Ta1+TA1+Q345R復合板的焊接研究及應用

樊云博，鄧寧嘉，肖仁道

(南京寶泰特種材料有限公司，江蘇南京 211100)

0 引言

金屬鉭作為國家戰略儲備物資是一種與鈮共生的稀有金屬，主要通過電子束或真空電弧熔煉而成，其熔點高達2996℃、密度16.6 g/cm3，具有體心立方晶體結構、線膨脹系數小、導熱率高等性能［1］。鉭的質地雖堅硬，但延展性和韌性良好，有時在韌性方面甚至優異于銅，因此它具有良好的高溫強度和加工性能;此外，鉭還有出色的化學性質、極高的抗腐蝕性能，其耐蝕性優于鈦、鋯、鈮，可認為是耐腐蝕性能最好的工程金屬材料［2］，鉭的腐蝕是均勻腐蝕，對切口不敏感，不發生腐蝕疲勞和腐蝕破裂等局部類型的腐蝕。由于鉭在自然界的含量低(在地殼中的含量僅為0.0002%)［1］、熔點高、密度大、其熔煉的耗能高、成本昂貴;因此，鉭這種稀貴、難熔金屬，一般在化工裝備上應用的形式主要是復合板和襯里結構。

某公司承接了多臺Ta1+TA1+Q345R復合板設備的塔器和反應釜。以其中1臺XQ塔器(結構見圖1)為例:設計溫度200℃，設計壓力－0.1 MPa、介質90%硫酸硝酸混合物、中度危害;主筒體是按ASTM B898標準提供的Ta1+TA1+Q345R復合板，規格δ=1.5+3+10 mm，設備上所有的接管采用松襯和翻邊結構連接。

圖1 XQ塔的結構示意

為節約成本，設計上本來已經足夠薄的鉭復層，經過爆炸復合、封頭沖壓等多道加工工序后，實際鉭復層的有效厚度大為減薄，因此整個復合板設備鉭復層的接頭焊接難度非常大，而焊接接頭的質量直接影響到設備的使用，甚至嚴重影響生產系統的運行。所以，Ta1+TA1+Q345R三層復合板復層接頭的焊接成為客戶和制造單位共同關注的重點和難點。

1 Ta1+TA1+Q345R復合板的焊接特點及焊接性分析

Ta1+TA1+Q345R三層復合板的焊接與鈦鋼復合板相似，但又有區別。其基本原則是基層和復層必須分別焊接，其焊接性、焊材選擇、焊接工藝等由基層和復層材料分別決定;復合鋼板基層和復層交界處屬異種金屬焊接，但鈦和鋼、鉭和鋼不能直接熔焊，所以Ta1+TA1+Q345R三層復合板的焊接同樣必須采用剔邊和檢漏結構。

金屬鉭在焊接過程中易吸氣、晶粒粗大及引發氣孔和裂紋。在鈦、鋯、鉭及鈮四種稀有難熔金屬中，鉭的焊接性能最好，但鉭的熔點非常高，熱導率也比較高，一般焊接需要的耗能往往偏大;若焊接熱輸入偏大，則易引起晶粒粗大;焊接熱輸入偏小，則熔池熔化不良，因此，鉭的焊接必須選擇合適的焊接熱輸入以保證焊縫質量。另外，鉭的特性之一就是能夠在250℃以上吸收氣體(氧，氫，氮，含碳氣體，含氯元素氣體)形成相應的固溶體或金屬間脆性化合物，使鉭的抗拉強度、屈服強度、硬度提高，但伸長率卻急劇降低［1］。因此鉭材的焊接不但要在惰性氣體保護或真空下進行，而且焊接材料的選用要在母材化學成分的基礎上適量地降低O，N，C，H等雜質的上限，避免因脆性化合物而引起裂紋。

