钛—钢复合板烟囱钢内筒焊接工艺与应用

张宏达ZHANG Hong-da；徐隽媛XU Jun-yuan

（神华宁煤煤制油项目部，银川 750411）

（Coal to Oil Project Department，Shenhua Ningxia Coal Industry Group，Yinchuan 750411，China）

0 引言

本文详细介绍了钛-钢复合板烟囱内筒焊接工艺以及施工中的应用，希望能够为钛-钢复合板烟囱钢内筒施工提供参考。

1 概况

神华宁煤煤制油项目动力站工程1#烟囱设计为双管（240/2×Φ6m）套筒式烟囱。烟囱外筒为钢筋砼结构，高232.5m；烟囱钢内筒为内壁直径为6m，高220.65m 的圆柱形钢制排烟管，设计62m 膨胀节以上悬挂于烟囱210m 平台钢梁上，62m 膨胀节以下支撑于19.75 平台，顶标高240m，底部标高19.35m。顶部高出顶层砼平台7.5m。悬吊段高度5m，设计为20+1.2mm 厚的钛钢复合板；悬吊段上部高度26m，设计为10+1.2mm 厚的钛钢复合板；悬吊段下部至膨胀节之际设计为8+1.2mm 厚的钛钢复合板，膨胀节以下自立段设计为12+1.2mm 厚的钛钢复合板；总重量约860 吨。

2 钛板的性能

钛材由于韧性好、耐腐蚀和易于成型等优点，多用于烟囱钢内筒及各种压力容器、加热器、反应釜和特殊设备中，但钛材同时也具有熔点高，热容大，导热性差等特性。在施工过程中要比一般钢材焊接复杂，焊接难度大，焊接技术要求高。

由于钛在空气中极易被氧化，钛材焊接时，易产生气孔、裂纹等缺陷；施焊过程中熔池从液态转变成固态，焊缝和高温热影响区晶粒易长大，促使焊接接头的朔性下降。由于钛板造价比高，我国大多数先用复合板，这样一来就给焊接接头带来了很大的困难，在制造工艺中选用的是板带连接焊。在施工现场选用的是钛板1.2mm-1.4mm 与钢板爆破成型。

施工中选用钨极氩弧焊加同质焊丝或不填加焊丝，在保护良好的条件下焊接接头强度系数接近100%。

因此，焊接时对熔池、焊缝及温度超过400℃的热影响区都要加以妥善保护。焊接时评定钛氩气保护效果的好坏，最简单的方法是利用目视确定焊缝表面上的颜色，如果焊接接头保护良好，没有氧化，则焊缝和热影响区的金属表面呈银白色光泽；当该区呈其它颜色时，即所谓有一层非常薄的表面覆盖薄膜时，这时的焊接接头的冷弯性能有很大的差别。

钛的熔化温度高、热容量大、电阻系数大、热导率比铝、铁等金属低得多。上述物理特性使钛的焊接熔池具有更高的温度、较大的熔池尺寸，热影响区金属在高温下的停留时间长，因此，易引起焊接接头的过热倾向，使晶粒变得十分粗大，接头的塑性显著降低。故在选择焊接规范时，应尽量保证焊接接头（特别是热影响区金属）既不过热，又不产生淬硬组织，一般采用小电流、高焊速的焊接规范。

烟囱钢内筒钛-钢复合板焊接过程中焊缝易出现气孔，气孔是最常见的缺陷，它占钛整个焊接缺陷的70%以上。

3 钛-钢复合板焊接工艺

3.1 焊前清理 钛复层（TA2）的焊前清理非常重要，由于其清理的不细致引起污染的钛材、钛焊丝被使用，其危害是致命的。

钛-钢复合钢板中钛复层（TA2）焊接时，焊前应对钛盖板及钛焊丝进行化学清洗，酸溶液用HNO3、HF、H2O 混合配制，清洗后必须用清水冲净，然后烘干，即可使用，若暂时不用的应妥善保管，以免造成新的污染。

施焊前，对于钛材再用洁净白布蘸丙酮擦洗。复层钛（TA2）清理范围距离焊边至少40mm，焊件清理后要尽快施焊。清理干净的焊丝和焊件，不应用手触摸，焊前严禁沾污，否则应重新清理。焊接坡口不能沾污，为提高焊接冶金质量，临焊前用刮刀刮削坡口端面，用不锈钢丝刷清理钛复层至少40mm。

3.2 钢内筒钛条装配 钛条装配时不能用铁器敲打焊件，应采用铜锤或铝锤敲击焊件，避免产生凹坑和铁污染。钛条装焊时所用的工具都应用丙酮或酒精清除灰尘、油脂等污物，且这些工具不能与钢结构焊接所用的工具混用。焊工和装配钳工应戴洁净的白手套，穿洁净的工作服。

