0 引言
鈦因其優(yōu)良的耐腐蝕性而被大量用作各種化學(xué)反應(yīng)容器、熱交換器材料，但缺點是成本較高，而采用鈦復(fù)合板則有效地解決了此問題。鈦復(fù)合板是以鈦材為覆層，碳素鋼或低合金鋼為基層，采用爆炸復(fù)合法或軋制壓接法制成的一種新型雙金屬高效節(jié)能材料。鈦復(fù)合板具有基層普通鋼板的高強(qiáng)度和覆層鈦金屬的耐蝕性，它既可以節(jié)約大量的鈦材，又能具有任何單一金屬不具備的性能。因此，采用鈦復(fù)合板制作的設(shè)備筒體、管板、封頭相比采用純鈦，既能保證性能，工程造價也能顯著降低。近年來，鈦復(fù)合板已在石油化工、冶金、海洋工程等方面廣泛應(yīng)用，其中在制鹽及化工制造的應(yīng)用日益增多，掌握鈦復(fù)合板的焊接工藝，可顯著提升承接此類項目的技術(shù)能力，提高競爭力。
1 難點分析
1.1 鈦材難點分析
鈦具有很高的化學(xué)活潑性，與空氣中的氧、氮、氫有極強(qiáng)的親和力。超過600℃鈦開始吸氧并使氧溶解到鈦中。在300℃以上開始吸氫，在700℃以上開始吸氮。氧和氮會使鈦強(qiáng)度和硬度增高而塑性降低，氮比氧的影響程度更大，氫會使焊縫金屬的沖擊韌性急劇下降，而塑性卻下降較少，產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象。同時，氫也是引發(fā)焊縫產(chǎn)生氣孔和裂紋的根源。所以在熔化焊接過程中，應(yīng)盡量降低氧、氮、氫的含量。
鈦是有同素異形體轉(zhuǎn)變的金屬，并且它的熔點高，導(dǎo)熱性差，冷卻較慢。鈦在882.5℃開始發(fā)生組織的固態(tài)轉(zhuǎn)變，如果在液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的時間增加（也就是在焊接時近縫區(qū)的高溫停留時間較長），則冷卻至室溫后容易促使熔池結(jié)晶的柱狀晶長大和接頭熱影響區(qū)加寬，出現(xiàn)晶粒粗大的金相組織，使焊接接頭塑性下降。因此，焊縫質(zhì)量的優(yōu)劣還取決于焊接時焊縫所受到的熱輸入大小和焊縫強(qiáng)制冷卻好壞的影響。
氣孔是鈦焊縫中常見和較難避免的缺陷，氣孔生成的機(jī)制是焊接過程中溶入液態(tài)金屬中的氣體經(jīng)過擴(kuò)散、脫溶、成核、長大等過程而形成氣泡。由于熔池的凝固結(jié)晶速度很快，長大的氣泡來不及逸出液態(tài)金屬時就以氣孔的形式殘留在固態(tài)金屬中，所以應(yīng)盡量減少釀成氣孔的氫氣和一氧化碳等氣體的來源。
1.2 鈦復(fù)合板難點分析
鈦復(fù)合板焊接，難點在于鈦與鋼的過渡層處理。如直接采用熔化焊，在熔合區(qū)中會形成FeTi及Fe2Ti等脆性金屬間化合物，這些金屬間化合物和低熔點的共晶體將急劇提高材料的強(qiáng)度，而大大降低材料的塑性，直接影響焊接接頭的力學(xué)性能。另外，由于鈦與鋼的熱物理性能差異大，造成焊縫冷卻過程中的收縮不均勻，產(chǎn)生較大的焊接內(nèi)應(yīng)力，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致焊縫開裂。因此，鈦與鋼直接采用熔化焊的方法形成連續(xù)的焊接接頭幾乎是不可能的。
本文從避免鈦與鋼直接相焊、減少鈦吸收空氣中氧、氮、氫的途徑，縮短在高溫中停留的時間、減少鈦污染等幾個方面來制訂焊接工藝參數(shù)及相應(yīng)措施。
2 坡口形式對比
