高溫濃硝酸環(huán)境用Ti35鈦合金焊接工藝研究與工程應用——聚焦焊接保護關鍵技術，完成工藝評定與力學性能驗證，優(yōu)化加熱半管/小徑管組焊工裝，支撐核級設備制造

引言

某設備盛裝介質是高溫度的濃硝酸溶液，該溶液含有多個種類的氧化性陽離子，且含有輻射性，一般材料在該環(huán)境下腐蝕損傷嚴重。但一般的鈦合金在酸性介質中鈍化傾向強烈，因此在設備選材時，考慮將 Ti35 作為該設備的材料 [1]。

Ti35 是 Ti-Ta 系的二元 α 型鈦合金，名義成分為 Ti-6Ta。該材料在具有氧化性離子的濃硝酸中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。為了解該材料的焊接性，滿足設備的制造需求，對該材料的焊接工藝進行了相應的研究。Ti35 合金材料成分和力學性能如表 1、表 2 所列。

表 1 Ti35 合金的化學成分 (質量分數(shù))(%)

表 2 Ti35 合金力學性能

1、焊接工藝試驗

Ti35 合金是在傳統(tǒng)鈦材料的基礎上加入了質量分數(shù)小于 10% 的 Ta 元素。由于 Ta 的熔點極高，且 Ta 與 Ti 的密度相差極大，Ti35 材料與傳統(tǒng)的鈦材料在焊接性能方面存在以下差異：

(1) 高溫時，Ti35 材料易與碳、氫、氧等雜質發(fā)生反應，生成化合物，嚴重影響了焊縫質量和耐腐蝕性能。

(2) Ti35 材料作為一種 α 材料，其焊縫若在高于 β 相變溫度之上的高溫停留時間過長，則會導致強度、塑性和沖擊韌性下降，因此焊接時冷卻速度應快。

(3) 鐵的存在對 Ti35 材料的耐腐蝕性影響很大，鐵污染會導致加速吸氫，嚴重影響焊縫質量。

(4) 氫是引起氣孔的主要原因。

(5) Ti35 合金焊接接頭產(chǎn)生裂紋的可能性很小，但容易在熱影響區(qū)出現(xiàn)延遲裂紋，產(chǎn)生的主要原因是焊接過程中的氫導致。

1.1 試驗使用材料

本次評定試驗使用的 Ti35 母材和焊材的性能要求如表 3 所列。

表 3 評定用板材及焊材物理性能

1.2 焊接過程中的保護

通過對 Ti35 材料分析并結合純鈦的焊接經(jīng)驗，Ti35 材料的焊接關鍵點在于保護，因此在試驗時，試板背面及尾部溫度高于 300℃的采用高純氬氣進行保護，試板背面及尾部保護工裝如圖 1、圖 2 所示。

焊接完成后，焊縫顏色為銀白色 (試板保護效果見圖 3)，符合表面質量要求。按標準技術條件要求進行了相應的無損檢測，檢測結果滿足標準要求。

2、Ti35 焊接工藝評定

2.1 焊接工藝評定參數(shù)及要求

焊接試驗成功后，按產(chǎn)品制造標準要求進行了 Ti35 對接焊評定，包括焊縫厚度 5mm 后焊縫背面采用流動的水進行保護的焊接工藝評定，焊接工藝評定具體參數(shù)和要求如表 4 所列。

表 4 試驗參數(shù)及要求

注：1. 正面保護氣體流量為 10~15 L/min，背面及尾部保護氣體流量為 15~25 L/min；2. 試板熔敷金屬厚度 5mm 前與上述一致，熔敷金屬厚度在 5mm 后采用水冷方式在焊縫背面對高溫區(qū)域進行保護。