3.3 焊接材料 焊接钛（TA2）应采用高纯度的氩气进行焊接，其纯度不应低于99.99%（一级纯氩）。

钛焊丝严格按JB/T4745-2002 标准采购焊丝并加强复验。一般来说，工业纯钛焊接时，填充金属与母材的标称成分相同。填充丝直径1～3mm。

对于厚度大于1.0mm 的焊件来说，喷嘴已不足以保护焊缝和近缝区高温金属，一般需附加拖罩，拖罩宽25～60mm，手工焊拖罩长40～100mm，为了便于操作，喷嘴和拖罩可做成一体，视焊件厚度而定，薄的焊件拖罩短些，厚的拖罩则要长些。焊接直缝用平的拖罩，分布管靠近进气的一侧钻有直径0.8～1.0mm 小孔，孔距10mm 左右。氩气经不锈钢网或多孔板进入保护区，多孔板厚0.8～1.0mm，孔径1.0mm，孔距8～10mm。不锈钢网或多孔板起到类似气筛作用。网或多孔板到焊件的距离10～20mm，以保证保护效果。应注意保护焊缝背面，钛密度小，熔池表面张力大，焊漏的可能性比钢小，只要保护良好，容易获得良好的背面焊缝成形。在多数情况下，背面保护可以采用类似拖罩的结构。为加强冷却可采用纯铜背面垫板，垫板有凹槽，槽深2mm 左右，宽3～8mm，视板厚而定，槽下有通气孔，孔径1.0mm，孔距10mm，通氩气以实现背面保护。

3.4 钛-钢复合板焊接方法 钛材一般采用钨极氩弧焊或熔化极氩弧焊的方法进行焊接，其中钨极氩弧焊一般用于薄板焊接，手工钨极氩弧焊采用了氩气保护，合金元素基本没有烧损，焊缝结晶组织较细，热影响区最窄，接头性能好。

在钨极氩弧焊填丝焊接时，采用焊丝距熔池一定高度导入，使焊丝熔化后不直接进入熔池，而是在电弧区下落，起到熔滴净化去气作用，可明显减少气孔。

3.5 钛板焊接设备 焊接设备应简单、操作方便，可进行全位置焊接。所选焊机的引弧、稳弧性能要好，焊接过程中规范参数稳定，调节方便，冷却水、保护气体供应系统安全可靠。复层钛的焊接保护要好，输送氩气的管道应采用不易吸潮材料的塑料管，每次开机前对输气管进行检查，开机后，检查氩气的出气情况，若发现其中输气管不正常，要由专业人员及时检修，待检修完成后，再次检查，直到输气系统一切正常后，才可进行下一步工作。

3.6 焊接工艺

①坡口型式

由于钛与铁之间能形成TiFe、TiFe2脆性化合物，因此钛钢复合板焊接时，要通过结构设计和合理的选择焊接参数才能实现钢基层与钛复层互不熔合，即钛与钛、钢与钢各自进行焊接。

先焊钢基层，打底焊接用焊条电弧焊，焊接参数要小，防止钛复层熔化，除（一）型接头外，都要求焊透。本设备选择（二）型。未焊透应在钛复层一侧补焊。焊缝经检验合格后方可进行钛复层焊接。焊接钛复层时，用小的热输入，严防钢层熔化。

②工艺参数

钛的钨极氩弧焊的工艺参数主要有焊接电流种类、焊接电流、保护气体流量等。对于板厚为1.6mm 的TA2，焊丝直径应为1.0～2.0mm，焊接电流应为60～80A，喷嘴氩气流量为10～12L/min，拖罩氩气流量应为14～16L/min。

③焊接电流

焊接电流是氩弧焊的主要参数，电流增大，焊缝熔透深度和焊缝宽度增大，而余高减小，易产生烧穿、焊瘤等现象。电流过小，则易产生未熔透、夹渣及成型不规则等现象。

④焊接速度

焊接速度的选择主要根据工件厚度决定并和焊接电流配合以保证所需的熔深和熔宽。焊接速度增大时，焊缝的余高以及焊缝宽度都相应减小，同时还会影响氩气对熔池的保护。当焊接速度太快时，气体保护受到破坏，焊缝容易产生未焊透和气孔。如果焊接速度太慢，会产生凹陷、烧穿等现象。

⑤喷嘴与工件的距离

距离越大，气体保护效果越差，但距离太近会影响焊工视线，且容易使钨极与熔池接触，产生夹钨，一般喷嘴端部与工件的距离在8～14mm 之间。

⑥焊丝加入熔池的方式

焊接时，将焊丝末端在氩气保护层内往复断续地送入熔池的1/3～1/4 处。焊丝移出熔池时不可脱离气体保护区，送入时不可接触钨极，不可直接送入弧柱内。这种方法适用于电流较小，焊接速度较慢的情况。二是连续送丝法，在焊接时，将焊丝插入熔池一定位置，随着焊丝的送进，电弧同时向前移动，熔池逐渐形成。这种方法一般适用于电流较大，焊接速度较快的情况，质量也较好，成形也美观。但需要熟练的操作技术。

