工业纯钛具有塑性韧性好、耐腐蚀、焊接性好和易于成形等特性，在化学工业领域得到广泛应用。在承接钛材电镀槽的试制生产时，采用4 mm的工业纯钛板材进行焊接制作。为此，设计了钛材电镀槽的焊接工艺。 1 电镀槽焊接的质量要求 电镀槽主要用于盛放电解液，其质量应符合以下要求： (1)符合GBl50—1998《钢制压力容器》制造验收条件； (2)对接焊缝无损检测及合格标准：按JB4730—94，100％焊缝长度x射线探伤，II级合格； (3)水压试验压力：容器卧置，以lO.5 MPa的压力进行水压试验，无渗漏； (4)接头形式及焊缝质量要求：接头形式主要有对接接头、角接接头和T形接头。焊缝与母材应圆滑过渡、焊缝及热影响区表面不得有裂纹、未熔合、气孔、夹渣等缺陷； (5)焊后处理：焊后一般需要进行消应力退火热处理，并清除脆化氧化层。 2钛的焊接特性与影响焊缝质量的因素 钛是一种化学活性金属，常温下能与氧生成致密的氧化膜而保持高的稳定性和耐腐蚀性。在400℃以上高温下，钛与氮、氧、氢反应速度快，在空气中的氧化过程很容易进行。 (1)氧与氮的影响。氧与氮以间隙形式固溶于β-Ti、β-Ti中，使钛晶格畸变，变形抗力增加，强度和硬度增加，塑性和韧性降低，使工件的冷弯性能降低，若不能有效保护焊缝及其高温区域，导致焊缝脆化，在焊接时会产生气孔和裂纹。保护气体氩气中的氧与氮的杂质含量增加，虽然能使焊缝硬度增加，但对焊缝质量的保证是不利的，应设法避免。 (2)氢的影响。钛中氢的含量增加，使得焊缝金属的脆化转变温度升高，焊缝金属冲击韧性急剧降低，影响了焊缝和焊接接头的力学性能，易产生冷裂纹。 (3)碳的影响。碳以间隙形式固溶于a-Ti中，使强度提高，塑性下降。碳含量超出溶解度时，生成网状分布的TiC，易引起裂纹。焊接时，工件及焊丝上的油污能使焊缝增碳。 (4)冷却速度的影响。钛金属的熔化温度较高(1725℃)，导热系数小，在焊接热循环作用下，使得高温口相晶粒长大，致使焊缝塑性下降；当冷却速度较快时，又易形成不稳定的钛马氏体a′相，使焊缝变脆。因此，要严格控制冷却速度，使焊缝的强度和塑性达到使用要求。 (5)热变形的影响。由于钛的弹性模量小，约为碳钢的一半，导热系数比碳钢小，线胀系数随温度升高而增加，在焊接中焊缝收缩与膨胀变形比钢大。所以在钛板焊接中要密切关注热变形的防止与控制。 3焊接工艺评定试验 由于4 mm钛板焊接属于新试验，考虑到产品的焊缝形式，按照JB／T4708—2000《钢制压力容器焊接工艺评定》要求，进行对接焊缝接头和T形角焊缝接头的工艺评定。 3。1焊接材料选择 试件材料选用与电镀槽材质相同的TAl纯钛，规格为300 mm×125 mln×4.O mm，共4块，其中2块用于对接接头，2块用于T形角接头。对于4 mln的钛板焊接，若开坡口，增加焊缝面积，变形增大。制作试件时，采用了不留间隙双面焊的方法。HG焊的焊丝选用与母材同牌号的TAl4直径为1.5 mm的钛丝；保护气体选用氩气，成分要求为：Ar≥99。9％、N≤O.01％、O≤O.005％、H2O≤O.07％；焊接时，对于对接接头，不加填充焊丝，对于T形接头，则双面都加填充焊丝。 3.2试件的焊接工艺参数设计 焊接设备选用WS5—400TIG焊机，其焊接工艺参数见表l。
3.3检验项目及实测结果 焊接工艺评定主要检验项目为，对对接接头焊缝进行外观检查、X射线探伤检验、力学性能试验(拉力试验、弯曲试验)，各项检验项目的实测结果见表2；对T形接头焊缝进行外观检查、金相宏观检查等，各项检验项目的实测结果见表3。