此臺設備的鉭復層厚度非常薄，僅1.5 mm，而鉭材和鋼材的熔點相差懸殊，分別為2996和1400℃，在施焊鉭復層時，即使鉭鋼復合板中間采用鈦板隔絕保護、變相地增加復層厚度，但極有可能在Q345R的基層上出現熔化區，況且基層中的Fe元素與 TA1，Ta1在高溫下分別形成Fe2TA1，Fe2Ta1等脆性金屬間化合物;特別是采用松襯和翻邊兩層結構的Ta1+Q345R復合接管，若焊接熱輸入過大，則基層上出現的熔化區溶液會夾帶表面鐵銹、氧化物等雜物一起通過鉭焊縫熔池向外噴射、外翻，極易導致鉭復層焊縫開裂、基層燒穿。因此，Ta1+TA1+Q345R三層復合板在鉭復層焊接的過程中既要保證焊縫熔池的正常熔化，又要防止焊接熱輸入過大引起的晶粒粗大、氧化及過渡層甚至基層的熔化等一系列問題，這是此設備制造的重點和難點。

2 焊接工藝試驗材料

此臺設備主筒體所用的Ta1+TA1+Q345R復合板的焊接工藝評定分別按鋼基層和鉭復層各自的標準評定，即基層按照JB 4708—2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》，鉭的焊接參照JB/T 4745—2002《鈦制焊接容器》［3］附錄 B 及美國ASME第Ⅸ卷《焊接和釬接》中的相關規定:

(1)焊接工藝評定試驗準備兩副試驗試板，試驗所用的鉭板規格 δ1.5 mm，按國內 GB/T 3629—2006《鉭及鉭合金板材、帶材和箔材》技術要求采購，退火狀態供貨，也可按ASTM B708《鉭和鉭合金板，薄板和帶材》中R05200要求采購，但國內和美國的相應牌號的力學性能、化學成分并不完全相同，國內牌號化學成分和力學性能見表 1，2。

(2)因目前國內在壓力容器行業尚無鉭及鉭合金線材或焊絲標準，試驗所用的鉭焊絲選用GB/T 14841—2008《鉭及鉭合金棒材》，經化學成分復驗后，結果見表1，也可采用ASTM B365—98(2004)《鉭及鉭合金線材和絲材》的標準。

表1 鉭、鉭焊材的化學成分(ppm)及力學性能

表2 鉭板材力學性能

(3)焊接保護氣體采用99.999%以上的高純氬氣，含水量低，露點一般不超過－50℃，且符合GB/T 4842—2006《氬》的要求。在保護氣體的選擇上曾考慮采用高純氦氣或高純氬氣+氦氣混合氣焊接。雖然在純鉭板的焊接中可以利用氦氣來增加熔深、減小熱輸入，細化晶粒，提高焊縫的性能，但對于鉭鈦鋼復合板復層的焊接，采用高純氦氣增加熔深，若控制不當容易造成鉭復層的燒穿，且氦氣比氬氣昂貴。

3 焊接工藝試驗過程及結果分析

3.1 焊前清理

鉭材的制作和焊接過程中對清洗保護的要求比鈦、鋯、鈮的嚴格。焊前對鉭板正反兩面25 mm范圍內采用機械打磨清除焊接區域的氧化物、油污及灰塵等污染物，并用丙酮清洗;1.5 mm的鉭板組對點焊時不開坡口、不留間隙、防止錯邊，采用單面焊雙面成型的技術施焊。

3.2 焊接工藝

焊接采用惰性氣體鎢極氬弧焊、直流正接。由于鉭的熔點非常高，熱導率也比較高，焊接時采用的電流比其他有色金屬的大，因此焊接過程中選擇、控制合適的焊接熱輸入是保證焊接質量和焊接變形的最有效的措施。具體參數見表3。

3.3 焊接保護

鉭非常容易氧化。焊接過程中加強對焊接高溫區的保護極其重要:采用較大的瓷嘴、同時在焊槍的尾部和試板背面各有一個拖罩對焊接接頭溫度高于200℃以上的部位采用惰性氣體保護，拖罩內增加銅網以均勻氣流量;焊接時保護部位采用提前送氣和滯后停氣以避免氧化;保護的效果可以用焊縫表面顏色判定，銀白色最佳。

