工業純鈦泵體焊接修復工藝的制定及實施

于世行，郝丁華

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川750026）

工業純鈦泵體焊接修復工藝的制定及實施

于世行，郝丁華

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川750026）

本文主要介紹了工業純鈦泵體焊接修復工藝的制定及實施。通過對工業純鈦焊接過程中的保護研究，制定出適合的焊接修復工藝，實施后取得了較好的焊接效果。

工業純鈦；焊接性分析；氣體保護；焊接實施

寧夏石化公司復合肥裝置P01001泵泵體材質為工業純鈦（TA2），泵出口管線工作壓力為5 MPa，工作溫度為-20℃～80℃，運行介質為尿液，尿液來自于二化肥裝置。P01001泵是復合肥裝置輸入尿液的主要機泵，也是裝置上料的關鍵設備。P01001泵在生產運行過程中，運行效率逐漸降低，最終不能滿足生產要求而停車檢修。泵解體檢查后發現殼體內部經過長期運行被尿液腐蝕，氣蝕情況嚴重導致泵體穿孔，葉輪腔外周有氣蝕嚴重的溝槽、坑等，泵體氣蝕穿孔部位泄露的尿液直接影響環保指標及生產，殼體多處嚴重的溝槽需要進行焊接修復。鈦及鈦合金的焊接不僅需要較好的操作技術，還要有嚴格的保護措施。通過試焊鈦合金板塊，制定出了合理的焊接工藝，通過實施獲得了較好的焊接結果。

1 工業純鈦的焊接性分析

1.1 工業純鈦的性能

工業純鈦呈銀白色，密度為4.5 kg/cm3，熔點為1 668℃，線膨脹系數小，導熱率小。

1.2 工業純鈦的可焊接性

鈦的焊接主要在于技能操作與區域保護，氧、氮、氫氣體對鈦的焊接會構成很大影響。高溫下鈦與氧、氮、氫反應速度較快，鈦在300℃以上快速吸氫，600℃以上快速吸氧，700℃以上快速吸氮，在空氣中鈦的氧化過程很容易進行。氧、氮、碳也屬于穩定元素，他們以間隙形式固溶于鈦中，他們能提高強度，但卻使塑性嚴重降低。工業純鈦在焊接過程中，溫度越高，時間越長，彎曲塑性下降越多，無論是焊接區還是背面高溫區，如果不能得到有效的保護，必將引起塑性下降。液態的熔池和熔滴金屬若得不到有效的保護，則更容易受到空氣的污染，脆化程度更加嚴重。

1.2.1 氧和氮的影響氧在α鈦中的最大溶解度為14.5%（原子），在β鈦中為1.8%（原子），氮則分別為7%和2%（原子），氧和氮間隙固溶于鈦中，使鈦晶格畸變，變形抗力增加，強度和硬度增加，塑性和韌性降低，因此，焊接過程中須嚴格控制氧、氮的含量。

1.2.2 氫的影響氫含量從0.01%增加到0.058%，焊縫金屬的脆性轉變溫度升高為≥40℃，隨著氫含量的增加，焊縫金屬沖擊韌性急劇下降，而塑性下降較小，這是氫化物起的作用。

1.2.3 碳的影響常溫時，碳在α鈦中的溶解度為0.13%，碳以間隙形式固溶于α鈦中，使強度提高，塑性降低，但作用不如氧、氮顯著，碳量超過溶解度時生成硬而脆的TiC，呈網狀分布，易于引起裂紋。焊接時認真清理焊絲及母材上的油污等。

1.2.4 工藝參數焊接工業純鈦時，采用合理的焊接工藝參數，控制熱輸入量，避免熱輸入引起的接頭脆化，參數過小會產生馬氏體，使塑性下降。參數過大時，過熱區面積大，晶粒粗大，也使塑性下降，所以選用合理的焊接工藝參數，避免焊接接頭脆化至關重要。

1.3 焊接方法的選用

從以上分析可以得出：由于鈦的活性強，必須對焊接區采用保護罩進行焊接，手工電弧焊不能滿足焊接要求，根據復合肥P01001泵結構焊件情況，手工鎢極氬弧焊是理想的選擇。

1.4 工業純鈦試板焊接

為了使工業純鈦泵體焊接修復達到較好的效果，對工業純鈦試板進行了試焊。選擇兩對長200 mm、寬100 mm、厚3 mm的鈦板作為焊接試板，焊接位置為平焊。首先采用機械方式清理試板上的氧化膜，采用丙酮清洗，然后進行組對點固，預留間隙為2 mm。焊接分兩種方法：一種是不采用保護，直接焊接，另一種是采用氣體保護罩保護焊接區及高溫區進行焊接。不采用保護，直接焊接所得到的焊縫表面呈黃斑灰色，并且焊縫表面上有黃色污物，焊后焊縫在降溫過程中伴有清脆的噔、噔裂紋聲，是焊縫被空氣污染后晶粒間撕裂的聲音。降到室溫后，對試板焊縫做90°彎曲試驗發生脆斷，此方法不適用。采用氣體保護罩保護焊接區及熱影響區的方法，焊后焊縫呈銀白色，焊縫在降溫過程中無噔、噔的聲音，冷卻至室溫后，對試板焊縫做90°彎曲試驗合格，焊縫完好無開裂現象，說明采用氣體保護罩的方法是可行的，最終決定選用保護罩對焊接區進行保護并焊接。

