鈦制壓力容器焊接的重要性及工裝設計

隨著海洋開發(fā)的大好形勢，鈦制壓力容器的應用也越來越廣泛。海水中含有大量的氯離子，碳素鋼、低合金鋼及不銹鋼都無法抵制氯離子腐蝕，相對而言，鈦材不僅密度小，而且能有效抵制氯離子腐蝕。有資料顯示，靜置于海水中的鈦管（TA2）十年腐蝕率竟然不到0.2mm，完全可以忽略不計。但鈦材的焊接卻讓每一個初步涉及鈦材的壓力容器廠家及相關焊接工程師大皺眉頭。甚至有很多廠家報廢了很多鈦制設備。鈦材價格昂貴，如此一來，既給自己的企業(yè)帶來了經(jīng)濟損失，同時也造成了社會資源的浪費。

鈦材的焊接通常采用鎢極氬弧焊，根據(jù)JB/T4745-2002《鈦制焊接容器》第10.3.5.6規(guī)定：應對所有鈦制焊縫和熱影響區(qū)在焊接完工原始狀態(tài)的表面顏色進行檢驗，并按表1-1的規(guī)定判斷是否合格與進行處理，如出現(xiàn)其它顏色（如灰色）則按焊接失敗處理。出現(xiàn)了其他顏色，則表明氬氣保護不利從而氧化，氧化的結果就是焊接裂紋，焊接失敗的原因也就是焊接裂紋的產生。如果鈦材焊接失敗則返修極端困難，失敗部分的去除只能采用機械方法，而傳統(tǒng)的火焰切除或氣刨清除容易造成二次氧化從而擴大裂紋的損害，因此均不適用于鈦材。而且機械清除時，還要控制工作頻率，機械摩擦產生的熱量同樣會加劇氧化。清除失敗部分后，焊接破口及破口附近區(qū)域要用高純度酒精或丙酮清洗。因此可見鈦制壓力容器的焊接一次合格率是非常重要的。

很多廠家把失敗的原因錯誤的總結在焊工技能和焊接參數(shù)上。但是不管廠家進行進一步焊工培訓，還是反復試驗焊接參數(shù)，所取得的效果確是微乎其微。可見這是一個誤區(qū)，解決的辦法還有待查證。

經(jīng)多次觀察研究，參照成功案例，并吸收了多種失敗的經(jīng)驗教訓，最終發(fā)現(xiàn)焊接失敗的原因在于保護氣體的工裝不合理。據(jù)沈陽某鈦廠一名老焊接師傅介紹：在有良好氣體保護的前提下，金屬鈦的可焊接性甚至優(yōu)于不銹鋼。同時也展示了部分非保密產品，焊縫絕大多數(shù)是金黃色，完全符合表1-1的要求。

按特種設備要求，在壓力容器廠家制造過程中有專門的質量保證體系，該體系負責產品的工藝操作、過程控制、質量把關。該體系中對工裝負責的是設計工藝責任人，比如水壓試驗用的法蘭蓋即屬于該責任人責任管轄。然而焊接工裝雖屬工裝卻與焊接工藝貼近。也就是說焊接工裝同時屬于兩個范疇，卻又不完全歸屬于其中某個范疇，這種不完全性導致了焊接誤區(qū)的產生。

氬弧焊接的保護氣體由正面保護氣體、尾部保護氣體以及背面保護氣體這三部分共同構成。碳素鋼、低合金鋼的氬弧焊接通常沒有背面保護氣體和尾部保護氣體，不銹鋼的氬弧焊接則通常沒有尾部保護氣體。氬弧焊保護氣體（即氬氣）的純度也有區(qū)別，鈦材要求保護氣體純度99.99%，其它非有色金屬則要求純度99.97%即可。

正面保護氣主要是氬弧噴嘴所形成的氣罩，通常鈦材焊接噴嘴直徑應不小于φ14。尾部保護氣和背面保護氣受不合理工裝影響，往往達不到保護效果。經(jīng)過多次試驗總結，合理的尾部保護氣工裝見圖1-a，燕尾部分是為了給氬弧焊槍預留空間，施焊時燕尾部分緊隨焊槍行進。工裝形成的氣罩與噴嘴形成的氣罩要形成交集氣罩。這種加長型的氣罩給予了足夠時間，使得熔融金屬液有足夠的時間凝固成焊縫，焊縫也有了足夠的時間冷卻，從而避免了氧化，杜絕了裂紋的形成。背面保護氣的工裝見圖1-b，此工裝在背面可以略微傾斜，使得視線能夠看到紅黃色的熔敷金屬，顏色最亮的部分應處于散氣箱中間正對進氣管部位。

由圖1-a和圖1-b可見，這兩種工裝由進氣管和散氣箱兩部分組成。進氣管采用φ18×1.5紫銅管，散氣箱采用厚度1.5mm紫銅板。在進氣管彎曲制造時，內部應沖石英砂，避免彎癟。按視圖所示散氣箱一底面鉆孔，孔徑為φ1.5mm，孔中心距為5mm，正三角形排列布滿該面。不可過分減小散氣箱尺寸，也不可增加散氣孔直徑或加大中心距，從而減少鉆孔數(shù)量，這些對氣罩都有嚴重影響，無法保證焊接質量。

工裝采用焊接加工而成，無論是紫銅管材，還是紫銅板材，所采用的都非常的薄，焊接容易產生氣孔。非散氣部分漏氣，容易造成氣流波動，從而破環(huán)氣罩，影響焊接質量。除了加工制造該工裝時多加仔細外，制造完成后，應進行氣密檢查。檢查的方法就是接通0.3～0.4MPa壓縮空氣或其他無污染氣體，用稀釋肥皂液涂在焊縫處，可觀察漏氣與否。如漏氣則補修漏點。

紫銅質柔軟且韌性較好，可以進行多弧度彎轉，從而使得該工裝適應性大大增強，不僅能施焊A、B類焊接接頭，還能施焊C、D、E類焊接接頭。

除了焊接工裝外，還應注意以下幾點問題：

1、彎癟的進氣管不得使用，在使用過程中砸癟的進氣管應及時更換，進氣量不穩(wěn)定影響散氣箱氣罩的均勻性，不利焊接質量；

2、施焊時無論起弧點還是收弧點都應提供足夠時間的氣體保護，氣罩成型時間最少為5秒；

3、嚴格執(zhí)行鈦車間管理制度，杜絕鐵離子污染；

4、如果施焊的是密閉罐體，操作背部保護氣工作的人員應注意安全，避免缺氧造成人身傷害；

5、當采用雙面焊時，施焊任何一面時，都應該在背面進行氣體保護。

6、在施焊前，應進行施焊人員和工裝操縱人員的配合練習，避免人為因素產生焊接質量缺欠。

經(jīng)實踐證明，上述工裝具有較好的氣體保護效果，排除其它原因，在這種工裝產生的保護氣體之下，A、B類接頭施焊完成表面顏色多為銀白色；C、D、E類接頭為銀白色或不致密黃色，從未出現(xiàn)藍色。