高溫濃硝酸環(huán)境用Ti35鈦合金焊接工藝研究與工程應(yīng)用——聚焦焊接保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)，完成工藝評(píng)定與力學(xué)性能驗(yàn)證，優(yōu)化加熱半管/小徑管組焊工裝，支撐核級(jí)設(shè)備制造

引言

某設(shè)備盛裝介質(zhì)是高溫度的濃硝酸溶液，該溶液含有多個(gè)種類的氧化性陽(yáng)離子，且含有輻射性，一般材料在該環(huán)境下腐蝕損傷嚴(yán)重。但一般的鈦合金在酸性介質(zhì)中鈍化傾向強(qiáng)烈，因此在設(shè)備選材時(shí)，考慮將 Ti35 作為該設(shè)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(shè)備的制造需求，對(duì)該材料的焊接工藝進(jìn)行了相應(yīng)的研究。Ti35 合金材料成分和力學(xué)性能如表 1、表 2 所列。

表 1 Ti35 合金的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)

表 2 Ti35 合金力學(xué)性能

1、焊接工藝試驗(yàn)

Ti35 合金是在傳統(tǒng)鈦材料的基礎(chǔ)上加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于 10% 的 Ta 元素。由于 Ta 的熔點(diǎn)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(shí)，Ti35 材料易與碳、氫、氧等雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成化合物，嚴(yán)重影響了焊縫質(zhì)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性下降，因此焊接時(shí)冷卻速度應(yīng)快。

(3) 鐵的存在對(duì) Ti35 材料的耐腐蝕性影響很大，鐵污染會(huì)導(dǎo)致加速吸氫，嚴(yán)重影響焊縫質(zhì)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(guò)程中的氫導(dǎo)致。

1.1 試驗(yàn)使用材料

本次評(píng)定試驗(yàn)使用的 Ti35 母材和焊材的性能要求如表 3 所列。

表 3 評(píng)定用板材及焊材物理性能

1.2 焊接過(guò)程中的保護(hù)

通過(guò)對(duì) Ti35 材料分析并結(jié)合純鈦的焊接經(jīng)驗(yàn)，Ti35 材料的焊接關(guān)鍵點(diǎn)在于保護(hù)，因此在試驗(yàn)時(shí)，試板背面及尾部溫度高于 300℃的采用高純氬氣進(jìn)行保護(hù)，試板背面及尾部保護(hù)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(hù)效果見(jiàn)圖 3)，符合表面質(zhì)量要求。按標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)條件要求進(jìn)行了相應(yīng)的無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2、Ti35 焊接工藝評(píng)定

2.1 焊接工藝評(píng)定參數(shù)及要求

焊接試驗(yàn)成功后，按產(chǎn)品制造標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了 Ti35 對(duì)接焊評(píng)定，包括焊縫厚度 5mm 后焊縫背面采用流動(dòng)的水進(jìn)行保護(hù)的焊接工藝評(píng)定，焊接工藝評(píng)定具體參數(shù)和要求如表 4 所列。

表 4 試驗(yàn)參數(shù)及要求

注：1. 正面保護(hù)氣體流量為 10~15 L/min，背面及尾部保護(hù)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(duì)高溫區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。

焊接接頭按 NB/T 47013.2 的要求進(jìn)行射線檢測(cè)，質(zhì)量等級(jí)為 AB 級(jí)，檢測(cè)結(jié)果滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及專用技術(shù)條件要求。

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

2.2.1 接頭拉伸試驗(yàn)

按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了焊接接頭的全厚度拉伸試驗(yàn)，斷裂后的拉伸試樣如圖 4 所示，試驗(yàn)結(jié)果如表 5 所列。

表 5 接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 接頭橫向彎曲試驗(yàn)

按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了焊接接頭的橫向全厚度彎曲試驗(yàn)，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(jiàn)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(guò)對(duì)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(zhǎng)大，主要原因是在焊接過(guò)程中，多層多道焊在焊接循環(huán)熱下導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大。

3、產(chǎn)品焊接應(yīng)用

對(duì)于 Ti35 材料的焊接，其主要控制點(diǎn)是高溫區(qū)域的保護(hù)及清潔。為此，針對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了以下改進(jìn)。

3.1 加熱半管組焊

設(shè)備筒體外表面有 22 圈規(guī)格為 φ89mm×3mm 的弧形加熱半管，當(dāng)盤旋式組對(duì)時(shí)，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(wèn)題，自制液壓式矯形工具，組對(duì)時(shí)將矯形工具固定在半管的合適位置，借助于斜鐵，通過(guò)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(duì)工裝如圖 7 所示。

3.2 小徑管對(duì)接焊

小管對(duì)接時(shí)管子直徑小，一般保護(hù)工裝無(wú)法有效保護(hù)小管焊縫。經(jīng)試驗(yàn)，將管子對(duì)接的焊縫整體都置于工裝保護(hù)中，保護(hù)氣體將通過(guò)導(dǎo)管及篩網(wǎng)細(xì)化對(duì)產(chǎn)品焊縫進(jìn)行保護(hù)及加速冷卻作用，以保證產(chǎn)品焊縫質(zhì)量。小管對(duì)焊接保護(hù)工裝如圖 8 所示。

4、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì) Ti35 材料的焊接試驗(yàn)以及焊接工藝評(píng)定試板的焊接、檢驗(yàn)，證明 Ti35 具有較為良好的焊接性能。焊接過(guò)程中的清潔是決定焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵因素，焊接熱輸入大小對(duì) 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(guò)對(duì) Ti35 材料焊接工藝性能研究得到的各項(xiàng)結(jié)論、工藝參數(shù)等已制作試件驗(yàn)證了工藝的可行性、可靠性。同時(shí)，設(shè)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(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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（注，原文標(biāo)題：Ti35材料焊接工藝研究）