由于鈦材焊接性問題，在鈦材設(shè)備制造過程中需采取一些特殊工藝措施與技術(shù)手段，才能保證質(zhì)量。本文結(jié)合騰宇鈦業(yè)鈦列管式換熱器、鈦儲罐、鈦反應(yīng)釜、鈦分離器等設(shè)備制作實(shí)踐予以介紹。
一、焊接缺陷及原因
鈦材設(shè)備在焊接時極易氧化、氮化和脆裂。鈦不僅在熔融狀態(tài)下能和幾乎所有元素起作用，而且在350~400℃時即開始大量吸氫。氫是鈦中最有害的元素之一，它能降低鈦的塑性與韌性，導(dǎo)致脆裂。當(dāng)冷卻時，氫來不及逸出而聚成氣孔。故一般要求鈦中含氫量在0.01％以下。若母材或焊接材料中含氫量大，則應(yīng)預(yù)先作脫氫處理。鈦在600℃以上就會急劇地和氧、氮化合，生成二氧化鈦和氮化鈦(硬度極大)，當(dāng)加熱到800℃以上，二氧化鈦即溶解于鈦中并擴(kuò)散深入到金屬鈦的內(nèi)部組織中去，形成0.01~0.08mm的中間脆性層。溫度越高，時間越長，氧化、氮化也越嚴(yán)重，焊接接頭的塑性就急劇降低。為此，一般要求鈦中含氧量應(yīng)在0.1％以內(nèi)。此外，鈦還易與碳形成脆性的碳化物，降低塑性和可焊性。
鈦易過熱。鈦的熔點(diǎn)高(1680~1725℃)，屬難熔金屬，在焊接時需要高溫?zé)嵩?。鈦的?dǎo)熱系數(shù)低，僅為碳鋼的一半，熱量不易散失，過熱傾向嚴(yán)重。鈦在885℃時產(chǎn)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由α鈦(密集六方晶格)轉(zhuǎn)變?yōu)棣骡?體心立方晶格)，溫度再高，盧鈦的晶粒便會急劇地跳躍式地長大，使性能迅速變壞。當(dāng)結(jié)構(gòu)剛性大時，焊接拉應(yīng)力作用，還會導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。
此外，鈦一旦沾染鐵離子即變脆。這也是導(dǎo)致鈦材產(chǎn)生焊接裂紋的重要原因之一。
二、主要工藝措施及控制
1、生產(chǎn)準(zhǔn)備工作
1)施工場地及其要求
鈦材焊接應(yīng)在獨(dú)立的鈦加工車間進(jìn)行。如果在鋼鐵車間內(nèi)進(jìn)行焊接，應(yīng)與作業(yè)區(qū)隔開。鈦材焊接應(yīng)遠(yuǎn)離通風(fēng)口和敞開的門窗處，焊接作業(yè)處風(fēng)速<10m/s，相對濕度<90％。若條件許可，在鈦材焊接場地鋪設(shè)地面，禁止鐵污染，搭防塵棚，配備去濕機(jī)，對提高焊接質(zhì)量有良好效果。
2)簡體與零部件的下料
鈦材與不銹鋼、鋁材一樣，表面不得有硬印標(biāo)記(樣沖孔等)，應(yīng)用鉛筆(色筆)劃線。鈦薄板可以剪切下料，厚板可用氧乙炔焰或等離子弧切割。切口要留加工余量，用機(jī)械方法去除表面污染層。為了防止在各道工序受到損壞，表面應(yīng)貼牛皮紙保護(hù)。鈦表面打磨只能用橡膠或尼龍滲合氧化鋁的砂輪，絕不能用打磨過碳鋼的砂輪。打磨時不允許出現(xiàn)過熱的色澤。
3)板坯的坡口加工與卷圓
縱縫坡口用刨邊機(jī)加工，坡口加工后卷圓，以免錯邊。卷板機(jī)滾筒表面應(yīng)清理干凈。由于鈦的彈性模量較低，回彈量大，可采用模壓法(預(yù)彎)或在三輥卷板機(jī)上模板滾壓成型。要認(rèn)真對待和嚴(yán)控簡體縱縫棱角度。
4)管板的管孔加工
這是換熱器制造的主要環(huán)節(jié)之一。鈦比不銹鋼有更大的咬粘傾向，管孔加工要用短而銳利的鉆頭，慢速、強(qiáng)制進(jìn)給，用堅固支架，使其利于排屑；而且宜用大量、足夠的冷卻潤滑液。根據(jù)經(jīng)驗，采用鉆孔一擴(kuò)孔成形工藝或鉆孔一鉸孔成形工藝效果較好。
5)管子與管板的連接
鈦管與管板接頭一般采用貼脹后焊接。貼脹脹緊率一般控制在3％~5％。鈦的加工性能較差，變形速率敏感性高，為避免脹接時產(chǎn)生裂紋，應(yīng)由專用脹接工具慢速進(jìn)行。
6)封頭的壓制
用煤氣爐加熱坯料到300~500℃，經(jīng)多次壓制成形。對于薄壁封頭，亦可采用夾板拉深法(沖壓機(jī)上壓制)。這種方法是將薄板料夾在兩塊較厚的板料中間，并將周圍焊死后拉深。成型后將焊住的部位割掉，取出夾在中間的所需封頭(此法可避免鼓包與皺褶等缺陷)。
2、簡體主焊縫(縱向與環(huán)向焊縫)焊接工藝
