天津化工廠離子膜工程根據(jù)工藝要求采用了大量的TA2工業(yè)純鈦管，直徑范圍φ18mm～φ500mm，壁厚1.5mm~6mm。TA2材料屬首次焊接鋼種。TA2工業(yè)純鈦比重小、比強(qiáng)度高、塑性及韌性良好、耐腐蝕性能好、高溫強(qiáng)度較高，但由于其導(dǎo)熱系數(shù)低、熱容量小、線膨脹系數(shù)大，在高溫下具有很高的活潑性，極易被氮、氫、氧等污染，引起金屬脆化，造成氣孔、裂紋等缺陷，可焊接性較差。在施工工期緊、焊接工作量大的條件下，為攻克鈦管焊接難題，做了如下試驗(yàn)，并取得成功。

1、TA2鈦管焊接工藝性試驗(yàn)

1.1 鈦管工藝方案的制訂

TA2 鈦管焊接中易形成冷裂紋、焊接接頭區(qū)易脆化、對(duì)氣孔較敏感，在制訂焊接試驗(yàn)方案中，針對(duì)其焊接特性進(jìn)行了認(rèn)真分析并做了必要的前期準(zhǔn)備。

1.1.1 由于鈦材在焊接時(shí)熔池溫度較高，且熔池在高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，晶粒長(zhǎng)大粗化嚴(yán)重，同時(shí)在焊縫中氧、氫、氮含量較多時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)的性能變脆，焊后易出現(xiàn)冷裂紋和延遲裂紋。為減少焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生冷裂紋的傾向，選用對(duì)焊件熱輸入量相對(duì)較小的鎢極氬弧焊。

1.1.2 為增強(qiáng)焊縫和熱影響區(qū)的抗脆化傾向，避免因填充焊絲帶入過(guò)量碳、氫、氧等元素，降低鈦材塑性和韌性指標(biāo)，在焊接過(guò)程中除加強(qiáng)保護(hù)措施外，應(yīng)采用與母材等成分的焊絲。

1.1.3 為減少焊縫在焊接中產(chǎn)生氣孔，應(yīng)當(dāng)在焊前對(duì)焊絲、焊件表面的氧化膜和其它雜質(zhì)進(jìn)行認(rèn)真清理、清洗，采用合理的焊接工藝參數(shù)。

1.1.4 根據(jù)離子膜工程鈦管的規(guī)格尺寸及有關(guān)資料介紹的參考工藝值，選擇了適當(dāng)?shù)墓軓郊氨诤?φ89×3)制訂出供鈦管焊接工藝規(guī)范參數(shù)，詳見(jiàn)表1。

1.2 焊接工藝方案的實(shí)施

根據(jù)制訂的焊接工藝方案，進(jìn)行了兩次焊接工藝試驗(yàn)，第一次焊接試驗(yàn)焊了2對(duì)鈦管(試件編號(hào)TA2一1、TA2一2)，第二次焊接試驗(yàn)焊了3對(duì)鈦管(試件編號(hào)TA2—3、TA2—4、TA2—5)，試件形式及尺寸見(jiàn)圖1。

1.2.1 第一次焊接試驗(yàn)因經(jīng)驗(yàn)不足焊后的焊縫質(zhì)量較差，試件填充焊絲材質(zhì)均為與試管同質(zhì)的TA2焊絲。焊接試驗(yàn)時(shí)采取的主要措施是施焊前對(duì)焊絲表面及管件坡口內(nèi)外和鄰近區(qū)域分別用不銹鋼絲刷、酸洗+丙酮的方式進(jìn)行清洗，酸洗配方為3％HF+3％HNo3+余量H2O，在酸洗液中浸泡15min，然后實(shí)施試件的組對(duì)及焊接。其中TA2一1、TA2一2試件實(shí)測(cè)的焊接參數(shù)見(jiàn)表2、表3。在焊接過(guò)程中每對(duì)試管均焊兩層，每層焊縫都采用填充焊絲法并在試件背面通氬氣保護(hù)，采用單面焊雙面成型工藝。