4 钛-钢复合板焊接检验

4.1 检验人员 焊接质量检验人员应经技术培训，能正确掌握焊缝质量评判标准。无损检测检验人员应具有有关部门认可的资格。

4.2 检验程序及项目 焊接质量检验应包括工序检验和成品检验。焊接工序之间应经质检人员认可后，方可转入下道工序施工。成品检验项目一般包括外观检验、无损检测、铁离子检查等。

4.3 外观质量检验

①可用肉眼或五倍放大镜对焊缝外形尺寸及表面质量进行检查。外观检查率为100%。

②焊缝外形几何尺寸应符合设计图样要求。

③焊缝成形应均匀、致密、平滑地向母材过渡，不应有裂纹、未熔合以及超出规定的咬边、气孔、夹渣、弧坑等缺陷。

④钛焊缝不应有咬边。钢焊缝的咬边深度不应大于基层板厚的10%，且不应大于0.5mm，咬边的连续长度不应大于100mm，焊缝两侧咬边的总长度不应超过该焊缝总长度的10%。

⑤钛焊缝表面不允许存在深度大于等于0.5mm 的划伤。若有大于等于0.5mm 的划伤应清除。清除后的焊缝表面不应低于母材表面。

⑥应对所有的钛焊缝和热影响区原始状态的表面颜色进行检验。

⑦低倍焊缝检查。

⑧无损检测。

钛焊缝按JB/T 4730.5 规定的方法进行渗透检测。无损检测方法、检测范围及合格标准，应符合设计图样和技术条件的规定，或符合供需双方协议的要求。

⑨铁离子检查。

钛复层焊接后，焊接区应进行铁离子检查。铁离子检查液的配方是：铁氰化钾K3（Fe（CN）6）3g，盐酸20mL，蒸馏水75mL。检查前，被检表面用丙酮擦净。检查时，受检表面滴上检查液，若检查液呈橙色（溶液本色），表明钛面无污染。若检查液呈蓝色，说明钛面有污染，则该表面应用丙酮重新擦拭，直至检查液呈橙色为止。

5 钛（TA2）焊接常见缺陷及预防措施

5.1 焊缝气孔

①氩气及母材、焊丝中不纯气体（O2、H2、N2、H2O）的影响氩气及母材、焊丝中含H2、O2及H2O 量的提高，都会明显使焊缝气孔增加。

②表面层的影响钛板及焊丝表面常受到外部杂质的污染，这包括水分、油脂、氧化物、含碳物质、尘埃、砂粒、磨料质点（表面用砂轮磨后或砂纸擦磨后的残余物）、有机纤维、脏指印及吸附的气体等，这些杂质对钛及钛合金气孔的生成都有一定的影响，特别是对接端面处的表面杂质污染对气孔形成的影响更为显著。

消除气孔的主要措施如下：

①用高纯度的氩气进行焊接，其纯度不应低于99.99%（一级纯氩）。

②焊前焊丝和工件接头附近表面，特别是对接端面必须认真进行机械清理，机械清理后再进行酸洗，酸洗后用清水再清洗，临焊前，工件对接面再用丙酮或酒精仔细擦洗。

5.2 裂纹 由于工业纯钛（TA2）中S、P、C 等杂质很少，低熔点共晶很难在晶界出现，有效结晶温度区间窄，加之焊缝凝固时收缩量小，母材和焊丝质量不合格，特别是焊丝有裂纹、夹层处存在大量有害杂质时，则有可能出现焊接热裂纹，因此要特别注意焊丝质量，严格按JB/T4745-2002 标准采购焊丝并加强复验。还有一种是焊接保护不良，焊缝变脆引起的焊接热应力裂纹。

5.3 钨夹杂 手工氩弧焊时，因操作不慎可能产生钨夹杂，引弧出现弧坑后，下降焊炬又未及时提高钨极，弧坑周围的液态金属填平弧坑、埋住钨极尖，熔池凝固后就形成钨夹杂。

5.4 保护不良引起的缺陷 在保护不良时，氧、氮等进入焊缝及近缝区引起冶金质量变坏，焊缝和近缝区颜色是保护效果的标志，银白色表示保护效果最好，淡黄色为轻微氧化，一般是允许的。

5.5 未焊透 未焊透是氩弧焊易出现的焊接缺陷，这与电弧特性有关，电弧张角大（约45°），弧长少量变化引起工件加热面积较大变化。由于钛的密度小，液态表面张力大，故烧穿的可能性比钢小。

6 结束语

由于钛及钛合金具有良好耐腐蚀性能，在氧化性、中性及有氯离子的介质中其腐蚀性均优于不锈钢，有时甚至超过1Cr18Ni9Ti 不锈钢的10 倍。因此在化工、海洋工程、海水淡化，电站冷凝器方面获得成功的应用。近几年，我国在电厂采用钛-钢复合钢板制作烟囱钢内筒，开创了我国钛-钢复合钢板制作烟囱内筒的先河。

[1]GB50205-2001，钢结构工程施工质量验收规范[S].

[2]火力发电厂焊接篇.DL5007-92，电力建设施工及验收技术规范[S].

[3]GB-3323，钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级.