在 相钛中有较高的熔解度 ,并能形成间 隙固溶相 ,从而提高钛的硬度和强度 ,而塑性却显著降低。为了保证焊接接头的性能 ,除了在焊接过程中严防焊缝及焊接热影响区发生氧化外 ,同时还应限制基本金属及焊丝 中的含氧量。在 700以上的高温下 ,氮和钛发生剧烈反应 ,形成脆硬的 TiN 能提高焊缝的抗拉强度、硬度 ,降低焊缝的塑性性能比氧更为显著。当碳含量超过 0. 13%时 ,焊 缝会出现网状 TiC,使焊缝塑性急剧下降 ,在焊接应力作用下易出现裂纹。2. 2. 2焊接接头裂纹问题工业纯钛的的导热性差 ,热容量小 ,导热系数低 ,所以 在焊接时熔池内积累的热量多 ,不易散发 ,如果熔池温度停留时间长 ,冷却速度慢 ,焊缝容易发生过热而出现过热组织 ,使晶粒粗大 ,在冷却收缩过程中 ,由于拉应力的作 用 ,再加上低塑脆化原因 ,很容易引起焊缝产生裂纹 ,尤其是焊接大型结构和容器时 ,产生裂纹的概率要比管道焊接 时大得多。在常规情况下裂纹可分为两种形式 ,即热裂纹和冷裂纹。工业纯钛焊接时 ,由于钛中 S、P、C 等杂质含3TA2钛的焊接311焊前准备3. 1. 1焊接方法的选择由于钛及钛合金的化学活性大 ,易被氧、氮、氢所污 染 ,所以不能采用手弧焊、CO2 气体保护焊等焊接方法进行焊接。钛的焊接必须在惰性气体保护下进行 , 不但熔池处要保护 ( 利用枪体保护 ) , 而且在焊后刚开始冷却时 的焊缝和热影响区都应保护 ( 后拖装置保护 ) , 即 300 以上区域均应处于惰性气体保护。手工钨极氩弧焊是最 常用的焊接方法。3. 1. 2焊接材料的选择 正确的选择焊丝是保证焊接质量的关键。所用焊丝在正常焊接工艺下 , 使焊缝的抗拉强度达到母材退火状 态的抗拉强度标准值下限 ,同时焊缝的塑性不低于退火状 态下的母材或与母材相当 , 所用焊丝的耐蚀性也应与母现代机械2011年第 3 期32材相当。焊丝中的氮、氧、碳、氢、铁等杂质元素的含量上限值应大大低于母材中杂质元素的标准含量上限值。一 般不允许从所焊母材上裁条充当焊丝。本次试验采用焊丝的牌号为 STA2R 焊丝 , 标准为JB / T4745 - 2002,焊丝的化学成分如表 3所示。列管和管板及分离器的主要接头形式如图2、图 3、图 4所示。 为了减少焊接变形 ,焊前需进行定位焊 ,定位焊缝应采用 与正式焊接相同的焊 接材料及焊接工艺 , 即所用的焊丝、焊接 工艺参数及气体保护条件应与焊接接头焊 接时相同。焊前清除 焊丝表面和焊接坡口 及其两侧各 20 mm 范围内的氧化层、油污、 水分、锈蚀等 ,且应由 合格焊工施焊。312焊接试验方案的 确定氩气保护的效果 直接 影 响 焊 缝 的 质 量 , 必须将焊缝与热 影响区在焊接及焊后冷却过程中温度高于300的 区 域 置 于 氩气的良好保护之下。所以所有焊缝除了正面从焊枪通氩 气保护外 , 还要采取措施进行正面后拖保护以及背面充 氩保护。而蒸发器中各列管属于薄壁小管径 ( 25 mm 0. 8 mm )对接 ,列管与管板是角对接 ,在焊枪上加装氩气 保护拖罩 ,操作不太方便 ,因此为了确保焊接质量 ,又不增 加焊工的劳动强度 ,经分析确定了采用背面冲氩正面不加 外拖罩的“断弧焊 ”法 TIG焊试验方案。焊接工艺参数见 表 4。313焊后质量检验1)外观 :焊缝和热影响区表面用 10 倍的放大镜进行100%检查 ,没有裂纹、咬边、气孔、夹渣、未熔合、弧坑等缺 陷 ,焊缝外也没有打弧点。对列管与管板的焊接接头进行 渗透检测 I级合格。焊缝区及热影响区表面颜色 80%以上为银白色其余 为金黄色和蓝色 ,按标准 JB / T4745 - 2002 中表 10 - 5 规 定 ,质量合格。2)内部 :按标准 JB / T4745 - 2002中 10. 5规定 :釜体环 缝、纵缝及列管对接焊缝经 100%射线检验为级合格 ;表 3STA2R焊丝的化学成分 ( %)主要成分焊丝牌号 Ti Fe C N H O STA2R 基0. 20 0. 03 0. 020 0. 008 0. 100. 15 焊前将焊丝放在专用的酸洗槽内 ,严格按酸的比例进行酸洗 ,而后放在保温箱内随用随取 ,焊前用白丝绸渗 入丙酮后擦洗。氩气的纯度也将直接影响纯钛焊接的硬度和韧性 ,对焊接裂纹的产生也有着明显的影响。氩气的纯度低 ,其 杂质的成分就多 , 尤其是氢的含量 , 如果 H2 的含量在01001 m l /L 以上 ,相对湿度大于 5. 