焊接接頭按 NB/T 47013.2 的要求進行射線檢測，質量等級為 AB 級，檢測結果滿足相關標準及專用技術條件要求。

2.2 力學性能試驗

2.2.1 接頭拉伸試驗

按標準要求進行了焊接接頭的全厚度拉伸試驗，斷裂后的拉伸試樣如圖 4 所示，試驗結果如表 5 所列。

表 5 接頭拉伸試驗結果

2.2.2 接頭橫向彎曲試驗

按標準要求進行了焊接接頭的橫向全厚度彎曲試驗，彎曲后的試樣如圖 5 所示。試樣尺寸為 38mm×10mm，試樣彎曲為 180°，彎曲直徑為 40mm，彎曲試樣的拉伸面均未見缺陷顯示。

2.3 焊接接頭金相組織

由金相組織照片可知，采用手工鎢極氬弧焊焊接而成的焊接接頭的熔敷金屬、熱影響區(qū)與母材的金相組織均為 α 相。母材、熱影響區(qū)及焊縫的金相組織如圖 6 所示。其區(qū)別在于母材微觀形貌為多邊等軸完全退火態(tài)組織。根據(jù) Ti-Ta 二元合金相圖 [2-3]，通過對比熔敷金屬、熱影響區(qū)的晶粒發(fā)現(xiàn)，其都有了明顯的長大，主要原因是在焊接過程中，多層多道焊在焊接循環(huán)熱下導致晶粒長大。

3、產(chǎn)品焊接應用

對于 Ti35 材料的焊接，其主要控制點是高溫區(qū)域的保護及清潔。為此，針對設備結構特點進行了以下改進。

3.1 加熱半管組焊

設備筒體外表面有 22 圈規(guī)格為 φ89mm×3mm 的弧形加熱半管，當盤旋式組對時，加熱半管之間接縫處的偏斜造成局部間隙較大。為解決該問題，自制液壓式矯形工具，組對時將矯形工具固定在半管的合適位置，借助于斜鐵，通過矯形工具施加外力，控制接縫處間隙滿足要求。利用該矯形工具后工作效率提高了 3 倍以上，且組裝后的半管間距均勻，焊接后焊縫外形美觀 [4-5]。半管組對工裝如圖 7 所示。

3.2 小徑管對接焊

小管對接時管子直徑小，一般保護工裝無法有效保護小管焊縫。經(jīng)試驗，將管子對接的焊縫整體都置于工裝保護中，保護氣體將通過導管及篩網(wǎng)細化對產(chǎn)品焊縫進行保護及加速冷卻作用，以保證產(chǎn)品焊縫質量。小管對焊接保護工裝如圖 8 所示。

4、結語

通過對 Ti35 材料的焊接試驗以及焊接工藝評定試板的焊接、檢驗，證明 Ti35 具有較為良好的焊接性能。焊接過程中的清潔是決定焊縫質量的關鍵因素，焊接熱輸入大小對 Ti35 合金焊接性能具有較大影響。采用得到的焊接參數(shù)焊接的試板焊縫的金相與母材相同。

通過對 Ti35 材料焊接工藝性能研究得到的各項結論、工藝參數(shù)等已制作試件驗證了工藝的可行性、可靠性。同時，設備的制造工作已完成，為后續(xù) Ti35 材料產(chǎn)品的承攬與制造奠定了基礎。

參考文獻

[1] 吳金平，楊英麗，趙彬，等。后處理設備用 Ti-35 合金材料研究 [C]// 中國核學會核材料分會，2006 全國核材料學術交流會論文集，2006:302-304.

[2] 陳寶祥，馬鳴，孫敬巖，等。熱絲 H-TIG 鎳基堆焊工藝研究。哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，2013, 6 (6):56-57.

[3] 李磊。石油鉆采閥門內壁熱絲 TIG 堆焊 [J]. 石油化工建設，2005, 17 (6):52-54.

[4] 許江曉，劉曉林。熱絲 TIG 全位置自動焊工藝參數(shù)的匹配，2010, 39 (7):56-58.

[5] 馮英超。核電站 TIG 全位置自動焊打底的工藝分析 [J]. 電焊機，2012, 42 (2):57-61.

（注，原文標題：Ti35材料焊接工藝研究）