按照焊接工艺评定要求，进行上述试件焊接、试样检验、性能测定，试验结果符合JB／T4708—2000《钢制压力容器焊接工艺评定》要求，工艺评定合格。 4焊接工艺 4．1 焊前处理 为保证焊缝质量，必须进行焊前处理，其目的是去除氧化膜和油污等。 (1)焊丝的处理：用砂布去除焊丝表面的氧化膜，并用丙酮清洗后立即焊接。 (2)坡口的处理：用锉刀、砂布去除坡口处的氧化膜，用钢丝刷刷去接缝区20 mm范围内的氧化膜，用丙酮进行首次清洗，钛板对接后，为防止组装时的油污或其它油渍留在接头缝隙中，以防增碳导致裂纹，需用丙酮进行再次清洗。 4．2气体保护 钛板焊接的关键是400℃以上区域的保护，因为钛在400℃以上即会与空气中氧、氮等反应，影响焊接质量。影响气体保护的因素有气体纯度、流量、喷嘴结构与尺寸、喷嘴到工件表面的距离以及附加保护装置等，着重解决两个主要问题。 (1)气体流量和喷嘴尺寸选择：流量太小或喷嘴太大时，保护气体不足，保护效果较差；但流量太大或喷嘴太小也不行，它会使喷嘴前的气体层流破坏，影响焊缝质量。因此，选择喷嘴尺寸和流量与焊接的板材厚度有关，选择的原则是，在气体保护区域面足够覆盖住高温区域的情况下选用小尺寸喷嘴。通过对4 mm钛板的焊接试验，选用Φ16 mm的喷嘴，气体流量为8～10 L／min，正面拖罩的气体流量为10～12 T／min，反面拖罩的气体流量为16-18 L／min。 (2)保护拖罩的改进：钛板焊接时，不仅要对熔化过程进行气体保护，而且还要对尚处于高温状态的焊缝区进行气体保护。由于钛在400℃以上高温下，即会与空气中的氧、氮等快速反应发生氧化过程，影响焊接质量，故不但要对焊缝正面进行保护，而且也要对焊缝背面进行保护。 在工作中，为节约氩气，确保保护效果，保证焊缝质量，在拖罩使用中采取了两项改进措施：一是实行拖罩与焊枪分离，改变拖罩与焊枪一起拖动的一般做法，避免了因操作抖动而影响低保护的可靠性。二是背面拖罩采用磁力吸紧、增加气密性。 4．3焊接操作工艺 (1)采用直线运丝法焊接，不作摆动，以保证焊缝宽窄高低一致。对于角焊缝，焊丝与水平板的夹角为40°-50°，指向接头的夹角处，可避免产生咬边、焊瘤和焊缝下垂等缺陷。 (2)为了减小焊接变形和钨极烧损，尽可能采用小的热输入，严格控制焊接工艺参数。除上述工艺评定试验选定的参数外，钨极直径为2．5 mm，头部磨成锥形，钨极伸出长度为3～4 mm，喷嘴直径为16 mm。 (3)长焊缝焊接时，为了减小变形，可采用分段退焊或分段跳焊法焊接，以减小热量集中输入，减小焊接变形。 (4)确保气体保护效果，焊前提前送气，焊后延时关气是必不可少的。施焊前，打开送气阀门，在焊接区正、背面拖罩内充满保护气体；焊接完成后，焊炬喷嘴中的氩气在灭弧后10～15 s后关闭，正、背面拖罩内氩气在灭弧后40～45 s后才能关闭。 (5)在大面积平板焊接时，可用自动氩弧焊机，以提高工效。 5 结论 通过对4 mm钛板的焊接工艺评定试验和纯钛电镀槽的焊接，得出以下结论： (1)4 mm厚钛板的对接接头可不开坡口进行无间隙双面不填加焊丝焊接。 (2)通过改进拖罩结构，利用磁力吸紧，使背面拖罩贴紧钛板，增加气密性，焊接大件时省气、省力、提高焊缝质量。 (3)防止焊缝脆化，控制氧、氮、氢的杂质影响，气体保护是关键，焊前处理不可少。 (4)焊接方法和合理选择焊接工艺参数是控制焊接变形的主要工艺措施。应尽可能选用热输入小的工艺方案。 |
