鉭復合板設備的焊接技術研究

林金峰* 王勝輝 張蒲根

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院）

0 前言

金屬鉭是一種稀有金屬，在自然界中的含量很低，主要通過電子束或真空電弧熔煉而成。其熔煉時能耗較高，因此價格昂貴。鉭在常溫下性能穩定，其線膨脹系數小、延展性好、導熱率高，且具備良好的高溫強度和加工性能。鉭的耐蝕性優于鈦、鋯、鈮，除發煙硫酸、氫氟酸等介質外，鉭在大多數工業酸中的耐蝕性能非常好。鉭對缺口敏感性不強，不易發生腐蝕疲勞等局部腐蝕，腐蝕類型為均勻腐蝕[1]。因此，鉭在石油化工設備中應用時主要是以鉭復合板和襯里結構的形式[2]。

鉭覆層或鉭管的焊接過程是制造鉭復合板設備的關鍵步驟，因此解決鉭的焊接問題是鉭在化工容器中廣泛應用的前提。本文對鉭材的力學性能進行了分析研究，介紹了鉭復合板設備的3 種連接結構和相關焊接研究，并提出了鉭焊接過程的主要控制要點，作為生產過程的技術參考。

1 鉭的力學性能試驗

拉伸試驗依據GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》附錄B，采用厚度為0.5 mm 的矩形截面非比例試樣，其橫截面尺寸為15 mm×0.5 mm，原始標距為30 mm，拉伸速率為2 mm/min，如圖1 所示。試樣1 的拉伸試驗曲線如圖2 所示。材的規定。平均上屈服強度和平均抗拉強度分別為292 MPa 和294 MPa，上屈服點數值上與抗拉強度相近，平均斷后伸長率為55.3%。平均維氏硬度HV0.3為117.4，可見表2。

圖1 拉伸試樣

圖2 試樣1的拉伸試驗曲線

表1 鉭板拉伸試驗結果

表2 鉭板的維氏硬度測試結果

由試樣拉伸曲線可見，跟碳鋼比，鉭材的彈性階段曲線斜率大，即鉭比碳鋼的剛度更大；鉭的上屈服點較高，數值上與抗拉強度相近；在拉伸過程的應變強化階段，隨著變形增加，載荷增加的幅度相對平緩，平均斷后伸長率可達到55%，這與碳鋼有一定區別。

由圖3 中的掃描電鏡照片可見，試樣母材為纖維狀組織，且有軋制痕跡。拉伸宏觀斷口顯示，拉伸斷口平整，有一定頸縮，斷口表現出一定脆性特征，這是拉伸變形的引起材料應變強化所致。平均斷后伸長率達到55.3%，說明變形率大，塑性良好。

圖3 拉伸斷口掃描電鏡

2 鉭設備的焊接

襯鉭或鉭復合板壓力容器的設計和制造暫沒有國家標準，企業一般參照GB 150—2011《壓力容器》，GB 151—2014《熱交換器》，NB/T 47011—2010《鋯制壓力容器》等標準有關條款，結合工藝特點等信息來制定企業標準從而指導生產。在首次設備制作前，應進行焊接工藝評定，確定合適的焊接工藝參數，必要時可增加接頭金相組織分析、力學性能測試和管接頭拉脫力試驗等。對施焊人員的能力要求由企業制定，可參照TSG Z6002—2010《特種設備焊接操作人員考核細則》等相關標準規定。

2.1 鉭復合板設備的焊接特點

為了降低成本，復合板中鉭的厚度應盡可能小[4]。設計時，應選擇以碳鋼為基層來承擔強度載荷，以鉭為覆層解決耐腐蝕問題，強度計算時一般不考慮鉭厚度。鉭的熔點為2 996 ℃，而鋼的熔點約為1 500 ℃，鉭與鋼的熔點相差懸殊，對焊接十分不利，尤其是隨著鉭材厚度減薄，焊接難度進一步增大[5]。

鉭-鋼復合板結構如圖5 所示。在鉭覆層施焊過程中，可能引起基層鋼材熔化，在高溫下發生共晶反應，形成脆性鉭-鐵金屬間化合物，或在焊接應力作用下產生裂紋，裂紋沿熔池向基層擴展，嚴重時可導致貫穿性裂紋。圖6 所示的界面溫度與復層厚度之間的關系表明，增加鉭材的厚度，可以降低界面溫度，防止焊縫開裂；當鉭層厚度≤2.0 mm 時，鋼發生熔化，鐵元素高溫擴散到焊縫導致裂紋產生，而當鉭層厚度＞2.0 mm 時，可以完成鉭-鋼復合板的焊接工作，故建議采用復層厚度為2.5～4 mm[6]。