表3 鉭板對接的焊接參數

3.4 試驗結果

經外觀檢查合格，按照JB/T 4730—2005《承壓設備無損檢測》分別進行100%PT滲透檢測和100%RT射線檢測后，均符合Ⅰ級和Ⅱ級要求，其力學性能試驗結果見表4;對焊縫進行微觀金相晶粒度觀察見圖2。

表4 焊接試驗力學性能

圖2 焊縫、熱影響區及母材區金相組織

從表3，4對比可以看出，2#試板的焊接電流雖然低，但由于金屬鉭自身的物理特性熔點高，不容易熔化，反而影響焊接速度導致焊接熱輸入偏大，其焊縫抗拉強度比1#試板高，延伸率比1#試板略低、焊縫及熱影響區的晶粒度比1#試板粗大(見圖2)。總的來看，1#，2#試板的焊縫及熱影響區與原母材的晶粒度相比差別較大。

4 Ta1+TA1+Q345R復合板焊接模擬試驗

為進一步了解和驗證Ta1+TA1+Q345R三層復合板鉭復層在2996℃以上焊接時，其過渡層鈦板和基層鋼板的受熱及熔化情況，選用與設備規格相同的Ta1+TA1+Q345R復合板進行模擬試驗。

(1)假設基層焊縫對接已完成，僅模擬Ta1+TA1+Q345R復合板復層焊縫結構，如圖3所示;

(2)首先對鉭復層和鈦過渡層進行剔邊，剔邊時深度適中，防止基層留下溝槽;

(3)對蓋板正反面15 mm以內及與Ta1+TA1+Q345R復合板復層相焊的區域用專用磨頭打磨清理，并用丙酮清洗，在焊接的時候通過蓋板下面預留的通氣孔通氣保護(見圖4)，再采用上述1#試板的參數進行焊接，施焊結束后試件如圖5所示，按照JB/T 4730—2005對焊縫進行100%PT滲透檢測合格，對角焊縫采用線切割后斷面如圖6所示。

(4)經打磨拋光，采用10%氫氟酸腐蝕3～5 min后，采用40倍的顯微鏡觀察鉭復層的焊縫與過渡層、基層結合面的受熱和熔化情況，如圖7所示。

由圖4，7可以看出:首先金屬鉭極耐腐蝕，用10%氫氟酸酸洗后，鉭蓋板與鉭復層的角焊縫輪廓線仍然無法分辨，而此時過渡層靠近鉭側的鈦已被腐蝕掉，越接近鉭復層腐蝕越嚴重;其次通過鉭復層與鈦過渡層的凸界面線(鉭蓋板角焊縫正下方)可以看出在焊接復層鉭的時候，過渡層的鈦由于受熱晶粒已經開始長大變粗，耐蝕性能下降，但其與金屬鉭、低合金鋼沒有發生互溶。由此可見，在施焊Ta1+TA1+Q345R復合板鉭復層時，在鉭與鋼熔點相差1500℃的情況下，選擇合適的焊接熱輸入，雖然對過渡層鈦性能有一定的影響，但沒有發生鈦與鋼、鉭與鋼互溶、甚至燒穿等現象，從而保證了鉭復層的焊縫質量，也滿足了整個焊接接頭的質量。

圖3 焊接坡口接頭型式圖

圖4 經10%HF酸洗后焊縫復合界面

5 產品焊接及應用

圖5 焊接模擬試驗試板

圖6 線切割后角焊縫原始界面

圖7 經10%HF酸洗后焊縫復合界面 40×

此臺鉭鈦鋼三層復合板塔器是該公司在國內化工領域將難熔稀有金屬作為耐蝕結構材料的大膽嘗試，突破了國內鉭鋼復合板鉭復層厚度不得低于2.0 mm［6］的界限。在參考鈦鋼復合板、鋯鈦鋼復合板等相關制造技術標準的基礎上，對此臺設備的縱、環焊縫采用基層對接帶鉭蓋板的結構形式、接管襯管與翻邊采用搭接的結構形式，并且為了能及時檢出泄漏的位置和解決鉭復層焊接背面保護的問題，采用了檢漏孔和銀釬焊隔斷［3］等技術。

