Ta1+TA1+Q345R复合板的焊接研究及应用

樊云博，邓宁嘉，肖仁道

(南京宝泰特种材料有限公司，江苏南京 211100)

0 引言

金属钽作为国家战略储备物资是一种与铌共生的稀有金属，主要通过电子束或真空电弧熔炼而成，其熔点高达2996℃、密度16.6 g/cm3，具有体心立方晶体结构、线膨胀系数小、导热率高等性能［1］。钽的质地虽坚硬，但延展性和韧性良好，有时在韧性方面甚至优异于铜，因此它具有良好的高温强度和加工性能;此外，钽还有出色的化学性质、极高的抗腐蚀性能，其耐蚀性优于钛、锆、铌，可认为是耐腐蚀性能最好的工程金属材料［2］，钽的腐蚀是均匀腐蚀，对切口不敏感，不发生腐蚀疲劳和腐蚀破裂等局部类型的腐蚀。由于钽在自然界的含量低(在地壳中的含量仅为0.0002%)［1］、熔点高、密度大、其熔炼的耗能高、成本昂贵;因此，钽这种稀贵、难熔金属，一般在化工装备上应用的形式主要是复合板和衬里结构。

某公司承接了多台Ta1+TA1+Q345R复合板设备的塔器和反应釜。以其中1台XQ塔器(结构见图1)为例:设计温度200℃，设计压力－0.1 MPa、介质90%硫酸硝酸混合物、中度危害;主筒体是按ASTM B898标准提供的Ta1+TA1+Q345R复合板，规格δ=1.5+3+10 mm，设备上所有的接管采用松衬和翻边结构连接。

图1 XQ塔的结构示意

为节约成本，设计上本来已经足够薄的钽复层，经过爆炸复合、封头冲压等多道加工工序后，实际钽复层的有效厚度大为减薄，因此整个复合板设备钽复层的接头焊接难度非常大，而焊接接头的质量直接影响到设备的使用，甚至严重影响生产系统的运行。所以，Ta1+TA1+Q345R三层复合板复层接头的焊接成为客户和制造单位共同关注的重点和难点。

1 Ta1+TA1+Q345R复合板的焊接特点及焊接性分析

Ta1+TA1+Q345R三层复合板的焊接与钛钢复合板相似，但又有区别。其基本原则是基层和复层必须分别焊接，其焊接性、焊材选择、焊接工艺等由基层和复层材料分别决定;复合钢板基层和复层交界处属异种金属焊接，但钛和钢、钽和钢不能直接熔焊，所以Ta1+TA1+Q345R三层复合板的焊接同样必须采用剔边和检漏结构。

金属钽在焊接过程中易吸气、晶粒粗大及引发气孔和裂纹。在钛、锆、钽及铌四种稀有难熔金属中，钽的焊接性能最好，但钽的熔点非常高，热导率也比较高，一般焊接需要的耗能往往偏大;若焊接热输入偏大，则易引起晶粒粗大;焊接热输入偏小，则熔池熔化不良，因此，钽的焊接必须选择合适的焊接热输入以保证焊缝质量。另外，钽的特性之一就是能够在250℃以上吸收气体(氧，氢，氮，含碳气体，含氯元素气体)形成相应的固溶体或金属间脆性化合物，使钽的抗拉强度、屈服强度、硬度提高，但伸长率却急剧降低［1］。因此钽材的焊接不但要在惰性气体保护或真空下进行，而且焊接材料的选用要在母材化学成分的基础上适量地降低O，N，C，H等杂质的上限，避免因脆性化合物而引起裂纹。

此台设备的钽复层厚度非常薄，仅1.5 mm，而钽材和钢材的熔点相差悬殊，分别为2996和1400℃，在施焊钽复层时，即使钽钢复合板中间采用钛板隔绝保护、变相地增加复层厚度，但极有可能在Q345R的基层上出现熔化区，况且基层中的Fe元素与 TA1，Ta1在高温下分别形成Fe2TA1，Fe2Ta1等脆性金属间化合物;特别是采用松衬和翻边两层结构的Ta1+Q345R复合接管，若焊接热输入过大，则基层上出现的熔化区溶液会夹带表面铁锈、氧化物等杂物一起通过钽焊缝熔池向外喷射、外翻，极易导致钽复层焊缝开裂、基层烧穿。因此，Ta1+TA1+Q345R三层复合板在钽复层焊接的过程中既要保证焊缝熔池的正常熔化，又要防止焊接热输入过大引起的晶粒粗大、氧化及过渡层甚至基层的熔化等一系列问题，这是此设备制造的重点和难点。

2 焊接工艺试验材料

此台设备主筒体所用的Ta1+TA1+Q345R复合板的焊接工艺评定分别按钢基层和钽复层各自的标准评定，即基层按照JB 4708—2000《钢制压力容器焊接工艺评定》，钽的焊接参照JB/T 4745—2002《钛制焊接容器》［3］附录 B 及美国ASME第Ⅸ卷《焊接和钎接》中的相关规定:

