TA10厚板钛材焊接工艺

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1 序言

国内化工装置中常见的钛材设备壳体厚度一般在10mm左右，采用常规的焊接参数即可满足焊接要求。但是对于稍厚规格的钛材，尤其是厚度在20mm以上的板材焊接，其坡口形式、焊接参数、气体保护等工艺参数随着板材厚度的增加，差异较大。厚板钛合金焊接时，若采用常规的坡口形式及焊接参数，存在着金属填充量大，焊后变形量及残余应力大，总施焊遍数多易对焊缝的力学性能、工艺性能造成不良影响，以及施焊效率较低等问题[1-4]。

传统的厚板钛材焊接坡口形式如图1所示，其中U形、双U形坡口加工难度大，加工周期长，且坡口间隙较窄，焊接难度较大；X形坡口则金属填充量过大。

钛在高温下会发生由致密的密排六方晶格α钛转变为晶体粗大的体心立方晶格β钛，导致焊接接头塑性下降，且钛材具有熔点高、热容量大和导热性差等特点，因此钛材焊接应采取尽量小的焊接热输入。传统的钛材焊接工艺一般通过采取减小电弧电压（一般选取10～12V）、焊接电流（一般选取110～150A）的措施，来减小焊接热输入。虽然控制了焊接热输入，但焊接速度（一般40～50mm/min）相应较低，焊接效率大幅降低，同时增加了施焊道数，即增加了产生缺陷的概率。

针对上述现有技术的不足，本文提出一种TA10厚板钛材手工氩弧焊焊接工艺，使钛材手工氩弧焊焊接技术的适用范围进一步扩大，特别适用于20mm以上钛材的焊接。

2 厚板钛材手工氩弧焊焊接工艺

针对传统厚板钛材手工氩弧焊焊接工艺的不足进行改进。主要包括以下内容：

（1）焊前清理 清理焊丝、坡口表面及坡口两侧油污、铁锈等杂质。

（2）坡口的加工 采用双V形坡口（见图2），坡口下段角度取55°～70°，坡口上段角度取30°～35°。

（3）确定焊接参数 焊接电流为160～200A，电弧电压为12～16V、焊接速度为70～80mm/min，施焊时按照正、反面各焊接两遍的焊接顺序交替进行，焊枪气体流量为10～15L/min，焊缝的正面、正面后端、背面及热影响区部分都要同时采用氩气进行保护，保护气体流量20～25L/min，至焊缝及热影响区温度降至≤80℃后停止通氩气。

图1 传统的钛材焊接坡口形式

图2 改进后的钛材焊接坡口形式

3 28 mm厚 TA10板焊接实例

试板TA10坡口形式如图3所示，采用改进后的双V形坡口，下段坡口角度60°，厚度3～6mm；上段坡口角度30°，厚度7.5～10.5mm，组对间隙（3±1）mm。

图3 28mm厚TA10板坡口形式

（1）焊前的准备 对焊丝、坡口表面及坡口两侧20mm范围内进行清理，可根据表面污染程度选用合金刀头、不锈钢钢丝刷、乙醇进行清洗，施焊过程中严禁使用不锈钢丝轮再对焊缝进行清理。

施焊前需用乙醇和丝绸布清洗坡口和焊丝，以后不得再用手直接触摸，并及时施焊，长时间未焊应重新清洗。清洗干净的焊丝不得随意抛在地上，以防再次污染，应放在洁净的焊丝筒内使用[5]。

（2）焊接过程控制 主要包括以下几方面：①焊缝的正面、正面后端、背面及热影响区部分都要同时采用氩气进行保护。②焊接时必须采用引弧板和引出板，防止托罩保护效果不良。③氩气使用前要在钛板上进行试验焊接，焊缝呈现纯白色且无缺陷，证明氩气纯度符合要求，若焊缝出现其他颜色或出现缺陷，说明氩气纯度不符要求，应进行更换并重新焊接。④采用不易吸湿材料的送气管。⑤严格控制层间温度≤80℃，焊接过程中必须对层间温度进行测量、记录。⑥检查员必须根据层间清理要求，对每一层的焊接质量进行确认。若焊接质量不符合要求，质检员必须督促焊工按相应的处理方法进行处理。⑦焊丝必须放在焊丝筒内。⑧施焊时必须严格按照工艺要求的焊接顺序进行施焊。

（3）焊接人员要求 施焊人员及防护人员进入现场必须穿着洁净白色工作服，佩戴白帆布手套和鞋套。

（4）焊接工艺要求和层间清理 焊接参数见表1，层间清理要求见表2。

表1 28mm厚TA10手工氩弧焊焊接参数

表2 层间清理要求

4 结束语

本文通过改进坡口形式和焊接工艺，实现了TA10厚板钛材的手工氩弧焊焊接。改进后的坡口在保持易加工特性的同时，使焊缝金属填充量比传统X形坡口降低约30%；宽阔的根部焊接空间，不仅降低了焊接操作难度，保证了焊接质量，而且提高了一次无损检测合格率。经实例焊接操作，实现了单台设备所有焊缝一次无损检测合格率100%。改进后的焊接工艺，施焊速度比传统工艺提高约60%，总体效率提高了约1.2倍，且合理的施焊顺序有效地减小了焊接应力的产生，保证了焊接质量。