0% ,露点在 - 50以 上 ,就容易在焊缝中引起脆化 ,产生裂纹 ,所以要求纯钛焊 接用的氩气必须是高纯氩 (99. 99% ) ,杂质的总含量小于0102% ,相对湿度小于 5. 0% ,露点在 - 50以下 , H2 的含量小于 0. 001 m l /L。且符合 JB / T4745 - 2002 的规定 , 当 瓶装氩气的压力低于 0. 5 MPa 时不宜使用。3. 1. 3焊件的表面清理钛和钛合金焊件的表面 ,焊前一定要进行认真的清 理 ,因污物易在焊缝中产生气孔和非金属夹杂 ,使焊缝的塑性和耐腐蚀性显著下降。常用的清理方法如下 :1)机械清理 :用切削加工、喷砂、喷丸或钢丝刷清除焊 接区的污物和氧化皮等。2)化学清理 :将焊件及焊丝在酸液中进行清洗 ,使焊件表面去净氧化物 ,呈银白色金属光泽为止。酸洗后在流 动的清水中洗净 ,焊前再用丙酮或酒精擦净焊丝及焊件焊 接区域的表面。如清洗后 4 h未焊 , 焊前应重新清洗 , 表 面需要擦拭时 , 须用绸布。3. 1. 4焊件的切割钛管和钛板切割必须用机械方法进行 ,在切割过程 中 ,不得使其过热而变色 ,在坡口内外表面的 20 mm 范围 内用砂轮和不锈钢丝轮打磨出金属光泽 ,用刮刀修正坡口 的毛刺和钝边后再打磨光滑。3. 1. 5焊件的坡口设计与组对 由于钛材在焊接时液态的熔池流动性较好 , 所以在设计焊接坡口时 , 釜体纵环缝选择 V 型坡口 , 坡口角度 选 80, 钝边取 0. 5 mm, 焊接间隙取 0. 5 mm 1. 0 mm;管板为单边 V 型坡口 ,坡口角度选 40左右。列管为薄管直 接对接 ,对接间隙 0. 2 mm。钛液薄膜蒸发器的蒸发室中制造工程 、工艺装备33表 4 “断弧焊 ”法 T IG焊焊接工艺参数防止“打钨 ”现象。如有出现 ,应立即清理干净 ,同时也要更换钨极或磨削钨极端头 ;焊丝应始终在氩气保护范 围内 ,防止焊丝端头氧化 ;送丝时不能像气焊那样在熔池 中搅拌 ,要一滴一滴沿熔池边缘缓慢送入 ,防止温度升高 , 产生氧化 ;弧坑要填满 ,防止产生弧坑裂纹。焊丝直 钨极直 喷嘴直 焊接电 氩气流量 (L /m in)接头 板厚型式 (mm ) 焊层 径 (mm ) 径 (mm ) 径 (mm ) 流 (A )喷嘴背面自熔-1. 510 - 12 20 - 25 10 - 144 - 10列管对接0. 821. 01. 510 - 12 30 - 35 12 - 164 - 10自熔-1. 512 - 14 80 - 100 12 - 166 - 12列管 - 0. 8管板 3 + 124 结束语21. 01. 512 - 14 90 - 100 12 - 166 - 12 1 2. 0 2. 0 12 - 16 110 - 130 12 - 16 8 - 14釜体环缝61)“断续焊 ”的目的就是控制焊接温度 ,加强施焊点的的氩气保护效果 ,切勿性急 ,要一个熔池一个熔池地焊 接 ,否则发挥不了“断续焊 ”不用氩气拖罩的的效果。2)为扩大氩气保护区域范围 ,加强保护效果 ,应选用较大直径的喷嘴。同时应注意焊丝要始终在氩气保护范 围内 ,防止焊丝端头氧化。采取上述焊接工艺措施后 ,制作了 6台钛液升膜式薄 膜蒸发器 , 对焊缝外观成型及颜色进行检查符 合 JB / T4745 - 2002的要求 ,并按 JB / T4745 - 2002要求对产品的 A、B 类接头进行 RT检验 ,产品焊接一次合格率达到了98%以上 ,对管板角接焊缝进行渗透检测 I级合格率为95% ,说明所用焊接工艺参数及焊接方法是合理的 ,为今 后焊接类似材料积累了可借鉴的经验。2、33. 0314 - 16 130 - 150 14 - 18 8 - 14 1 2. 0 2. 0 12 - 16 125 - 145 12 - 16 8 - 14釜体纵缝62、33314 - 16 140 - 160 14 - 18 8 - 143)力学性能试验 :按标准 JB / T4745 - 2002 力学性能试验 ,列管对接 b 为 510 /520 MPa、釜体环缝 b 为 545 /555 MPa、釜体纵缝 b 为 550 /565 MPa;正、反弯曲试验 (D= 10 s、180)完好 ;对列管 - 管板角接接头进行金相检查