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钛及钛合金管道的焊接

文字来源：深圳市恒溢钛业有限公司人气：310发布时间：2018-08-21【小中大】

　　钛及钛合金是二十世纪四十年代末开始发展起来的一种优良的工业金属材料，其主要特点是密度小、比强度高、耐腐蚀、耐高温以及良好的低温性能，并且具有某些特殊的物理、化学特性，如超导、记忆、储氢等特殊功能，因此在宇航、航空、化工、石油、冶金、电力、医疗等领域得到了广泛的应用。
　　我公司承接的美国某化工项目中涉及到大量的钛及钛合金管道的焊接，该项目采用美国ASTM标准，主要包括ASTM B861GR2，GR7和GR12等级别的材料。其中ASTM B861GR2位纯钛管材，ASTM B861GR7为添加了0.12%到0.25%的钯元素的钛管，ASTM B861GR12为含钼0.3%，含镍0.8%的钛合金。由于我国钛资源丰富，储量居世界首位，因此所有钛材都从国内采购，按美国ASME IX标准进行焊接工艺评定和焊接。由于这是我公司首次焊接上述钛及钛合金管道，没有现成的工艺可用，因此必须从分析钛及钛合金的物理化学性质及其焊接性开始，制定正确完善的焊接工艺，预判其焊接过程中可能出现的缺陷问题并提前制定预防方案，方能保证该项目的顺利进行。
　　1.钛及其合金的物理化学性质
　　钛的主要物理性能为：密度4.5g/cm3，熔点1688℃，比热容522J/（kg?K），热导率16J/（m?s?K）。钛有两种结构：882℃以下为密排六方晶格结构，称为α钛；882℃以上为体心立方晶格结构，称为β钛。钛和常用的奥氏体不锈钢ASTM A312 TP304L的主要物理性能对比如下：
　　从上表可以看出，钛的比强度接近不锈钢的3倍，这让钛材在某些要求强度高、重量轻的领域（如宇航）相对于不锈钢有不可替代的优势。
　　钛的化学性质活泼，对氧有极高的亲和力。在有氧环境中钛表面易生成致密而附着力强、惰性大的氧化膜，即使氧化膜受到机械破坏，只要在氧化性介质中，其自愈性强，又可再生成氧化膜，这是钛在许多酸、碱及介质中耐腐蚀性优异的原因。钛在高温下与氧、氮、氢反应速度较快，从250℃开始吸氢，300℃以上快速吸氢；从400℃开始吸氧，600℃以上快速吸氧；从600℃开始吸氮，700℃以上快速吸氮。
　　2.钛及钛合金的焊接性分析
　　由上述钛的物理化学性质可知，钛的熔点高于不锈钢，比热容大于不锈钢，化学活性大于不锈钢，因此钛材的焊接相较不锈钢来说有更高的要求。
　　钛及其合金在高温下对氧、氮、氢和碳等具有极大的亲和力，液态的熔池和熔滴金属如得不到有效保护，则更容易受到空气等杂质的玷污，脆化程度更严重，给焊接带来困难。同时，钛合金导热性差，电阻系数大，焊接时产生的热量多，热容大，不容易散失，熔化焊时需要用惰性气体或在真空状态进行保护。
　　O，N，H，C等常作为杂质元素出现在钛合金中，这些元素本身以及它们的化合物的出现将会严重影响钛的力学和耐蚀性能。氢是影响钛性能的有害元素之一，它会导致钛的塑性与韧性降低，发生氢脆。在冷却时，焊缝中的氢来不及逸出会产生气孔，故一般要求钛材中氢的含量<0.15%。钛在高温下（600℃以上）还易与氧、氮化合，使得焊接接头的塑性韧性下降，引起气孔和裂纹。钛还极易与碳反应生成脆性的碳化物，降低塑性并影响焊接工艺可靠性。为了避免上述问题带来的危害，焊接过程中必须妥善保护那些受焊接热源影响而温度高于250℃的区域。
　　另外，Fe的存在会严重影响钛的耐腐蚀性能和综合力学性能。铁元素的分布不均匀现象会导致富Fe相区与贫Fe相区的出现，并且由此建立起自发电池，产生电偶腐蚀行为；此外，Fe会加速H的吸收，易产生氢致裂纹，造成氢脆破坏。因此，在焊接钛合金时要重视Fe的污染带来的影响。
　　钛的弹性模量较低，焊后很容易产生较大的焊接变形；钛的冷变形回弹能力强，容易给矫形带来困难。因此，在制订焊接工艺时，必须考虑到如何预防焊接变形。
　　为了避免出现常见的焊接缺陷，同时保证焊缝的力学性能和耐腐蚀性，在焊接钛及其合金时，必须制订合理的焊接工艺，以确保焊接质量。目前常用的焊接钛及钛合金的工艺有钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、等离子弧焊、电子束焊、激光束焊、钎焊等。钨极氩弧焊是焊接钛合金最常用的焊接方法，主要用于厚度在10mm以下的钛及钛合金的焊接。手工钨极氩弧焊适应性较广，焊接质量可靠，但对于厚板焊接效率较低、劳动强度较大。熔化极氩弧焊比钨极氩弧焊的效率高，主要用于焊接厚板，但焊接过程中对工艺参数和焊接环境要求较高，否则容易产生气孔。等离子弧焊接的厚度范围比较宽，从薄板到厚板都可以采用，但焊接时应注意喷嘴的损伤。真空电子束焊也越来越多的用于钛的焊接，由于在真空环境下，因此它能获得高质量的焊接接头，但同时由于需要在真空室中焊接，对工件的尺寸有所限制。与电子束、等离子束焊接相比，激光焊接具有熔池净化效应，能纯净焊缝金属，焊缝的机械性能等于或优于母材。对于某些微型、精密的零件也可以使用钎焊的方法来获得

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