汽提塔钛板衬里的等离子弧焊接

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0 前言

　　第一套年产30万吨合成氨成套设备的，其中年产24万吨尿素配套设备中的CO2汽提塔，是在高温、高压、腐蚀条件下使用的，这台汽提塔采用了国产工业纯钛作衬里材料。汽提塔高压室衬钛厚度为5mm和10mm两种，材料牌号为TA1工业纯钛，目前，钛材的焊接主要采用钨极氩弧焊接，等离子焊具有能量集中，穿透力强、单面焊双面成型，坡口制备简单，质量稳定以及生产效率高等许多优点。针对工业纯钛等离子焊的特点，进行了试验研究，成功地将等离子弧焊用于汽提塔的钛板衬里焊接，包括封头和管板爆炸复合用5mm大张钛板的拼接，以及5、10mm厚钛板衬里筒身平板拼缝与筒身合拢纵缝的焊接，焊接质量达到设计要求。

1 焊接设备

　　采用LH-300型等离子弧自动焊机，配Z×G-300硅整流电源。等离子焊枪为自行设计的新型焊枪，采用了同心度可调的可卸式水冷钨极、钨极内缩连续可调等结构，使枪体的密封和调整可靠而简便，枪体的加工制造也大为简化，并提高了枪体使用的可靠性与寿命。这种新型等离子弧焊枪已在产品焊接中经受了考验。

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2 焊接钛的保护措施

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　　针对钛需要保护温度高于300℃的区域这一特点，焊接试验中设计了专门的保护装置。
2.1保护拖罩
　　除了焊枪本身具有的保护嘴之外，尚需在焊枪上拖挂专门的保护拖罩。最初我们采用常规的氩弧焊用的箱式拖罩。由于等离子弧柱从熔池反射出的焰流温度高，易将铜丝网烧坏，改用钻密集小孔的薄铜板代替铜网，并在拖罩两侧固定两条聚四氟乙烯挡板，挡板紧贴在工件上移动，这不仅增强了保护效果，而且还解决了拖罩与工件间的绝缘问题。用这种经过改进的保护拖罩（图1）焊接5毫米厚钛板，焊缝及热影响区均为银白色，保护效果良好。

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焊接10毫米钛板时，采用图1所示结构的保护拖罩，保护效果不好。从引弧处起，约150毫米长的焊缝长度内，表面呈暗灰色，焊缝其余长度内亦呈黄兰紫等不同氧化色彩，只有焊缝结尾处呈银白色。虽然对保护拖罩经过多次改进，仍然达不到予其的效果。在分析了10毫米厚钛板焊缝产生表面氧化色的原因，认为其主要是由于焊件厚度增加，焊接热能量增加，焊接接头区散热慢，冷却不足就脱离保护而造成的。基于这一分析，设计一种结构独特的水冷却保护滑块（图2）。它既起保护作用，又能将焊件来不及较快散走的热量带走很大一部分。经过长期使用表明，水冷保护滑块的保护效果良好，而且比原先设计的保护拖罩节省40%的氩气。以后的试验与生产焊接中，完全取代了保护拖罩，用于焊接5毫米和10毫米厚钛板。

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2.2保护垫板
除了焊缝正面需要严密地保护外，对焊缝背面亦需加以专门保护。单靠由等离子弧形成的小孔穿过的少量氩气，是不足以对背面起保护作用的。我们设计了镶有铜板的钢垫板（图3），从背面通氩保护焊缝，效果很好。通氩的铜管偏置垫板凹槽一侧，是为了避免被穿透的等离子弧烧坏。产品焊接用垫板的结构与图3所示相同。其长度为3200毫米，通氩气的铜管分成两段，从垫板两端分别通氩保护。
采用上述焊枪及水冷保护滑块和保护垫板后，焊缝正反两面均可充分保护，焊接区域均可达到银白色。

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3 焊接准备工作

3.1 焊前清理
焊接钛时，焊口两侧一定距离内必须清除一切油污及表面氧化层。我们采用酸洗或机械清理两种清理办法。以机械清理方法更为简便。
机械清理方法如下：用丙酮除去焊口两侧100毫米内的油污，用细砂布除去两侧50毫米内的氧化层，直至露出干净的金属为止，再用棉砂蘸丙酮擦洗2～3遍，即可进行焊接。填充焊丝出厂前已经过酸洗，使用前仅用丙酮擦洗一遍。用上述机械清理方法清理后，焊前坡口铁离子污染检查合格，焊后对焊缝含Fe量的分析结果，也完全满足要求（表1）。

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3.2 装配要求
焊口系机械加工出的直边坡口，比较规整。考虑到产品焊接时，必然会存在装配间隙及错边。为此对间隙0～1.5毫米，错边0～1.5毫米及两种情况同时存在条件下的试板，进行了焊接试验。采用表2所列的规范3焊接，填充焊丝速度为96米/时，均可得到过渡平滑而饱满的焊缝。由此可见，焊接钛时，并不要求过严的装配条件。