(1)焊接工艺评定试验准备两副试验试板，试验所用的钽板规格 δ1.5 mm，按国内 GB/T 3629—2006《钽及钽合金板材、带材和箔材》技术要求采购，退火状态供货，也可按ASTM B708《钽和钽合金板，薄板和带材》中R05200要求采购，但国内和美国的相应牌号的力学性能、化学成分并不完全相同，国内牌号化学成分和力学性能见表 1，2。

(2)因目前国内在压力容器行业尚无钽及钽合金线材或焊丝标准，试验所用的钽焊丝选用GB/T 14841—2008《钽及钽合金棒材》，经化学成分复验后，结果见表1，也可采用ASTM B365—98(2004)《钽及钽合金线材和丝材》的标准。

表1 钽、钽焊材的化学成分(ppm)及力学性能

表2 钽板材力学性能

(3)焊接保护气体采用99.999%以上的高纯氩气，含水量低，露点一般不超过－50℃，且符合GB/T 4842—2006《氩》的要求。在保护气体的选择上曾考虑采用高纯氦气或高纯氩气+氦气混合气焊接。虽然在纯钽板的焊接中可以利用氦气来增加熔深、减小热输入，细化晶粒，提高焊缝的性能，但对于钽钛钢复合板复层的焊接，采用高纯氦气增加熔深，若控制不当容易造成钽复层的烧穿，且氦气比氩气昂贵。

3 焊接工艺试验过程及结果分析

3.1 焊前清理

钽材的制作和焊接过程中对清洗保护的要求比钛、锆、铌的严格。焊前对钽板正反两面25 mm范围内采用机械打磨清除焊接区域的氧化物、油污及灰尘等污染物，并用丙酮清洗;1.5 mm的钽板组对点焊时不开坡口、不留间隙、防止错边，采用单面焊双面成型的技术施焊。

3.2 焊接工艺

焊接采用惰性气体钨极氩弧焊、直流正接。由于钽的熔点非常高，热导率也比较高，焊接时采用的电流比其他有色金属的大，因此焊接过程中选择、控制合适的焊接热输入是保证焊接质量和焊接变形的最有效的措施。具体参数见表3。

3.3 焊接保护

钽非常容易氧化。焊接过程中加强对焊接高温区的保护极其重要:采用较大的瓷嘴、同时在焊枪的尾部和试板背面各有一个拖罩对焊接接头温度高于200℃以上的部位采用惰性气体保护，拖罩内增加铜网以均匀气流量;焊接时保护部位采用提前送气和滞后停气以避免氧化;保护的效果可以用焊缝表面颜色判定，银白色最佳。

表3 钽板对接的焊接参数

3.4 试验结果

经外观检查合格，按照JB/T 4730—2005《承压设备无损检测》分别进行100%PT渗透检测和100%RT射线检测后，均符合Ⅰ级和Ⅱ级要求，其力学性能试验结果见表4;对焊缝进行微观金相晶粒度观察见图2。

表4 焊接试验力学性能

图2 焊缝、热影响区及母材区金相组织

从表3，4对比可以看出，2#试板的焊接电流虽然低，但由于金属钽自身的物理特性熔点高，不容易熔化，反而影响焊接速度导致焊接热输入偏大，其焊缝抗拉强度比1#试板高，延伸率比1#试板略低、焊缝及热影响区的晶粒度比1#试板粗大(见图2)。总的来看，1#，2#试板的焊缝及热影响区与原母材的晶粒度相比差别较大。

4 Ta1+TA1+Q345R复合板焊接模拟试验

为进一步了解和验证Ta1+TA1+Q345R三层复合板钽复层在2996℃以上焊接时，其过渡层钛板和基层钢板的受热及熔化情况，选用与设备规格相同的Ta1+TA1+Q345R复合板进行模拟试验。

(1)假设基层焊缝对接已完成，仅模拟Ta1+TA1+Q345R复合板复层焊缝结构，如图3所示;

(2)首先对钽复层和钛过渡层进行剔边，剔边时深度适中，防止基层留下沟槽;

(3)对盖板正反面15 mm以内及与Ta1+TA1+Q345R复合板复层相焊的区域用专用磨头打磨清理，并用丙酮清洗，在焊接的时候通过盖板下面预留的通气孔通气保护(见图4)，再采用上述1#试板的参数进行焊接，施焊结束后试件如图5所示，按照JB/T 4730—2005对焊缝进行100%PT渗透检测合格，对角焊缝采用线切割后断面如图6所示。