焊后對(duì)2對(duì)鈦管試件分別進(jìn)行了外觀檢驗(yàn)、x射線探傷檢驗(yàn)、力學(xué)性能檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)結(jié)果如下。

1.2.2外觀檢驗(yàn)

焊接TA2一1鈦管試件后發(fā)現(xiàn)焊縫氧化較嚴(yán)重，隨后在焊接TA2一2試件時(shí)加強(qiáng)了正面和背面的氬氣流量保護(hù)，但2對(duì)試件焊后焊縫表面顏色仍呈灰白色，氧化色彩較強(qiáng)，說(shuō)明焊接過(guò)程中保護(hù)氣流挺度偏弱形成層流，使焊縫氧化現(xiàn)象較嚴(yán)重：TA2一1試件打底層有7個(gè)表面氣孔，經(jīng)修磨焊補(bǔ)后蓋面層有l(wèi)0個(gè)表面氣孔，無(wú)裂紋；TA2一2試件打底層有4個(gè)表面氣孔，經(jīng)修磨焊補(bǔ)后蓋面層有8個(gè)表面氣孔，無(wú)裂紋；焊縫背面均己焊透且成型良好。

1.2.3 焊縫X射線探傷檢驗(yàn)

在TA2一1、TA2—2試件的x射線探傷底片顯示焊縫內(nèi)存在多量氣孔，探傷級(jí)別均為Ⅳ級(jí)。

1.2.4 力學(xué)性能檢驗(yàn)

TA2一1試件壓扁試驗(yàn)，壓板間距(H)34mm合格，實(shí)測(cè)壓扁值為62mm時(shí)焊縫部位開(kāi)始出現(xiàn)裂紋。TA2一2試件壓扁試驗(yàn)，實(shí)測(cè)壓扁值為69mm時(shí)焊縫部位開(kāi)始出現(xiàn)裂紋。TA2一1、TA2一2試件的抗拉強(qiáng)度值都低于TA鈦材標(biāo)準(zhǔn)值440~620MPa(GB/T3624)。力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

1.2.5 原因分析

針對(duì)試件焊縫內(nèi)存在多氣孔、壓扁試驗(yàn)不合格、焊縫氧化等問(wèn)題進(jìn)行了分析，初步結(jié)論為：氬氣保護(hù)流量偏低；保護(hù)托罩及保護(hù)措施不完善；試管清洗后焊接前的時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致試管、焊絲在存放期形成新的氧化膜；試管表面清洗效果不佳影響焊縫質(zhì)量。

1.2.6 改進(jìn)措施

增加焊縫正面和背面氬氣保護(hù)流量，將焊縫正面氬氣保護(hù)流量由8～10L/min增加到12～16L／min，將焊縫背面氬氣保護(hù)流量由4~6L/min增加到7～10L/min：增加保護(hù)拖罩尺寸，做到拖罩外邊緣與試件外側(cè)緊密貼合且弧度一致，以增加焊接區(qū)的保護(hù)面積和延長(zhǎng)焊接區(qū)的保護(hù)時(shí)間；改進(jìn)保護(hù)罩結(jié)構(gòu)，將保護(hù)拖罩的材質(zhì)由原來(lái)的鍍鋅鋼板改為柔性較好的紫銅板，通保護(hù)氣用管由單一向上的排孔改為在原有排孔基礎(chǔ)上同時(shí)在側(cè)面90。方向上各增加一排孔并用銅絲網(wǎng)包覆，避免因保護(hù)氣流增大后出現(xiàn)紊流。同時(shí)改進(jìn)焊縫背面保護(hù)措施，除增加保護(hù)氣流量以外，根據(jù)氬氣密度大于空氣的特點(diǎn)，試件背面通保護(hù)氣點(diǎn)選擇在低點(diǎn)，而排氣點(diǎn)選擇在試件高點(diǎn)，為減少背面保護(hù)氣體的損失和提高背面保護(hù)效果，對(duì)試件暫不焊接的坡口部位用膠帶紙封住；細(xì)化試件焊前清洗程序，適當(dāng)增加機(jī)械打磨深度，延長(zhǎng)酸洗浸泡時(shí)間至20min，試件坡口酸洗后增加流動(dòng)水沖刷和烘干程序，清洗后試件放置時(shí)間最長(zhǎng)不超過(guò)2h。