坡口形式是避免鈦與鋼直接相焊的主要措施，設(shè)計科學(xué)實用、經(jīng)濟(jì)合理的焊接坡口對復(fù)合板焊接尤為重要。根據(jù)調(diào)研查找，鈦復(fù)合板常見的接頭形式如圖1所示，各坡口形式的優(yōu)缺點見表1。
圖1 接頭形式
表1 常見鈦復(fù)合板接頭形式的優(yōu)缺點
通過對幾種復(fù)合板坡口形式的對比分析，選擇第2種焊接接頭較合理，此種接頭是在焊接鋼板前要在焊接區(qū)域?qū)⑩伕矊尤ココ伕矊雍髸霈F(xiàn)缺口，再采用鈦填板及蓋板結(jié)構(gòu)將鈦覆層構(gòu)件結(jié)合起來，鈦填板的間隙盡量小。此接頭將鈦復(fù)合板焊縫分為碳鋼基層和鈦覆層2種焊縫，完全避免了鈦和鋼直接熔合。
但是相較于推薦的坡口形式，筆者根據(jù)實際情況，對其進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的接頭形式如圖2和圖3所示。由于鈦填板焊縫對強(qiáng)度影響不大，因此優(yōu)化后的接頭形式減少了鈦填板上的2道焊縫，從而減少了坡口加工、焊接和打磨工序，優(yōu)化了焊接工藝程序，進(jìn)一步保證焊縫質(zhì)量。
圖2 鈦復(fù)合板坡口形式
圖3 實拍鈦復(fù)合板接頭形式
3 氣體流量及噴嘴尺寸對保護(hù)效果的影響
鈦覆層焊接時，需采用手工TIG焊，而鈦覆層相對于不銹鋼，導(dǎo)熱性差，熔池直徑較大，故采用與焊不銹鋼相同的噴嘴并不能達(dá)到理想保護(hù)效果。為此，分別采用了5#，7#，9#及15#不同尺寸的噴嘴，在其他條件相同的情況下，試驗改變氣保護(hù)范圍是否對焊接質(zhì)量有影響。試驗結(jié)果見表2。
表2 保護(hù)效果對比
因此，保護(hù)效果好壞除保護(hù)氣體的純度很重要外，還與噴嘴幾何尺寸設(shè)計有關(guān)，為增大熔池保護(hù)區(qū)域，焊槍采用9#，15#噴嘴，氣體流量采用10～15 L/min，既能保證在保護(hù)區(qū)域內(nèi)不產(chǎn)生紊流，又能達(dá)到理想的保護(hù)效果。
4 尾部保護(hù)氣罩的設(shè)計
由于鈦在高溫容易吸收氧、氫、氮，因此，需要在剛焊接完成的焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行充氬保護(hù)，即尾部保護(hù)，這樣就需要設(shè)計合理的尾部保護(hù)罩。
4.1 保護(hù)罩結(jié)構(gòu)
制作的保護(hù)罩結(jié)構(gòu)如圖4所示。該保護(hù)罩為長方形設(shè)計，頭部采用弧形傾斜面設(shè)計，這樣可以在不影響焊接操作的情況下盡可能地增大焊接區(qū)和熱影響區(qū)的保護(hù)面積，從而使保護(hù)效果增強(qiáng)。保護(hù)罩由下部氣篩層和上部封閉層組合而成，氣篩層中鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)，保護(hù)罩上設(shè)有連通封閉層的進(jìn)氣管，氣篩層下部設(shè)有出氣孔。保護(hù)氣體經(jīng)保護(hù)罩上設(shè)置的進(jìn)氣管通入，經(jīng)氣篩在焊縫區(qū)域形成均勻的保護(hù)氣體氛圍，從而有效防止鈦焊接時被氧化，保證焊接質(zhì)量。
圖4 尾部氣體保護(hù)罩
4.2 保護(hù)罩尺寸
保護(hù)罩的設(shè)計原則是：在拖罩移動中，需保證在400℃以上區(qū)域處于氣體保護(hù)中。罩體的大小與冷卻速度有關(guān)。因此，采用了同樣的氣體流量，保護(hù)罩的高度和寬度相同，改變保護(hù)罩長度進(jìn)行對比試驗，見表3。
