高溫濃硝酸環境用Ti35鈦合金焊接工藝研究與工程應用——聚焦焊接保護關鍵技術，完成工藝評定與力學性能驗證，優化加熱半管/小徑管組焊工裝，支撐核級設備制造

引言

某設備盛裝介質是高溫度的濃硝酸溶液，該溶液含有多個種類的氧化性陽離子，且含有輻射性，一般材料在該環境下腐蝕損傷嚴重。但一般的鈦合金在酸性介質中鈍化傾向強烈，因此在設備選材時，考慮將 Ti35 作為該設備的材料 [1]。

Ti35 是 Ti-Ta 系的二元 α 型鈦合金，名義成分為 Ti-6Ta。該材料在具有氧化性離子的濃硝酸中具有優異的耐腐蝕性能。為了解該材料的焊接性，滿足設備的制造需求，對該材料的焊接工藝進行了相應的研究。Ti35 合金材料成分和力學性能如表 1、表 2 所列。

表 1 Ti35 合金的化學成分 (質量分數)(%)

表 2 Ti35 合金力學性能

1、焊接工藝試驗

Ti35 合金是在傳統鈦材料的基礎上加入了質量分數小于 10% 的 Ta 元素。由于 Ta 的熔點極高，且 Ta 與 Ti 的密度相差極大，Ti35 材料與傳統的鈦材料在焊接性能方面存在以下差異：

(1) 高溫時，Ti35 材料易與碳、氫、氧等雜質發生反應，生成化合物，嚴重影響了焊縫質量和耐腐蝕性能。

(2) Ti35 材料作為一種 α 材料，其焊縫若在高于 β 相變溫度之上的高溫停留時間過長，則會導致強度、塑性和沖擊韌性下降，因此焊接時冷卻速度應快。

(3) 鐵的存在對 Ti35 材料的耐腐蝕性影響很大，鐵污染會導致加速吸氫，嚴重影響焊縫質量。

(4) 氫是引起氣孔的主要原因。

(5) Ti35 合金焊接接頭產生裂紋的可能性很小，但容易在熱影響區出現延遲裂紋，產生的主要原因是焊接過程中的氫導致。

1.1 試驗使用材料

本次評定試驗使用的 Ti35 母材和焊材的性能要求如表 3 所列。

表 3 評定用板材及焊材物理性能

1.2 焊接過程中的保護

通過對 Ti35 材料分析并結合純鈦的焊接經驗，Ti35 材料的焊接關鍵點在于保護，因此在試驗時，試板背面及尾部溫度高于 300℃的采用高純氬氣進行保護，試板背面及尾部保護工裝如圖 1、圖 2 所示。

焊接完成后，焊縫顏色為銀白色 (試板保護效果見圖 3)，符合表面質量要求。按標準技術條件要求進行了相應的無損檢測，檢測結果滿足標準要求。

2、Ti35 焊接工藝評定

2.1 焊接工藝評定參數及要求

焊接試驗成功后，按產品制造標準要求進行了 Ti35 對接焊評定，包括焊縫厚度 5mm 后焊縫背面采用流動的水進行保護的焊接工藝評定，焊接工藝評定具體參數和要求如表 4 所列。

表 4 試驗參數及要求

注：1. 正面保護氣體流量為 10~15 L/min，背面及尾部保護氣體流量為 15~25 L/min；2. 試板熔敷金屬厚度 5mm 前與上述一致，熔敷金屬厚度在 5mm 后采用水冷方式在焊縫背面對高溫區域進行保護。

焊接接頭按 NB/T 47013.2 的要求進行射線檢測，質量等級為 AB 級，檢測結果滿足相關標準及專用技術條件要求。

2.2 力學性能試驗

2.2.1 接頭拉伸試驗

按標準要求進行了焊接接頭的全厚度拉伸試驗，斷裂后的拉伸試樣如圖 4 所示，試驗結果如表 5 所列。

表 5 接頭拉伸試驗結果

2.2.2 接頭橫向彎曲試驗

按標準要求進行了焊接接頭的橫向全厚度彎曲試驗，彎曲后的試樣如圖 5 所示。試樣尺寸為 38mm×10mm，試樣彎曲為 180°，彎曲直徑為 40mm，彎曲試樣的拉伸面均未見缺陷顯示。

2.3 焊接接頭金相組織

由金相組織照片可知，采用手工鎢極氬弧焊焊接而成的焊接接頭的熔敷金屬、熱影響區與母材的金相組織均為 α 相。母材、熱影響區及焊縫的金相組織如圖 6 所示。其區別在于母材微觀形貌為多邊等軸完全退火態組織。根據 Ti-Ta 二元合金相圖 [2-3]，通過對比熔敷金屬、熱影響區的晶粒發現，其都有了明顯的長大，主要原因是在焊接過程中，多層多道焊在焊接循環熱下導致晶粒長大。

3、產品焊接應用

對于 Ti35 材料的焊接，其主要控制點是高溫區域的保護及清潔。為此，針對設備結構特點進行了以下改進。

3.1 加熱半管組焊

設備筒體外表面有 22 圈規格為 φ89mm×3mm 的弧形加熱半管，當盤旋式組對時，加熱半管之間接縫處的偏斜造成局部間隙較大。為解決該問題，自制液壓式矯形工具，組對時將矯形工具固定在半管的合適位置，借助于斜鐵，通過矯形工具施加外力，控制接縫處間隙滿足要求。利用該矯形工具后工作效率提高了 3 倍以上，且組裝后的半管間距均勻，焊接后焊縫外形美觀 [4-5]。半管組對工裝如圖 7 所示。

3.2 小徑管對接焊

小管對接時管子直徑小，一般保護工裝無法有效保護小管焊縫。經試驗，將管子對接的焊縫整體都置于工裝保護中，保護氣體將通過導管及篩網細化對產品焊縫進行保護及加速冷卻作用，以保證產品焊縫質量。小管對焊接保護工裝如圖 8 所示。

4、結語

通過對 Ti35 材料的焊接試驗以及焊接工藝評定試板的焊接、檢驗，證明 Ti35 具有較為良好的焊接性能。焊接過程中的清潔是決定焊縫質量的關鍵因素，焊接熱輸入大小對 Ti35 合金焊接性能具有較大影響。采用得到的焊接參數焊接的試板焊縫的金相與母材相同。

通過對 Ti35 材料焊接工藝性能研究得到的各項結論、工藝參數等已制作試件驗證了工藝的可行性、可靠性。同時，設備的制造工作已完成，為后續 Ti35 材料產品的承攬與制造奠定了基礎。

參考文獻

[1] 吳金平，楊英麗，趙彬，等。后處理設備用 Ti-35 合金材料研究 [C]// 中國核學會核材料分會，2006 全國核材料學術交流會論文集，2006:302-304.

[2] 陳寶祥，馬鳴，孫敬巖，等。熱絲 H-TIG 鎳基堆焊工藝研究。哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，2013, 6 (6):56-57.

[3] 李磊。石油鉆采閥門內壁熱絲 TIG 堆焊 [J]. 石油化工建設，2005, 17 (6):52-54.

[4] 許江曉，劉曉林。熱絲 TIG 全位置自動焊工藝參數的匹配，2010, 39 (7):56-58.

[5] 馮英超。核電站 TIG 全位置自動焊打底的工藝分析 [J]. 電焊機，2012, 42 (2):57-61.

（注，原文標題：Ti35材料焊接工藝研究）