圖5 鉭-鋼復合板結構圖

圖6 界面溫度與復層厚度關系圖

圖7 所示為鉭-鋼復合管板與鉭管的焊接結構。有研究對該結構進行數值模擬，結果表明，氬弧焊焊接線能量為280 J/mm 時，焊接溫度分布是以焊縫熔池為中心的一個扇形區域，溫度由內向外遞減，熔池處溫度最高，約為3 000 ℃；鉭管的厚度對焊接溫度場影響不大；當管板的鉭復層厚度為2 mm 時，界面溫度超過1 500 ℃，會引起基層鋼熔化，而復層厚度為2.5 mm 時，界面處的最高溫度低于1 500 ℃，基層鋼不會熔化[7]。

圖7 鉭-鋼復合管板與鉭管的焊接結構圖

此外，鉭對空氣中的N，H，O 等元素比較敏感，當溫度超過250 ℃時，鉭就會與其發生反應，生成脆性化合物，從而使焊縫硬度提高，塑性下降。因此，為了保證焊接質量，施焊環境和焊接工藝的控制要求較高。

為了保證上述兩種結構的焊接質量，采用氬弧焊焊接時，覆層厚度至少應為2.5 mm。

2.2 鉭-鈦（銅）-鋼三層復合板的焊接要點

鉭-鈦（銅）-鋼三層復合板結構如圖8 所示。三層復合板采用鈦或銅作為過渡層，鉭作為覆層，鋼作為基層承載，這是因為鉭與鈦（或銅）高溫下不會形成脆性金屬間化合物，同時也容易與鋼結合。采用三層復合板時，鉭的厚度沒有不少于2.5 mm 的要求，其厚度可以更小，進一步降低了材料成本，因此三層復合板比鉭-鋼復合板具有更加明顯的優勢。

圖8 鉭-鈦（銅）-鋼三層復合板結構

鉭-鈦（銅）-鋼三層復合板的基層焊縫采用對接焊接，覆層焊縫采用墊條和鉭蓋板的組合。墊條一般采用鉭或鈦，當采用鈦墊條時，可以對鈦墊條和覆層進行密封焊。學者分別對鉭-鈦（銅）-鋼三層復合板進行焊接研究，結果表明：選擇合適的焊接熱輸入，雖然焊縫和熱影響區的晶粒有一定增長，但過渡層和鋼未發生互溶，可以保證鉭焊縫質量[1,8-9]。

通過查閱相關的資料和技術分析表明，進行以下有效的焊接控制措施，是確保鉭制多層復合板焊縫質量的關鍵。

（1）鉭材應獨立存放，避免與其他金屬接觸發生污染；

（2）焊接場地應選擇清潔的獨立區域或潔凈廠房，由焊接工程師指定的焊工施焊；

（3）焊接過程采用純度為99.99%以上，露點≤-50 ℃的高純氬氣作為保護氣，并通過檢漏孔、槍嘴、專用保護拖罩三面通氣保護；

（4）嚴格按照工藝要求，采用機械清理和脫脂處理（乙醇或丙酮）的方式，清除焊接坡口及其兩側30～50 mm 區域內的氧化物、油污等污染物，清理完畢后應立即施焊；

（5）墊條安裝時應先修磨，保證其與基層貼緊，一般與覆層平齊；

（6）在焊接過程中，要嚴格按照焊接工藝要求，控制焊接熱輸入，防止焊縫晶粒粗大，多層焊接時，一般應控制層間溫度不超過100 ℃；

（7）焊后應進行宏觀檢驗，焊縫及熱影響區必須為銀白色；

（8）對鉭貼條焊縫進行滲透檢測，并通過檢漏孔在鉭蓋板和復層間通入氮氣，對其進行氣密性試驗，無泄漏則為合格。

3 結論

本文對鉭的力學性能進行了相關測試和討論，總結了國內鉭焊接研究的技術成果，并得出以下結論：

（1）跟鋼材相比，鉭的剛度和伸長率更大，硬度小，且上屈服強度和抗拉強度接近；

（2）為了保證鉭復合板的焊接質量，避免鉭和鋼互溶，鉭-鋼復合板的覆層厚度至少應為2.5 mm；

（3）總結了國內鉭焊接研究成果，針對鉭-鈦（銅）-鋼三層復合板的鉭貼條角焊縫焊接技術，提出了鉭焊接的控制要點，可以有效確保焊縫質量，為鉭化工設備的生產過程提供技術參考。