表3 改變保護(hù)罩尺寸對保護(hù)效果的影響
在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，保護(hù)罩長度過長，會導(dǎo)致氣體流量需增大，浪費氣體；保護(hù)罩長度過短，易使仍處在高溫的焊縫未處于保護(hù)狀態(tài)中，為了使焊縫在保護(hù)氣體中，則需要停止焊接，這樣就增加了接頭數(shù)量。
通過試驗，保護(hù)罩長度為150～170 mm，寬度為55 mm，高度為40 mm為宜。另外，保護(hù)罩的尺寸還與焊件厚度、環(huán)境溫度、熱輸入有關(guān)，焊件厚度厚、環(huán)境溫度高、熱輸入大，冷卻速度會降低，就要增加保護(hù)罩的尺寸及氣體流量。具體需根據(jù)實際情況確定。
4.3 鋼絲網(wǎng)鋪設(shè)
在氣篩層中鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)，其目的是確保氬氣充滿拖罩氣腔，并形成穩(wěn)定層流。采用30目鋼絲網(wǎng)進(jìn)行鋪設(shè)，同時用5 mm×10 mm菱形鋼絲網(wǎng)固定，以確保鋼絲網(wǎng)鋪設(shè)均勻，無折疊。采用相同保護(hù)罩、相同氣體流量進(jìn)行鋼絲網(wǎng)不同鋪設(shè)層數(shù)對比試驗，結(jié)果見表4。
表4 鋼絲網(wǎng)鋪設(shè)層數(shù)對保護(hù)效果的影響
由此可見，鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)非常重要，否則會大大影響保護(hù)效果，鋪設(shè)2～3層為宜，鋪設(shè)2層的效果最好。
4.4 氣體流量
由于氣篩層中鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)，為保證保護(hù)區(qū)內(nèi)的氣體為層流，通過試驗確定保護(hù)罩氣體流量應(yīng)不小于30 L/min。較大的氣體流量的導(dǎo)熱效果也較好，可以提高保護(hù)區(qū)內(nèi)焊接接頭的冷卻速度，確保400℃以上的焊接接頭都能得到較好保護(hù)。
此保護(hù)罩的應(yīng)用，可得到理想的保護(hù)效果，整個焊接接頭及熱影響區(qū)表面顏色都能達(dá)到銀白色，并且保護(hù)效果穩(wěn)定。
5 焊接工藝
以厚18 mm鈦復(fù)合板為例，制訂合理的焊接工藝。對于鈦復(fù)合板，焊縫分為碳鋼基層焊縫和鈦覆層焊縫。作為基層焊縫，我國技術(shù)已相對成熟，對其焊接要求在此不贅述。
5.1 焊接工藝的選擇
5.1.1 焊接方法及設(shè)備
由于基層為碳素鋼或低合金鋼，其焊接工藝在我國較成熟，最常見的焊接方法為焊條電弧焊及CO2氣體保護(hù)焊，本試驗采用的是焊條電弧焊。
對于鈦覆層，由于鈦的化學(xué)活性大，所以不能采用焊條電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊等焊接方法進(jìn)行焊接。目前常采用的焊接方法是鎢極氬弧焊、埋弧焊和真空電子束焊等焊接方法。考慮生產(chǎn)效率、施焊成本及現(xiàn)場施工環(huán)境情況，最終選擇了常用的鎢極氬弧焊方法。
焊接設(shè)備采用ZX7－400STG逆變式焊機(jī)，該設(shè)備具有高頻引弧、熄弧衰減功能，可用于鎢極氬弧焊、焊條電弧焊2種方法進(jìn)行焊接，一機(jī)兩用可減少設(shè)備投入。
