钛管子管板自动钨极氩弧焊工艺

刘玉祥

（森松（江苏）重工有限公司上海分公司，上海 201323）

由于钛具有良好的耐蚀性，近年来，钛换热器在PTA、盐水换热、污水处理等行业得到了广范的应用。钛换热器管子与管板的焊接质量是决定设备使用寿命的关键因素，往往设备运行一段时间后，因管子管板焊接接头过多泄漏，造成设备报废，因此提高管子管板焊接质量是换热器设备制造中的重中之重，自动钨极氩弧焊具有机械化程度高，焊接质量好的优点，因此钛换热器管子管板焊接采用自动钨极氩弧焊工艺具有普遍推广的意义[1-2]。

1 管子管板自动钨极氩弧焊机介绍

本次试验使用的自动钨极氩弧焊机为国内某公司生产，该焊机机头为手持式操作，相比龙门式管子管板自动焊机，具有操作灵活的特点，可提高工作效率。机头周向有3 根支撑杆与管板平面同时接触，机头中心杆插入管子内通过气胀夹头固定，确保机头与管子同心，保证机头全位置焊接能得到优质焊缝，焊机基本技术参数如表1 所示。

表1 焊机基本参数Table 1 Basic parameters of welding machine

2 钛的焊接

2.1 钛的焊接性

钛是一种化学性质非常活泼的金属，在较高温度下与许多元素和化合物发生反应，特别是与空气中的氢、氧、氮发生反应，导致焊缝金属脆化，焊缝性能下降。钛焊接时对气孔有一定的敏感性，当焊缝金属中的氢原子达到一定浓度时，极易形成氢气孔。钛应避免铁离子污染，铁离子与钛会形成硬脆的TiFe相，降低钛的耐腐蚀性，并且TiFe 相还会加快钛的吸氢速度。由于钛材中的碳、硫、磷等杂质元素较低，很少有低于熔点共晶体在晶界处产生，同时钛的结晶温度区间窄，钛液态金属凝固时收缩量小，因此钛的热裂纹敏感性低[3]。

2.2 钛焊接的保护

钛焊接时应采用高纯度氩气保护，焊枪尾部应加氩气托罩保护，背面充氩保护，以防止钛在高温时吸氢、氧、氮。钛焊接前应对焊接区域采用丙酮清洗，防止焊接过程中产生气孔。钛的焊接场地应为洁净区域，不应与碳钢、低合金钢等材料接触，避免铁离子污染，焊接前应对钛表面蓝点检测，确定钛表面是否被污染。

3 管子管板坡口

管子管板坡口形式宜采用J 型坡口，相比V 型坡口，J 型坡口根部平缓，便于焊接过程中液态金属铺开，坡口根部更容易焊透。此次试验中管板材料为SA-182 F304L+SB-265 Gr.1 钛复合板，管子材料为SB-338 Gr.3，管子管板为外伸结构，具体结构及坡口形式如图1 所示。

图1 管板结构及坡口形式Fig.1 Tubesheet structure and groove form

4 焊接规范参数的确定

4.1 峰值电流与基值电流

峰值电流作为焊接电流，对管子管板根部焊透及焊缝熔合起到关键作用，基值电流作为维弧电流，保证电弧稳定燃烧。钛管子管板打底焊时，峰值电流不宜过大，也不宜过小，峰值电流过小，无法保证根部焊透，且影响电弧稳定性，峰值电流过大，钛熔化的液态金属过多，由于钛的液态金属流动性好，管子管板下坡焊时，液态金属受重力作用快速流到电弧前端，阻碍电弧对坡口根部熔化，致使根部未焊透。基值电流过小，电弧无法稳定燃烧，基值电流过大时脉冲现象不明显，并且会导致基值时也进行焊接。钛管子管板对于填充及盖面焊道焊接时，峰值电流及基值电流可适当增大，但是太大的电流会造成钛焊缝及热影响区氧化变色[4-5]。

4.2 峰值时间和基值时间

峰值时间和基值时间表示峰值电流和基值电流持续时间。峰值时间对熔池组织结晶有一定影响，较短的峰值时间对熔池有一定的搅拌作用，并有利于气孔逸出熔池，较长的峰值时间，会使焊接热输入量增加。基值时间与脉冲特点有很大关系，若基值时间过长，脉冲特点不明显，基值时间过短，在脉冲电流停歇期间，焊丝熔化量不足，熔滴过渡不稳定。

4.3 预熔电流及预熔时间

预熔电流和预熔时间是对焊丝端部及母材进行预热，为峰值电流焊接熔滴过渡进行准备。预熔电流和预熔时间通常根据管子壁厚确定，管子壁厚较薄，预熔电流小，预熔时间短；管子壁厚较厚，预熔电流适当增加，预熔时间则略微延长。

4.4 焊枪角度

钛管子管板焊枪角度应靠管子侧10° ～ 15°为宜，如若焊枪角度过大，焊接电弧热量过多作用于管子侧，管子壁厚薄，散热慢，容易引起管壁烧穿，角度过小时，钨极难以对准坡口根部位置。

4.5 钨极伸出长度

钨极伸出长度3 ～ 6 mm 为宜，钨极伸出长度过短，钨极无法靠近坡口根部，钨极到坡口根部最好保证1.5 ～ 2 mm 的距离，钨极伸出长度过长，喷嘴保护气体对钨极及焊接熔池保护作用下降。

4.6 提前吹气和滞后断气时间

钛管子管板焊接提前吹气和滞后断气时间相比其他材料焊接时要更长，提前吹气时间长，能保证焊接区域的有害气体更少，更长的滞后断气时间可保证保护气对焊缝有更长的冷却时间，可有效地避免焊缝吸氢、氧、氮。