1.3 改進(jìn)工藝后的驗(yàn)證性焊接試驗(yàn)

為增加焊接試驗(yàn)的可比性，第二次試驗(yàn)共焊接了3對(duì)試件，其規(guī)格、接頭形式與第一次相同。

試件編號(hào)為T(mén)A2—3、TA2—4、TA2一5。試件坡口內(nèi)及兩側(cè)機(jī)械打磨深度不小于0.01mm，酸洗液中浸泡時(shí)間20min，水沖洗后用強(qiáng)力風(fēng)扇吹干。

1.3.1焊接試驗(yàn)

TA2—3、TA2—4、TA2—5試件的實(shí)測(cè)焊接參數(shù)見(jiàn)表5、表6、表7。

焊后對(duì)3組試件分別進(jìn)行了外觀檢驗(yàn)、x射線探傷檢驗(yàn)、力學(xué)性能檢驗(yàn)，各項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果如下。

1.3.2外觀檢驗(yàn)

TA2一3、TA2一5試件的打底層及蓋面層均未發(fā)現(xiàn)氣孔及裂紋，TA2一4試件的打底層表面氣孔4個(gè)，蓋面層表面氣孔5個(gè)，打底層及蓋面層均未發(fā)

現(xiàn)裂紋；TA2一3、TA2一5試件焊縫背面顏色均為金黃色，蓋面層焊縫均呈銀白色，TA2一5試件的蓋面層焊縫顏色更白亮，TA2一4試件的焊縫背面為深藍(lán)色，蓋面層焊縫顏色呈淺藍(lán)色，說(shuō)明保護(hù)氣流量不宜過(guò)大，過(guò)大易使保護(hù)氣流形成紊流，保護(hù)效果反而變差；3組試件焊縫背面均已焊透。

1.3.3焊縫x射線探傷檢驗(yàn)

TA2一3試件x射線探傷底片顯示焊縫內(nèi)有4個(gè)0.5～lmm氣孔(／I級(jí)片)；TA2一4試件x射線探傷底片顯示焊縫內(nèi)有9個(gè)氣孔，并在焊縫的起弧與收弧搭接處有1處密集氣孔(IV級(jí)片)。

TA2一5試件x射線探傷底片顯示焊縫內(nèi)有1個(gè)0.7mm氣孔(I級(jí)片)。

1.3.4 力學(xué)性能檢驗(yàn)

TA2—3、TA2—5試件壓扁試驗(yàn)合格，TA2—4試件壓扁試驗(yàn)不合格；TA2—3、TA2—4、TA2—5試件抗拉強(qiáng)度值均高于標(biāo)準(zhǔn)值440~620MPa(GB／T3624)，僅TA2—4試件抗拉強(qiáng)度值略高于其下限值。力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

2、焊接試驗(yàn)結(jié)果分析

從兩次焊接試驗(yàn)對(duì)比不難看出，鈦管焊接中存在的主要問(wèn)題是焊接接頭的氧化和氣孔，正常焊接條件下焊接裂紋產(chǎn)生的概率較小。如何減少焊接接頭的氧化和氣孔，避免產(chǎn)生焊接裂紋，是保證鈦管焊接質(zhì)量的關(guān)鍵所在。如焊絲、焊件焊前清理效果，保護(hù)氣體流量過(guò)小或過(guò)大，保護(hù)措施不當(dāng)?shù)龋紩?huì)將保護(hù)效果變差，使熔池金屬發(fā)生氧化并在冷卻凝固過(guò)程中吸收的氣體來(lái)不及逸出殘留在焊縫金屬中，導(dǎo)致焊接接頭出現(xiàn)氧化和氣孔。