5.1.2 母材
母材材質(zhì)：覆層為TA2鈦板，基層為Q345R鋼板。母材厚度：覆層為2 mm，基層為16 mm。鈦填板、鈦蓋板材質(zhì)均為TA2，厚度均為2 mm。
5.1.3 焊接材料
（1）基層材料為碳素鋼或低合金鋼，由于組對應(yīng)力、偏析、合金元素等原因，產(chǎn)生裂紋傾向的將增大，為保證焊接質(zhì)量，焊接材料選用型號為E5015的堿性碳鋼焊條。為了既適應(yīng)坡口尺寸，又能保證施焊效率，采用了2種直徑的焊條，分別是φ3.2 mm 和 φ4.0 mm。
（2）鈦覆層采用純鈦焊絲TA2ELI，直徑為2.0 mm。
5.2 坡口形式的加工及焊道排布
焊接時采用的坡口形式如圖6所示。坡口加工一般采用冷加工方法，也可以采用等離子弧切割的加工方法，加工坡口時應(yīng)注意對鈦覆層表面的防護(hù)。坡口加工結(jié)束后，應(yīng)對坡口兩側(cè)及鈦覆層表面進(jìn)行檢查，如果發(fā)現(xiàn)鈦覆層表面有劃傷或損傷，應(yīng)及時進(jìn)行修補(bǔ)。鈦復(fù)合板應(yīng)先焊接碳鋼基層焊縫，檢驗合格后，再焊接鈦覆層焊縫。以基材鋼板厚度為16 mm，鈦覆層板厚度為2 mm的鈦復(fù)合板為例，焊道排布如圖6所示。
圖6 鈦復(fù)合板焊道排布
5.3 鈦覆層清理及防護(hù)
對于鈦覆層焊縫，要嚴(yán)格控制氧、氫、氮的來源。氧、氫、氮不僅來源于空氣中，其他可能熔入熔池的雜質(zhì)也是上述氣體的重要來源之一。這些雜質(zhì)元素除使鈦焊縫的力學(xué)性能變差，降低焊縫的耐腐蝕性外，還是焊縫中產(chǎn)生氣孔的根源。因此，在焊接操作過程中，施焊環(huán)境、清理坡口及焊件的保護(hù)尤為重要。
5.3.1 施焊環(huán)境
煙塵中含有大量的有害雜質(zhì)，這些雜質(zhì)很容易通過環(huán)境過渡到熔池和焊縫中，形成焊接缺陷。尤其是作業(yè)區(qū)存在鐵污染時，會使焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能降低，嚴(yán)重時產(chǎn)生焊接裂紋。所以鈦層焊接時，要確保該區(qū)域的空氣潔凈、無塵、無煙。
另外，空氣中的水分對焊接影響很大，這也是產(chǎn)生氣孔的原因之一。空氣相對濕度越大，越容易產(chǎn)生氣孔，當(dāng)濕度超過90%時，在焊縫中容易形成密集氣孔。根據(jù)實踐經(jīng)驗，如將空氣相對濕度控制在70%以下，可較好地控制由濕度引起的焊接氣孔。
焊接時的風(fēng)速應(yīng)符合下列規(guī)定：焊條電弧焊時風(fēng)速不應(yīng)大于8 m/s，鎢極氬弧焊速不應(yīng)大于2 m/s。
環(huán)境溫度應(yīng)不低于－5℃，試板溫度不低于5℃。在雨、雪天氣施焊時，應(yīng)采取防護(hù)措施。
5.3.2 焊前清理
鈦覆層以及焊絲很容易被污染，如鈦復(fù)合板生產(chǎn)過程用的潤滑劑殘留以及氧化膜、油污、油漆、涂層、手印等。如果這些污染物不在焊接前清除掉，將會在焊接時與電弧熱作用分解出有害雜質(zhì)溶于焊縫金屬中，對焊縫質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。所以焊前清理是成功焊接鈦覆層的一個重要環(huán)節(jié)。
焊接前焊絲要保持清潔、干燥，焊絲使用前應(yīng)切除端部已被氧化的部分，用砂紙和丙酮去除表面的氧化物和油脂。
