鈦及鈦合金TIG焊接的氣體保護措施和設備

摘 要：在鈦及鈦合金TIG焊接過程中，由于缺乏氣體保護措施和設備而產生的氣孔、裂紋等焊接缺陷筆筆皆是。本文針對鈦及鈦合金TIG焊接中氣體保護措施和設備的不足，對國內外較為先進的氣體保護措施和設備方法進行簡要闡述，并結合有色及化工設備制造工藝特點，提出改善氣體保護措施和設備的對措，進而提高焊接質量。

關鍵詞：鈦及鈦合金焊接;缺陷產生的原因淺析;保護措施和設備

1 前言

鈦及鈦合金作為較為新型的材料，由于具有特殊的抗腐蝕性能和良好的力學特性，被廣泛應用于有色及化工各類設備中，如用于銅冶煉貴金屬車間反應釜，各式輸送電解液的管道等。但鈦及鈦合金設備在制造過程中，由于其焊接性較差，因此對焊接工藝和技術性能提出了更高要求。

2 鈦及鈦合金的焊接缺陷以及產生的原因淺析

2.1氣體等雜質污染傾向分析

常溫下工業純鈦比較穩定，與氧生成了致密的氧化膜，同時具有了較高的抗腐蝕性能，但由于其在高溫下化學性能極其活潑，尤其是在熔融的狀態下尤為嚴重，幾乎能與所有的元素起作用，具有極強的吸收空氣中的氫、氧、氮的能力。降低了焊接接頭的塑性及韌性。因此在焊接時對超過250℃以上的焊縫及焊縫背面甚至熱影響區都要加以嚴格的保護。

2.2焊接裂紋傾向分析

焊接鈦材時極易受到氫、氧、氮等雜質污染。尤其在350-400℃時開始大量吸氫，氫是鈦中最有害的元素之一，它能降低鈦的塑性及韌性，導致脆裂;在焊縫冷卻的過程中，氫從高溫熔池向較低的熱影響區擴散時當該區氫富集到一定程度將從固熔區中析出TiH2使之脆化，隨著TiH2析出，將產生較大的體積變化而引起了較大的內應力。上述因素促使了冷裂紋的生成，并且具有較強的延遲特性。

此外鈦在高于885℃時產生同素異構轉變，由α鈦轉變成β鈦，溫度再增加，β鈦的晶粒也急劇的增長，使性能迅速變壞。當結構剛性大時，焊接拉應力作用也會導致產生裂紋。如鈦材一旦沾染上鐵離子也會變脆，這也是導致鈦材產生焊接裂紋的原因之一。

2.3焊接氣孔傾向分析

氣孔在焊接中是最常見的缺陷之一，形成的原因很多，但一般認為氫氣是形成氣孔的主要原因，常常集中出現在熔合線附近，有時也會產生在焊縫中心線附近，氫在鈦中的溶解度隨溫度的升高而降低，在凝固溫度處有躍變，由于熔池的中部溫度遠遠高于熔池的邊緣，故熔池中部的氫易向熔池邊緣擴散富集。冷卻時來不及析出而聚成氣孔，因此防止焊縫氣孔的方法就是采用保護的方式去杜絕有害氣體的來源。防止焊接區被污染。

2.4接頭晶粒粗化傾向分析

由于鈦的熔點高，熱容量大，導熱性差，液態熔池金屬具有尺寸大，高溫停留時間長和冷卻速度慢的特點，在焊縫及近縫區容易產生過熱組織，使晶粒變得粗大，引起塑性和斷裂韌性降低。

3 鈦及鈦合金焊接的氣體保護措施和設備

基于鈦及鈦合金性質非常活潑，與氧、氮、氫的親和力大，有色及化工工業上使用得最多的是TIG焊接。可分為局部保護法和充氬箱保護法兩大類型。局部保護法是利用噴嘴、拖罩和背面保護裝置來通以適當流量的氬氣和氬氮混合氣體，把焊接高溫區與空氣隔開，以防止空氣侵入污染焊接區的金屬的方法。當焊接結構復雜，難以實現拖罩和背面保護時宜采用充氬箱保護法。充氬箱在焊前先抽真空然后再充氬，使焊件在充氬箱中處于整體氣體保護的氛圍中施焊。