5.1 坡口形式

在制造過程中，為了更好地保護鉭復層免受污染以及減小復層蓋板的寬度，以節省制作成本，此臺設備基層的縱、環焊縫采用TIG+SMAW+SAW的組合焊接方法。鉭復層的焊接采用手工鎢極氬弧焊;設備筒體的坡口采用機械加工的方法，具體的坡口型式和復層接頭結構如圖3所示。

5.2 焊接技術措施

(1)鉭復層的焊接需要在潔凈、無灰和與鋼制設備隔離的專用焊接工作區域內進行，避免焊接過程中與鐵、鋁、鋅等活性的金屬接觸，防止它們在液相電解質中形成電偶腐蝕。

(2)焊前嚴格按照工藝要求清理焊接區域的氧化物、油污及灰塵等污染物，焊接過程中要通過檢漏孔、槍嘴、拖罩三面通氣保護，避免金屬鉭氧化。

(3)鉭蓋板角接接頭在焊接的過程中，要嚴格按照工藝參數控制焊接熱輸入。另外，為了防止鈦及鋼的熔化，采用斷弧施焊、脈沖電源的效果最好;若采用脈沖電源可以適當地放大電流，但應加快焊接速度，降低焊接的熱輸入，防止晶粒粗大。

(4)在焊接設備接管里面的鉭襯管和翻邊焊環的搭接接頭時，必須采用斷弧施焊、防止背面鋼基層的外翻，如在焊接時發現熔池噴射或焊縫不熔化，應立刻停止施焊。

(5)若采用多層焊，必須控制焊接過程的層間溫度≤100℃。

5.3 鉭貼條后的檢測

對所有鉭復層的焊縫和熱影響區經外觀檢查合格后，按照設計圖紙要求對復合板復層的焊接接頭進行100%PT檢測，均符合JB/T 4730—2005Ⅰ級要求;采用0.05 MPa的氮氣通過檢漏孔通入鉭蓋板和復層之間，對所有鉭焊縫進行氣密性試驗和設備整體的水壓試驗，無任何泄漏。

6 結語

通過焊接工藝試驗，利用焊接熱輸入的比較來分析稀貴難熔金屬鉭的焊接性能和焊接特點，并結合Ta1+TA1+Q345R復合板自身的制造特點，得出如下經驗:

(1)稀貴難熔金屬鉭的焊接性能很好，只要選擇合適的焊接線能量，可以保證焊縫的抗拉強度、延伸率及晶粒度等各項性能指標;

(2)鉭非常容易氧化，對其施焊時，必須像鈦、鋯等其他有色金屬一樣采用三面保護，而且保護的要求比其他有色金屬要高，才能有效地提高焊縫的組織性能;

(3)針對鉭鈦鋼三層復合板，鉭與鋼熔點相差懸殊的難題，選擇合適的焊接熱輸入和技術措施，保證了焊縫熔池的正常熔化，又避免了焊接熱輸入過大引起的晶粒粗大、氧化及過渡層甚至基層的熔化等一系列問題，圓滿完成了此批設備項目的制造工作。

［1］ 彭志輝.稀有金屬材料加工工藝學［M］.長沙:中南大學出版社，2003:78－102.

［2］ 鄭世平.薄鉭板的焊接特性及其應用［J］.中國化工裝備，2004，6(2):6 －8.

［3］ JB/T 4745—2005，鈦制焊接容器［S］.

［4］ GB/T 3629—2006，鉭及鉭合金板材、帶材和箔材［S］.

［5］ GB/T 14841—2008，鉭及鉭合金棒材［S］.

［6］ 艾建玲，楊永福，焦登寶.復層厚度對鉭鋼復合板焊接性的影響［J］.焊接技術，2001，30(3):5－6.