焊件清理時，要用專用磨光機(jī) （應(yīng)采用尼龍磨光片）清除焊接區(qū)的油污及氧化皮等污物，直至使焊件表面除凈氧化物，呈銀白色金屬光澤為止。焊前再用丙酮或酒精擦凈焊絲及焊件焊接區(qū)域的表面。并仔細(xì)地檢查焊接區(qū)和焊絲有無裂紋和夾層，若有，需清除后再焊接作業(yè)。清洗后不能直接進(jìn)行焊接作業(yè)，待坡口端面晾干后方可以作業(yè)。如不能及時焊接，應(yīng)對焊接區(qū)予以保護(hù)。清理時間到焊接時間超過2 h，應(yīng)重新清理。焊工用手套應(yīng)潔凈，避免將棉質(zhì)纖維附于焊件表面。每次熄弧后再焊接時都應(yīng)進(jìn)行焊前清理，去除焊件和焊絲表面氧化物后，用丙酮或酒精擦凈，再繼續(xù)焊接。
5.3.3 鈦覆層防護(hù)
為防止焊接操作過程中對鈦覆層造成污染，采用1 mm不銹鋼板對鈦焊縫的兩側(cè)各25 mm外的區(qū)域進(jìn)行防護(hù)，并且在基層焊接時，對整面鈦覆層進(jìn)行防護(hù)。
5.4 組對
（1）組對時應(yīng)以鈦覆層為基準(zhǔn)，錯邊量不應(yīng)大于1 mm，必須嚴(yán)格控制錯邊量，防止因錯邊量過大而影響鈦覆層焊接質(zhì)量。
（2）定位焊縫只允許在基層金屬上，應(yīng)在基層側(cè)進(jìn)行。裝配、定位使用的焊接材料必須與正式施焊焊接材料相同。
（3）如遇因定位焊焊縫開裂等原因引起的錯邊量超標(biāo)，必須修正后再進(jìn)行焊接。
5.5 基層施焊
（1）碳鋼基層焊縫采用常規(guī)焊接工藝參數(shù)即可。打底焊時，采用小直徑焊條，斷弧焊焊接，采用單面焊雙面成形工藝，背面焊縫余高應(yīng)達(dá)0.5～1 mm，避免打底焊縫返修。填充及蓋面焊宜采用大焊條，焊接時熱輸入不宜太大，過大的熱輸入會使鈦覆層因溫度過高而被氧化，或產(chǎn)生復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度下降和界面剝離等問題。
（2）層間溫度控制在150℃以下。
（3）焊接及打磨時要注意鈦覆層的防護(hù)，避免電弧焊的飛濺物及打磨飛濺物污染鈦覆層。
（4）碳鋼基層焊接完成后，要將背面的焊縫余高磨平。
（5）定位焊焊縫在碳鋼基層內(nèi)進(jìn)行焊接，錯邊量小于1 mm。
（6）通過工藝試驗，確定了基層的焊接工藝參數(shù)，見表5，現(xiàn)場施焊及焊縫成形如圖7所示。
表5 基層焊接工藝參數(shù)
圖7 基層現(xiàn)場施焊及成形
5.6 鈦覆層施焊
（1）由于鈦材熔點高，導(dǎo)熱性差，冷卻較慢，如果在焊接時近縫區(qū)的高溫停留時間較長，冷卻至室溫后容易出現(xiàn)晶粒粗大的金相組織，會導(dǎo)致近縫區(qū)的塑性下降，故應(yīng)避免采用較大的熱輸入焊接。因此，應(yīng)在保證熔合的前提下，采用小電流、小熱輸入焊接，熱輸入要控制在7～25 kJ/cm。
（2）控制好焊接速度，不宜過快或過慢。因鈦材熔化時流動性較差，為保證焊透，焊接時焊速不宜過快，但是過慢會使焊縫冷卻速度降低，影響焊接質(zhì)量。所以應(yīng)在保證焊透的前提下，盡量提高焊速。
（3）焊接時，焊工要戴潔凈的手套，不得觸摸坡口及其兩側(cè)的附近區(qū)域，采用專用工具清理鈦材表面，嚴(yán)禁鈦材表面及焊接區(qū)與鐵器接觸。
（4）引弧時禁止鎢極直接接觸鈦材。
（5）焊槍噴嘴噴出的氣流為穩(wěn)定層流。焊接過程中，要隨時檢查噴嘴及輸氣帶的狀況，以防其影響焊接質(zhì)量。
（6）氬氣純度必須達(dá)到99.99%以上，如有氣孔或裂紋出現(xiàn)，焊槍中的保護(hù)氣采用99.999%的氬氣，可有效改善。