3.1鈦材焊接之拖罩保護

圖2為國外生產的焊接用管道用的外拖罩和板材焊接用扁平拖罩。其主要為在焊接過程中需要高質量氣體保護覆蓋的鈦及鈦合金而設計。有多種類型能適用于各種常見管道及全位置的鈦及鈦合金焊接。拖罩上裝有喉箍，方便固定有噴嘴上。內部采用了多層氣體擴散網可防止產生氣流紊流，始終保持層流狀態，并為熱影響區（HAZ）帶來了更好的氣體覆蓋率，使焊接保護氣體在焊接表面上廣泛均勻、緩慢地分散，避免湍流和低壓區域的產生以阻止氧氣從外面進入;側壁密封件為柔性硅橡膠成分，耐溫達200℃以上，可在燃燒或者損壞后能單獨更換該部件。

國外品牌有英國HFT公司生產的Argweld、挪威Ti-Tech 公司生產的TrailingShield?，國內暫無生產此類產品的，很多時候是僅是通過自制方法來獲得適合生產使用的拖罩，但較為簡陋，在實際應用中在內部網板可用氣體流態化板來代替使用效果會更佳。

3.2管道焊接用焊接氣囊保護

在傳統氬弧焊接操作中，大部分采用管道全部灌滿氬氣的方法，來達到管道內部保護的目的，在充氬過程中氬氣浪費嚴重。模塊化充氣氣囊系統是比較新型的管道焊接氣體保護措施方法。其配備專有的膀胱膨脹技術（BET），可以使一個氣囊裝置能適合多種管道尺寸，在管壁上形成不可滲透的氣密密封，來達到鈦管背面保護的目的。氣囊尺寸范圍從51 mm - 1219 mm。其工作過程：首先將凈化氣體保護帶（無膠焊接膠帶）來封堵焊口，然后再將模塊化充氣氣囊放入管道。配有發光指示器，可在根部間隙進行精確對準焊道中央。對氣囊內通入氬氣，使氣囊充滿，用測氧儀來監測氧氣含量，根據需要來設定氧含量值。經試驗直徑為DN350的管道，氧含量降低到1000ppm需要5分鐘，氧含量降低到100ppm需要10分鐘。管道內的氧含量降低到焊接需要的設定值時，就可以進行焊接了，當然在焊接過程中還要保證持續的充氬。目前國外產品有美國AQUASOL焊接氣囊I-PURGE。

3.3 充氬箱保護

充氬箱保護可分為剛性充氬箱和柔性充氬箱兩種。剛性充氬箱多用不銹鋼制成，每一個性外殼都有一個氬氣入口和一個排氣閥，使用前先抽真空度至1.3×10-2Pa， 然后再充氬。借助箱體上的手套孔，在箱內進行焊接的方法。在航空工業上使用較多。而柔性充氬箱是為在剛性充氬箱在經濟上不可行或空間可能有溢出的應用而設計的。柔性充氬箱可用抽真空也通用多次折疊來排除箱內空氣，在實際生產中方便攜帶甚至可以自制，是一種較為靈活的輕便的氣體保護措施。如圖4所示。

3.4氣體保護措施和設備的選擇和運用

在銅冶煉中電解用的上清液管道基本上都是用TA1或TA2的工業純鈦來制造，如果沒有采用比較好的氣體保護措施尤其是現場裝配焊接，工藝條件的限制使得返修率較高，利用管道焊接用外拖罩加氣囊保護法，就可以取得良好的保護效果。

此外在焊接鈦及鈦合金管道時還可采用水溶紙和水溶性薄膜作為管道保護氣封堵材料。來做為管道內氣體保護的措施。在在焊接完成后，封堵用的水溶紙和水溶性薄膜可以毫不費力地用水溶解并沖走，在管道內不留任何殘渣。

在焊接小型鈦及鈦合金零件時可以充分利用柔性充氬箱完美的氣體屏蔽效應，防止氧化及焊接缺陷，從而提高焊接質量。

4.結語

鈦及鈦合金的焊接方法及工藝可以參照GB/T 13149-2009 鈦及鈦合金復合鋼板焊接技術條件以及AWS D10.6D10.6M-2000鈦管GTAW焊接推薦工藝來焊接，本文僅對氣體保護措施和設備進行簡要闡述。當采用以上幾種氣體保護措施和設備時，鈦及鈦合金焊接在實際生產中均可取得良好的保護效果。焊道外觀基本上都可以獲得符合表1中的銀白、淺黃和金黃色。

參考文獻：

[1]衛紅波：鈦材管道的焊接工藝要點[J]安裝? 2006 10（10）：39-40.

[2]韋生，費東，田雷： 鈦及鈦合金焊接工藝探討[J]焊接技術2013? 42（4）：73-75.

[3]陳祝年，陳茂愛： 焊接工程師手冊（第3版）[M] 北京：機械工業出版社，2019.

作者簡介：

鐘強昇（1974-），男， 福建長汀人，高級技師，研究方向設備維修與非標制造。

（紫金銅業有限公司，福建 上杭 364204）