鈦設(shè)備主焊縫可選用表1所述的焊接方法。鈦的等離子弧焊近年來得到廣泛應(yīng)用，一般采用小孔法焊接。附加保護(hù)氣及背面保護(hù)氣都應(yīng)制作專門的氣罩，緊密地與等離子噴嘴連結(jié)，又要與其絕緣。對于厚度3~4mm鈦板，專門氣罩的長度應(yīng)大于120mm。
TIG焊用得最廣，除手工外，也可以側(cè)面送絲進(jìn)行自動焊接(小車行走，轉(zhuǎn)胎轉(zhuǎn)動)，還可以加脈沖電源進(jìn)行自動焊接。表2是蒸發(fā)器67m2TA2工業(yè)純鈦簡體縱、環(huán)縫用側(cè)面送絲自動TIG焊的工藝參數(shù)，鈦板厚8mm。焊前坡口用不銹鋼絲刷及丙酮清理，焊絲也經(jīng)清理。第1層采用手工焊是考慮裝配錯邊時容易控制；第5層因在簡體內(nèi)部，焊機(jī)頭難進(jìn)入，故也用手工焊。除第5層外，用φ2mmTA2鈦絲作填充絲。鎢極直徑4mm。氬氣純度99.99％以上，主流量14~15L/min，尾罩氣流量15~20L/min，背面保護(hù)氣流量10~15L/min。
焊好鈦設(shè)備縱、環(huán)縫的關(guān)鍵是氬氣保護(hù)，尾罩及背面保護(hù)氣罩必須設(shè)計并安置好，最難的是背面保護(hù)，切要小心從事。
3、鈦管與鈦管板焊接
鈦管與鈦管板焊接有先脹后焊和只焊不脹兩種。前者多用于鈦復(fù)合鋼管板，后者用于全鈦材管板。當(dāng)設(shè)備小、壓力與溫度較低、受力不大而管板較薄時，一般用全鈦材作管板，此時管子與管板只焊不脹。
1)焊接方法與氬氣保護(hù)
管端焊口可采用手工鎢極氬弧焊配以特制的保護(hù)氣罩進(jìn)行焊接?；虿捎梦C(jī)控制的自動脈沖TIG焊(加絲或不加絲)。
應(yīng)特別重視氬氣保護(hù)。因鈦在350~C以上時會強(qiáng)烈吸氣、脆化，引起氣孔及裂紋，焊接時必須將焊接接頭及附近區(qū)域溫度維護(hù)至200~C。
2)焊接工藝與控制
焊前要檢查管板孔、管徑及中心距尺寸(傳熱管應(yīng)倒內(nèi)角0.5×45°)，管子凸出管板尺寸要盡量一致，由專用工具檢查。如需脹管，脹管前管端與管板間隙應(yīng)<0.5mm，脹管后管壁內(nèi)50mm范圍內(nèi)管板表面用丙酮去油，用無鐵砂紙磨去氧化膜，顯出金屬光澤。
焊接時宜安排好合理的順序。以管板中心為基準(zhǔn)，兼顧各個方向劃分幾個區(qū)域，然后按分區(qū)(由中心向四周幅向向外地焊接，并盡量注意各向的對稱性與平衡性)進(jìn)行焊接。這樣管板不易因焊接而發(fā)生凸起或凹進(jìn)變形。
焊接工藝參數(shù)因焊接方法不同而異。TIG焊可參照縱、環(huán)縫手工TIG焊。微機(jī)控制的脈沖TIG時，如線能量小，則冷卻快，會出現(xiàn)鈦馬氏體(α'相)，塑性下降；如線能量大，則冷卻慢，晶粒會長大，塑性也降低。
故線能量一般取6kJ/cm~8kJ/cm為妥，此外，線能量再小則管板接頭熔深太淺，難以達(dá)到質(zhì)量要求。
焊接管板接頭時，如焊后顏色不為銀白色及金黃色，應(yīng)磨去，重焊。如出現(xiàn)氣孔、裂紋，須磨去重焊。
三、注意事項
采用鎢極氬弧焊時，還需注意以下幾點(diǎn)。
1、焊前預(yù)先通氣一段時間，而后再起弧焊接。
2、采用較大口徑的噴嘴時，噴嘴與工件的距離適當(dāng)縮小以加強(qiáng)保護(hù)。鎢極伸出噴嘴的長度宜短，以不妨礙觀察到熔池為限。
3、采用短弧焊效果好，勿擺動焊槍。
4、焊絲熱端在焊接過程中不能脫離保護(hù)范圍，如發(fā)現(xiàn)被氧化，須將氧化部分切去才能繼續(xù)使用。
5、焊接結(jié)束時要滯后停氣，直至焊接區(qū)溫度降至材質(zhì)穩(wěn)定的范圍，一般溫度在200~C以下。
6、如某部分焊縫保護(hù)不好，焊道表面發(fā)生氧化，須將氧化皮去除后才能進(jìn)行下一道焊接。
7、焊接簡體環(huán)縫時，內(nèi)襯銅墊環(huán)，可起到撐圓的作用。
8、焊后熱處理。根據(jù)鈦材成分和結(jié)構(gòu)使用要求可選用退火、時效或淬火一時效處理(宜嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行)。
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