圖1 復合肥P01001泵修復前圖

圖2 復合肥P01001泵修復后焊縫圖

2 焊接工藝的制定及實施

2.1 焊接材料的選用

（1）鈦及鈦合金焊接時，要求選用的焊接材料化學成分與母材的化學成分相同。復合肥P01001泵體焊接，母材材質為工業純鈦TA2，選用的焊材材質也為TA2，焊絲直徑φ3 mm。

（2）保護氣體選用氬氣（氬氣純度為99.99%），輸氣管采用乙烯及塑料軟管輸送氬氣。

2.2 焊前清理

在焊接前對待焊區及其周圍必須認真清理，去除污物后保持干燥。

（1）對母材焊接區及保護區的油污、油脂、油化、掛印等污物部位，采用丙酮清洗，采用不含氯離子的純凈水清洗，清洗后晾干。

（2）對母材焊接區及保護區氧化膜采用磨光機打磨，使用碳化硅砂輪片，打磨去除焊接區表面氧化膜。

（3）焊絲表面氧化膜采用6#砂紙打磨去除，再用丙酮清洗干凈。

2.3 焊接工藝實施

由于工業純鈦導熱性差，散熱慢，高溫停留時間長，加之鈦的活性強，故選擇大直徑噴嘴，提高電弧熱量集中，縮小噴嘴與母材之間的距離。本次焊接分為“拖罩氣體保護下焊接”和“泵殼箱內氣體保護下焊接”。

2.3.1 “拖罩氣體保護下焊接”復合肥P01001泵體隔離板焊接，防止空氣污染焊接高溫區，制作拖罩：長度120 mm，寬度60 mm，高度25 mm，設有分布網。“拖罩焊接”是使用焊炬噴嘴拖著保護罩，邊焊接邊保護前行的焊接方法。將焊接區、高溫區與空氣隔開，避免了高溫的焊縫及熱影響區暴露在空氣中被污化。

表1 焊接電流

右手持氬弧焊槍穩穩前行，左手持焊絲均勻滴入，焊炬前行時稍作小的擺動，使兩母材與焊絲均勻溶合，焊縫每次焊接長度應小于保護罩的長度，以免被空氣污染焊縫，采用托罩分段分塊焊接，解決了復合肥P01001泵葉輪的焊接修復。

2.3.2 “泵殼箱內腐蝕溝槽氣體保護下焊接”復合肥P01001氨液泵，內殼氣蝕嚴重，空間狹小，焊接修復難度大，無法使用托罩，如不采用保護，焊接質量得不到保證，為了滿足焊接要求，采取“泵殼箱內保護焊接”。

為了營造泵殼焊接保護環境，試用很多方法，使用了很多隔離物件，不是無法焊接，就是無法觀察，最后制定出有效措施-“玻璃隔離保護”，既能觀察到焊縫能順利進行焊接，又能起到隔離保護氣不泄露的作用，創造出“泵內小焊接室”的焊接環境，解決了無法施焊的難題。對“泵內小焊接室”進行充入保護氣體-氬氣，把空氣逐漸置換出“泵內小焊接室”，提高了“泵內小焊接室”保護氣體的純度。具備焊接條件后，雙手在“泵內小焊接室”焊接操作順利，首先對泵體氣蝕形成的大孔及凹坑采用段焊補孔，再對泵內被腐蝕的溝槽采用多道焊接，微擺動，控制層間溫度，用此方法順利完成焊接。

圖3 泵殼箱內焊接圖

3 焊接效果及結語

通過采用“拖罩氣體保護下焊接”和“泵殼箱內氣體保護下焊接”的方法，泵體焊后焊縫呈銀白色，焊縫成形良好，經PT檢驗合格，消除了泄漏造成的污染，確保了生產正常運行。

［1］易小平.工業純鈦TA2電鍍槽大型裂紋的焊接［J］.焊接技術，2003，32（1）：27-29.

［2］鐵永亮，何照榮.TA2的鎢極氬弧焊單面焊雙面成形焊接工藝研究［J］.兵器材料科學與工程，2006，29（4）：47-49.

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.08.028

TG444.74

A

1673-5285（2015）08-0106-03

2015－06-29

于世行，男（1964－），中國石油集團公司焊接技能專家，寧夏石化公司高級技師，現在中國石油寧夏石化公司安檢公司工作。