对工业用钛管道的接取技术探究
作者:管理员    发布于:2018-03-24 18:26:07    文字:【】【】【
摘要:杂质对工业纯钛的性能影响很大,杂质含量高则强度提高,塑性急剧降低。钛具有很高的活泼性,在高温下与氧、氮、碳、氢等亲和力很强,在300℃以上开始吸氢,在600℃以上大量吸收氧和氮,同时,Fe离子对工业纯钛的性能影响也非常大,这些杂质元素主要来源于气氛中以及焊件、焊材表面。各种杂质元素对钛材性能影响极大,具体分析如下。


1性能分析

1.1工业纯钛的组织结构及基本性质

882℃至熔点1678℃中间稳定存在的体心六方结构(β-Ti)。工业纯钛在缓慢冷却后,可获得规则的或锯齿状的多面体α晶粒组织。但快速冷却时,得到针状的α`相,属于亚稳相。

就焊接特性而言,与铜、铝及不锈钢等相比较,钛材有许多优点。首先,结构密度低,加上恰当的表面张力意味着熔池出现问题的可能性很小,焊接宽焊缝时,焊道形状能十分均匀;其次,钛的低导热性能,能保证进入熔池的热量散失较慢;进一步,钛的热膨胀系数比较低,从而使得钛材焊缝变形极小,热感应裂纹实际上不存在。

钛加热到高于α→β转变的临界温度时,晶粒长大的开始瞬间,是以晶界突跳式位移的方式进行的。随着晶粒尺寸的增加,晶粒长大的速度减慢。但随着温度的提高,晶粒长大的速度又重新加快。这种柱状β晶粒的形态、尺寸由“竞相生长”过程决定的,也取决于焊接熔池的形状。

β晶粒总是沿着平行最大温度梯度的某一方向优先生长。而β晶粒形态、尺寸又直接影响焊缝金属的性能。因此,控制焊缝金属晶粒尺寸,是焊接控制的重点,细化焊缝金属晶粒的方法主要有控制焊缝区能量输入、电磁搅拌、电弧摆动、低频和高频脉冲、喷射保护气体以及这些方法的综合利用。

1.2工业纯钛的焊接性分析

1.2.1焊接物理特性

1.2.2加热时晶粒长大的倾向大入量选取12 ̄15kJ/cm为宜。

杂质对工业纯钛的性能影响很大,杂质含量高则强度提高,塑性急剧降低。钛具有很高的活泼性,在高温下与氧、氮、碳、氢等亲和力很强,在300℃以上开始吸氢,在600℃以上大量吸收氧和氮,同时,Fe离子对工业纯钛的性能影响也非常大,这些杂质元素主要来源于气氛中以及焊件、焊材表面。各种杂质元素对钛材性能影响极大,具体分析如下。

1.3.1氢溶于钛中不仅导致产生气孔,同时钛与氢有极强的亲和力。氢在钛中的溶解度达33%(原子),冷却时通常沿孪晶线和滑移面析出的钛氢化合物,能剧烈的降低材料的韧性,在组织应力作用下还会产生冷裂纹和延迟裂纹,并增加对缺口的敏感性。

1.3.2氧和氮与钛生成的化合物能使焊接接头的硬度提高,塑性严重降低。

环境气氛中少量O、N杂质的污染,虽不能改变晶体结构,但他们常处在晶1.2.3焊接接头冷却时的组织转变1.3杂质元素的影响分析格的间隙位置,阻碍位错移动,显著提高钛的硬度和强度,引起焊接点脆化。

1.3.3高温下碳与钛生成碳化钛也能使焊缝塑性下降,产生裂缝。

1.3.4铁对钛的影响很大。铁离子在钛中易形成细小的钛铁化合物,这种沉淀物分散存在于焊接区中,会产生原电池腐蚀,从而损坏钛表面氧化膜,为氢气及气体杂质的侵入创造了条件,特别是高温下使用的钛设备、管道,极易产生氢脆。

2焊接工艺评定试验

2.1焊接工艺参数的选定

需要惰性气体保护的特点,采用手工钨极气体保护焊(GTAW)的焊接方法,同时严格控制焊件、焊材表面杂质含量,焊接质量能得到保证。钛管焊接工艺评定手工钨极气体保护焊的焊接工艺参数所示。