4 焊接工艺参数

纯钛熔融状态下表面张力较大，同时流动性又很好。这种物理特性使其有利于采用小孔效应的等离子弧焊接，不易产生切割现象，焊缝易于成形，焊接过程稳定，焊接规范在较大范围内变化，都能得到成形的焊缝。
4.1 5毫米厚钛板的焊接工艺参数

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5毫米厚钛板用圆柱形喷嘴焊接，有两种合适的规范（表2）：第一种规范焊速低，焊缝宽；第二种规范焊速高，焊缝窄，但是对焊缝的对中要求高。用带有60°扩放角的喷嘴（图4），可以兼有圆柱形喷嘴两种规范的优点：焊速可以提高，焊缝对中要求较低，焊缝形成美观。所以，焊接5毫米厚钛板主要采用了60°喷嘴。采用的焊接规范见表2。不加填充焊丝焊接时，焊缝两侧均有程度不同的咬边，加少量填充焊丝后，完全消除了咬边。

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4.2 10毫米厚钛板的焊接规范
5毫米厚钛板采用60°喷嘴焊接具有焊接速度高、焊缝成形美观的优点。但焊接电流比圆柱形喷嘴要大得多。由于电源容量的限制，10毫米厚钛板仍用圆柱形喷嘴焊接，规范参数见表3。

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表3   10毫米厚钛板等离子弧焊接参数

5 焊接中注意事项

5.1 重复加热的影响
最初，为了清除无填充焊丝时焊缝两侧的咬边现象，采用以压缩较小的90～150安培小电流等离子电弧重熔焊缝咬边部位。结果发现焊缝及近缝区晶粒明显长大。弯曲试验表明，经重熔的接头，弯曲角有时达不到180°（d=3a）。重熔五次的接头，弯曲试验时可见到明显的小裂口。因此，应该严格控制焊接热规范，减少焊缝及近缝区在高温停留时间，尽量少对焊缝进行重复加热。考虑到产品尺寸较大，焊接过程中产生缺陷的可能性难以绝对避免，故规定允许对焊缝局部返修两次。此时，虽然塑性有所降低，但仍然达到弯曲角≥90°（d=3a）的设计要求。
5.2 变形控制
钛的弹性模量为钢的一半，所有在同样的焊接应力条件下，产生的焊接变形比钢要大一倍。等离子弧焊时，由于是一次焊透整个板厚，正反两面受热比较均匀，其角变形要比氩弧焊小得多。我们在拼接直径2800毫米的封头复层板时，未采用专门夹具，仅在焊缝一侧压了一根100×100毫米的方钢，另一侧靠断面40×300毫米的焊车轨道压紧，焊后变形不大，满足了封头爆炸复合的要求。
5.3 焊接缺陷
在正常情况下焊接钛时，一般不易产生焊接缺陷。我们只遇到过一次因焊接电流值过低而产生的气孔缺陷。用表2所列的规范3焊接5毫米的封头复层拼板时（焊缝长约3米），焊接过程中会因网路电压降低，焊接电流偏低至235安培时，在焊缝中心结晶面上产生连续细小的内部气孔。经用正常规范重新熔焊一次后，消除了这种缺陷。
此外，在焊接时应特别注意焊枪喷咀孔与坡口接缝的对中，否则就会造成焊缝背面局部未熔合的缺陷，这是特别危险的具有尖缺口的缺陷。当存在未熔合的缺陷时，必须对中重焊。

6 焊接接头的性能

6.1 产品技术条件对焊接接头的要求
（1）TA1钛板焊缝的化学成份除Fe≤0.08%外，其它应接近母材。
（2）拉伸试验和常温冲击试验结果不得低于母材的规定值。
（3）冷弯试验≥90°（d=3a）
（4）焊接接头的主要组织为α相，β相和α′相应控制到最少，不允许含有γ相
（5）焊缝经100%X光检验，质量标准应符合JB4730-94"焊缝射线探伤标准"规定Ⅱ级。
（6）表面检查不允有任何裂缝、气孔和深度大于0.5毫米的咬边。
6.2 接头质量
钛板焊后经检验，各项力学性能均达到要求，焊缝为单相α组织，没有α1等脆性相。焊缝及母材的化学成分合格。焊后经X射线检验未发现任何缺陷。完全满足产品设计要求，接头质量优良。

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7 结论

（1）所设计的焊枪、水冷保护滑块及保护垫板等，满足工业纯钛板等离子弧焊接工艺的要求，可以获得保护良好，成形美观的焊缝。
（2）从机械性能、金相检验、化学分析和X射线探伤检验的结果来看，选用的焊接规范参数是合理的，能满足产品设计要求。
（3）等离子弧焊接能一次焊透焊件整个厚度，大大提高了生产率。以10毫米厚钛板为例，比钨极氩弧焊能提高效率5～6倍。同时，对焊工的操作熟练程度要求较低，质量稳定，是一项值得大力推广的先进焊接工艺。