(4)经打磨抛光，采用10%氢氟酸腐蚀3～5 min后，采用40倍的显微镜观察钽复层的焊缝与过渡层、基层结合面的受热和熔化情况，如图7所示。

由图4，7可以看出:首先金属钽极耐腐蚀，用10%氢氟酸酸洗后，钽盖板与钽复层的角焊缝轮廓线仍然无法分辨，而此时过渡层靠近钽侧的钛已被腐蚀掉，越接近钽复层腐蚀越严重;其次通过钽复层与钛过渡层的凸界面线(钽盖板角焊缝正下方)可以看出在焊接复层钽的时候，过渡层的钛由于受热晶粒已经开始长大变粗，耐蚀性能下降，但其与金属钽、低合金钢没有发生互溶。由此可见，在施焊Ta1+TA1+Q345R复合板钽复层时，在钽与钢熔点相差1500℃的情况下，选择合适的焊接热输入，虽然对过渡层钛性能有一定的影响，但没有发生钛与钢、钽与钢互溶、甚至烧穿等现象，从而保证了钽复层的焊缝质量，也满足了整个焊接接头的质量。

图3 焊接坡口接头型式图

图4 经10%HF酸洗后焊缝复合界面

5 产品焊接及应用

图5 焊接模拟试验试板

图6 线切割后角焊缝原始界面

图7 经10%HF酸洗后焊缝复合界面 40×

此台钽钛钢三层复合板塔器是该公司在国内化工领域将难熔稀有金属作为耐蚀结构材料的大胆尝试，突破了国内钽钢复合板钽复层厚度不得低于2.0 mm［6］的界限。在参考钛钢复合板、锆钛钢复合板等相关制造技术标准的基础上，对此台设备的纵、环焊缝采用基层对接带钽盖板的结构形式、接管衬管与翻边采用搭接的结构形式，并且为了能及时检出泄漏的位置和解决钽复层焊接背面保护的问题，采用了检漏孔和银钎焊隔断［3］等技术。

5.1 坡口形式

在制造过程中，为了更好地保护钽复层免受污染以及减小复层盖板的宽度，以节省制作成本，此台设备基层的纵、环焊缝采用TIG+SMAW+SAW的组合焊接方法。钽复层的焊接采用手工钨极氩弧焊;设备筒体的坡口采用机械加工的方法，具体的坡口型式和复层接头结构如图3所示。

5.2 焊接技术措施

(1)钽复层的焊接需要在洁净、无灰和与钢制设备隔离的专用焊接工作区域内进行，避免焊接过程中与铁、铝、锌等活性的金属接触，防止它们在液相电解质中形成电偶腐蚀。

(2)焊前严格按照工艺要求清理焊接区域的氧化物、油污及灰尘等污染物，焊接过程中要通过检漏孔、枪嘴、拖罩三面通气保护，避免金属钽氧化。

(3)钽盖板角接接头在焊接的过程中，要严格按照工艺参数控制焊接热输入。另外，为了防止钛及钢的熔化，采用断弧施焊、脉冲电源的效果最好;若采用脉冲电源可以适当地放大电流，但应加快焊接速度，降低焊接的热输入，防止晶粒粗大。

(4)在焊接设备接管里面的钽衬管和翻边焊环的搭接接头时，必须采用断弧施焊、防止背面钢基层的外翻，如在焊接时发现熔池喷射或焊缝不熔化，应立刻停止施焊。

(5)若采用多层焊，必须控制焊接过程的层间温度≤100℃。

5.3 钽贴条后的检测

对所有钽复层的焊缝和热影响区经外观检查合格后，按照设计图纸要求对复合板复层的焊接接头进行100%PT检测，均符合JB/T 4730—2005Ⅰ级要求;采用0.05 MPa的氮气通过检漏孔通入钽盖板和复层之间，对所有钽焊缝进行气密性试验和设备整体的水压试验，无任何泄漏。

6 结语

通过焊接工艺试验，利用焊接热输入的比较来分析稀贵难熔金属钽的焊接性能和焊接特点，并结合Ta1+TA1+Q345R复合板自身的制造特点，得出如下经验:

(1)稀贵难熔金属钽的焊接性能很好，只要选择合适的焊接线能量，可以保证焊缝的抗拉强度、延伸率及晶粒度等各项性能指标;

(2)钽非常容易氧化，对其施焊时，必须像钛、锆等其他有色金属一样采用三面保护，而且保护的要求比其他有色金属要高，才能有效地提高焊缝的组织性能;

(3)针对钽钛钢三层复合板，钽与钢熔点相差悬殊的难题，选择合适的焊接热输入和技术措施，保证了焊缝熔池的正常熔化，又避免了焊接热输入过大引起的晶粒粗大、氧化及过渡层甚至基层的熔化等一系列问题，圆满完成了此批设备项目的制造工作。

［1］ 彭志辉.稀有金属材料加工工艺学［M］.长沙:中南大学出版社，2003:78－102.

［2］ 郑世平.薄钽板的焊接特性及其应用［J］.中国化工装备，2004，6(2):6 －8.

［3］ JB/T 4745—2005，钛制焊接容器［S］.

［4］ GB/T 3629—2006，钽及钽合金板材、带材和箔材［S］.

［5］ GB/T 14841—2008，钽及钽合金棒材［S］.

［6］ 艾建玲，杨永福，焦登宝.复层厚度对钽钢复合板焊接性的影响［J］.焊接技术，2001，30(3):5－6.