工业纯钛焊接,焊接材料的选用原则为焊丝熔敷金属的化学成分和力学性能应与母材相当。

2.2焊材选用原则

为了减小焊接接头过热区域,减少焊接变形,坡口的型式和尺寸应以减少金属填充量和焊接热输入量为原则。同时,坡口的型式和尺寸应便于焊接操作,保证焊接接头质量。综合考虑,坡口选用的型式和尺寸如表5所示。

根据杂质元素对工业纯钛的影响分析,避免O、N、H、C、Fe及其他杂质元素对钛材性能的影响。焊前必须清理焊件、焊材表面的油污及锈迹等杂质;焊接过程中必须控制空气。

2.3坡口角度

2.4杂质元素的防护

焊接前采用专用不锈钢刷工具清除坡口及其两侧不少于25mm范围内的氧化物。使用不含硫的丙酮或乙醇将填充焊丝和坡口两侧75mm范围内进行脱脂处理,擦拭采用洁净的棉布,清洁后的焊丝在使用中应戴洁净手套,并始终保持清洁无污染、无水分。

由于钛对氧、氮和氢有脆化敏感性,所以对焊接区温度高于400℃的部分应重点保护,以隔绝空气。通常采用辅助保护形式(尾随拖罩)加背面保护的方法进行焊接过程的保护。在大气中采用高纯度的氩气(99.99%以上)进行保护,并确保以下三部位能得到保护:熔池及其邻近的母材;已凝固的高温焊缝金属和热影响区;焊接接头的背面。

主保护气体是由焊枪喷嘴提供的,因此采用尽可能大的喷嘴提供层流保护气体。普通的辅助保护是后拖保护,由喷嘴和金属室组成,惰性气体流过带孔的金属板进入焊缝区而起到保护作用。保护罩尺寸:宽度50 ̄70mm,弧长80 ̄180mm.

焊接时填充焊丝的加热端始终保持在氩气保护之下,熄弧后焊丝不能立即暴露在大气中,应待温度降低到400℃以下时取出。如焊丝被氧化变色,氧化部分立即切除。

工艺评定试件焊接完成后,经无损检测检验合格后根据标准进行理化试验。试验结果如表6和表7.

2.4.1焊件、焊材处理2.4.2气体保护2.5工艺评定结果试验结果表明,焊接工艺完全满足焊接接头的使用性能。

3.1.1钛管施工,场地保持洁净。预制车间的存放、预制平台铺设δ5mm橡胶皮。现场焊接时,为了防止周边环境因素影响焊接质量,搭设由铝合金支架和防火帆布制作而成的防护棚。

3.1.2在进行钛材焊接前,采用菲奥琳试验对周围空气进行无铁离子污染检测(每日2次)。并且洁净厂房内保持无铁离子、过滤干净的微正压空气。

3.1.3钛管切割、坡口加工、钻孔采用机械方法,切割和加工表面不得过热变色。管子及管件清理或打磨坡口表面时,应采用专用砂轮片或不锈钢刷进行。

3.1.4根据焊接工艺指导书的要求进3焊接施工及质量检验3.1焊接施工行焊接施工。焊接工艺参数、焊材选用、氩气保护措施、焊材及焊件清理与焊接工艺评定时完全相同。

3.1.5钛管焊缝尾部氩气保护及DN150以上管道的焊缝背面氩气保护,需要制作专用保护罩。保护罩主体为铜制,内含不锈钢丝网分配气体。保护罩根据不同管径制作成不同弧度,分管子外保护罩和内保护罩两种。

焊缝宽度每边不超过坡口边缘2mm,焊缝余高不大于1.5 mm;管道焊接接头表面不存在咬边、凹陷、气孔、夹钨、裂纹及未熔合等缺陷。

3.2焊后,对焊接接头进行检验,包括外观检查、色泽检查、射线探伤和光谱检查3.2.1外观检查。

3.2.2色泽检查。

本次改造钛管道焊接焊缝颜色经检查全部为银白色。

为了确保质量,所有钛材焊接接头经100%RT检测。采用手工钨极气体保护焊的焊接方法,选用小焊接线能量,焊材选用符合GB/T3623-2007标准的TA2.焊接过程中对焊接接头熔池、尾部高温区域以及焊缝背部采用高纯氩气进行保护;焊接前对焊件、焊材严格清理,同时焊接过程中严格控制层间温度和焊缝金属的色泽。最终得到的焊接接头能够满足规定要求。

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