摘要：通过对工业纯钛的等离子弧的焊接工艺介绍，分析了钛的焊接要点，提出了钛在焊接时熔池和焊接区的保护措施，并从保护装置和喷嘴形式上做了改进，从而在合理的规范参数下获得满意的接头质量。
关键词：工业纯钛 等离子弧焊接 保护拖罩 喷嘴
Plasma arc welding for pure titanium
Harbin Boiler Company Limited Bai Wenli. Sou Yuhui, Zhao Guifeng
Abstract This paper introduced the welding technology of plasma arc welding for pure titanium. It analyzied the keypoints of welding quality for titanium and pointed out the protective measures of the welding pool and welding zone, and also improved the protective cover and nozzle. As a results, obtained a satisfied welding joint under the using the reasonable specification.
Keywords pure titanium plasma arc welding protective cover nozzle
0 前言
我厂试制了国产第一套年产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。
2 焊接钛的保护措施
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。
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。
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。
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）。
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
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。
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。
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。
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。