（7）焊接時，焊絲的加熱端要始終處在氬氣保護(hù)之中，熄弧后焊絲不得立即暴露在空氣中，要在焊縫脫離保護(hù)時取出，若焊絲被污染氧化變色，要剪去污染部分后再使用。
（8）引弧時，焊槍提前送氣30～60 s，熄弧時使用電流衰減裝置和延時氣體保護(hù)裝置，延時保護(hù)時間 30～60 s。
（9）熄弧時弧坑要填滿，焊后焊槍不能立即移開。
（10）焊槍傾角在90°左右，這樣可以確保噴嘴噴出的保護(hù)氣體均勻地保護(hù)熔池附近，避免空氣進(jìn)入，保證焊接質(zhì)量，也能更方便尾部的跟罩保護(hù)。
（11）筆者通過一系列工藝試驗，確定了鈦覆層的焊接工藝參數(shù)，具體見表6，現(xiàn)場施焊及焊縫成形如圖8所示。
表6 鈦覆層焊接工藝參數(shù)
圖8 覆層現(xiàn)場施焊及焊縫成形
6 焊接工藝試驗
按照上訴擬訂的焊接工藝進(jìn)行了鈦復(fù)合板工藝試驗。本試驗是通過外觀檢查、無損檢測、力學(xué)性能檢驗來驗證鈦復(fù)合板焊接工藝的可靠性。
6.1 外觀檢驗
在此工藝條件下，焊縫成形美觀，焊縫寬度及高度合適，沒有裂紋、夾渣、咬邊、未熔合、焊瘤、弧坑和氣孔等缺陷。
鈦材的焊接檢驗除常規(guī)的外觀外，對焊道的表面還應(yīng)進(jìn)行色澤檢查，焊縫及被保護(hù)區(qū)為銀白或金黃色為合格。所焊試件的鈦焊縫和熱影響區(qū)表面顏色為銀白色。可見，該焊接工藝下焊縫的外觀符合要求。
6.2 無損檢驗
基層焊接完成后，將背面的焊縫余高打磨平整，然后對基層焊縫按照J(rèn)B 4730—2005《承壓設(shè)備無損檢測》進(jìn)行X射線探傷，焊接接頭內(nèi)部熔合情況較好，未發(fā)現(xiàn)任何缺陷。射線探傷后再進(jìn)行鈦覆層的焊接，然后對鈦覆層焊縫進(jìn)行滲透探傷，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)任何缺陷。
6.3 力學(xué)性能檢驗
對焊接接頭全焊縫按照GB/T 232—2010進(jìn)行側(cè)彎試驗，取4個側(cè)彎試樣，彎曲角度180°，試樣厚度為10 mm，彎心直徑為試樣厚度的4倍，即40 mm。試驗結(jié)果表明，在彎曲部分的外側(cè)沒有裂紋，檢驗結(jié)果合格。
對焊接接頭全焊縫進(jìn)行按照GB/T 228—2010熔敷金屬拉伸試驗，取2個橫向拉伸試樣。試驗結(jié)果表明，接頭的抗拉強(qiáng)度分別為570 MPa和535 MPa，均合格。
7 結(jié)論
（1）通過對鈦復(fù)合板進(jìn)行的焊接工藝試驗，各項指標(biāo)均能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，證明了該焊接工藝的正確性和可行性。
（2）優(yōu)化的新型接頭形式既有效解決了鈦材不能與碳鋼相焊的問題，又可以滿足鈦復(fù)合板性能要求，同時提高了勞動效率，降低成本。
（3）設(shè)計的新型尾部保護(hù)罩，能夠得到理想的保護(hù)效果，并且保護(hù)效果穩(wěn)定。
（4）施焊環(huán)境、焊前清理和鈦覆層的防護(hù)的控制是避免焊接缺陷的重要措施。
（5）選擇合適的氬弧焊焊槍噴嘴，不僅能保證氣體保護(hù)區(qū)域內(nèi)不產(chǎn)生紊流，還能收到理想的保護(hù)效果。
（6）合理的熱輸入、焊接速度及焊接操作方法是焊接鈦復(fù)合板成功的關(guān)鍵。
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