3、焊接工藝試驗(yàn)結(jié)論

3.1 焊絲、焊件焊前必須進(jìn)行機(jī)械及化學(xué)清洗，保證足夠的化學(xué)清洗時(shí)間，清洗后焊接前的問(wèn)隔時(shí)間不宜超過(guò)2h。

3.2 焊前按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求組對(duì)焊件。

3.3 在焊縫的正面、背面選擇正確的保護(hù)措施和適當(dāng)?shù)臍鍤獗Ｗo(hù)流量。

3.4 選擇合適的焊接工藝參數(shù)。

4、工程應(yīng)用

鈦管焊接試驗(yàn)初步成功后，工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)向離子膜工程鈦管現(xiàn)場(chǎng)焊接，以驗(yàn)證焊接試驗(yàn)工藝參數(shù)的適用性。

4.1 首批TA2鈦管焊接

4.1.1 首批57X3mm鈦管對(duì)接共38道焊口，施焊中根據(jù)第二次焊接試驗(yàn)結(jié)果制訂的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表9。

4.1.2 對(duì)第一天焊接的8道焊口進(jìn)行了x射線探傷檢驗(yàn)，其中有3道焊口探傷底片上有多量超標(biāo)氣孔缺陷且焊縫表面呈淺藍(lán)色氧化色彩，現(xiàn)場(chǎng)分析認(rèn)為產(chǎn)生氣孔的原因有：管件化學(xué)清洗后與實(shí)際施焊時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)(超過(guò)4h)，因焊工忙于其它工作，造成酸洗后管件表面形成新的氧化薄膜。焊接工作臺(tái)面不清潔，導(dǎo)致酸洗后焊件被再次污染；焊接操作時(shí)距廠房門(mén)口較近，管的一端未加封堵，在對(duì)流風(fēng)作用下，電弧軸線中心發(fā)生偏移，空氣混入熔池，使熔池及背面保護(hù)效果變差，導(dǎo)致焊縫金屬中產(chǎn)生多量氣孔。

4.2 改進(jìn)措施

選擇封閉條件較好，通風(fēng)設(shè)施比較齊全的施工廠房，開(kāi)辟專用鈦管焊接場(chǎng)地，并用橡膠鋪設(shè)地面，操作人員腳穿鞋套，帶潔凈手套，用于組焊的焊接工作臺(tái)面工作前必須進(jìn)行仔細(xì)擦拭，以減少污染；必須做到化學(xué)清洗后管件、焊絲放置時(shí)間不得超過(guò)2h,否則焊前必須重新清洗；焊接前首先在管內(nèi)通35min氪氣后再進(jìn)行焊接。對(duì)于管徑乏159mm的管件，為避免氪氣的浪費(fèi)并增加焊接區(qū)保護(hù)效果，采取局部隔離充氪氣保護(hù)措施，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。為加強(qiáng)焊縫背面保護(hù)效果，對(duì)點(diǎn)固后尚未焊接的焊口表面粘貼膠帶紙。

4.3 實(shí)施

4.3.1 對(duì)剩余30道焊口按改進(jìn)后工藝進(jìn)行焊接，并分別進(jìn)行了X射線探傷檢驗(yàn)，探傷結(jié)果顯示除有1道焊口氣孔缺陷超標(biāo)CN級(jí)片）外，其余29道焊口的氣孔數(shù)量大大減少，均達(dá)到探傷合格標(biāo)準(zhǔn)，其中I級(jí)片7道，II級(jí)片18道，田級(jí)片5道。

4.3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，改進(jìn)后的焊接工藝措施更貼近實(shí)際，更趨于合理，達(dá)到了較好效果，整個(gè)離子膜工程TA2鈦材管道長(zhǎng)2700m共1154道焊縫，僅有7道焊口不合格。優(yōu)良的焊接質(zhì)益為離子膜工程按期完工，創(chuàng)造了必要的條件。

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