4.7 送丝行程与焊接行程

焊接行程须大于送丝行程，但送丝行程不应小于360°，即管子一周圈，通常送丝行程360° ～ 365°为佳，焊接行程控制在365° ～ 370°为佳。

4.8 送丝速度

送丝速度应与焊接电流适当匹配，过低的送丝速度导致焊缝填充金属量减少，过大的送丝速度有可能导致焊接未熔合，甚至焊丝直接顶进熔池中，导致粘丝，无法正常施焊。

5 管子管板Mock-up模拟试验

国外化工巨头及工程公司要求换热器管子管板焊接之前进行Mock-up 试验，即模拟产品管子管板焊接试验，试验合格后，按照合格的Mock-up 工艺进行焊接，并且只有通过Mock-up 试验的焊工才能进行产品焊接，因此本次项目的钛管子管板自动钨极氩弧进行了Mock-up 试验。

5.1 焊前准备

焊接前对管板及管子进行丙酮清洗去除油污，并进行蓝点检测，保证管板、管子未受铁离子污染。钛管子管板焊接背面需要充氩气保护，氩气纯度应达到99.999%，Mock-up 试验管板背面增加氩气气体保护罩，如图2 所示。

图2 背面气体保护罩Fig.2 Back gas shield

5.2 钛管子管板打底焊

钛管子管板打底焊采用自动钨极氩弧自熔（不加丝）焊接，由于钛具有良好的焊接性，自熔焊接也能保证不产生裂纹，并且自熔焊接更能保证根部焊透，自熔打底焊焊后如图3 所示。

图3 自熔打底焊Fig.3 Slef fusion backing welding

5.3 钛管子管板填充盖面焊接

钛管子管板填充、盖面焊接均采用自动钨极氩弧加丝焊接，焊接材料ERTi-3/φ0.9 mm，盖面焊后焊缝成型状态及表面颜色如图4 所示。

图4 盖面焊缝Fig.4 Cover weld

5.4 焊接参数

管子管板焊接参数如表2 所示。

表2 焊接参数Table 2 Welding parameters

6 管子管板理化试验及合格指标

钛管子管板焊接接头焊后需要进行PT、RT 无损检测，以及宏观、微观试验、硬度试验、拉脱力试验来验证焊接接头质量和工艺的可靠性。

6.1 PT检测

管子管板焊后按照ASME VIII-1 强制性附录8进行FULL-PT 检测，结果合格。

6.2 RT检测

管子管板RT 检测参考ISO-15614.8 其7.1.4 条款对管子管板切片RT 检测，如图5 所示。经RT 检测后，无裂纹、气孔、未熔合缺陷。

图5 管子管板RT 检测Fig.5 RT test of tube and tubesheet

6.3 拉脱力试验

管子管板在压力机上进行拉脱力试验，拉脱力试验如图6 所示，2 个拉脱力试样均断于管子，抗拉强度分别为580 MPa、575 MPa，大于SB-338 Gr.3管子抗拉强度下限值450 MPa，证明焊接接头具有满足要求的强度。

图6 拉脱力试验Fig.6 Pull off force test

6.4 宏观试验

管子管板宏观试样采用线切割的方法切割，切割后试样经过抛光机抛光，再经过80#、200#、600#金相砂纸精抛光，放入王水溶液侵蚀，在电子显微镜下20 倍放大观察，无裂纹、气孔、未熔合等缺陷，宏观试样合格。在电子显微镜下测得熔深ag值大于2.8 mm，ac值（喉高）大于1.4 倍管壁厚，最小泄漏通道r值大于0.9 倍管壁厚，满足设计要求。宏观试验如图7 所示。

图7 宏观试样剖面Fig.7 Macro sample profile

6.5 微观试验

对管子管板焊缝及两侧热影响区进行微观试验，基体组织为α相，未发现微观缺陷，微观组织如图8 ～ 10 所示。

图8 焊缝微观组织Fig.8 Weld microstructure

图9 SB-265 Gr.1 侧热影响区微观组织Fig.9 Microstructure of heat affected zone on SB-265 Gr.1 side

图10 SB-338 Gr.3 侧热影响区微观组织Fig.10 Microstructure of heat affected zone on SB-338 Gr.3 side

6.6 硬度试验

对管子管板焊缝及两侧热影响区进行硬度试验，硬度值如表3 所示，焊缝、两侧热影响区硬度值均不超过200 HV5 的合格指标，证明焊接过程中，焊接保护良好，未曾受到氢、氧、氮的污染，造成焊缝及热影响区硬度升高。

表3 硬度试验（HV5）Table 3 Hardness test (HV5)

7 产品现场焊接管理

Mock-up 试验合格后，钛管子管板自动钨极氩弧焊在产品上得到了应用，但自动钨极氩弧焊焊接过程易受到设备稳定性的影响，因此每天产品焊接前先在调试试板上调试，焊工每次换班、焊枪更换钨极、焊机更换焊丝盘、焊接参数调整等均需在调试试板上先调试焊接，证明焊机稳定后，方可在产品上焊接。通过上述的现场管理，得到了质量稳定的管子管板焊接接头，产品管子管板正式焊接的外观质量如图11所示。

图11 管子管板焊接外观质量Fig.11 Appearance quality of tube sheet welding

8 结论

对钛管子管板自动钨极氩弧焊进行Mock-up 试验，通过无损检测、理化试验验证该焊接工艺的可靠性，焊接过程中对钛管子管板充分保护并对现场焊接有效管理，保证了其焊接质量，对钛管子管板自动钨极氩弧焊有效的推广，提高了产品的生产效 率。