钛及钛合金焊接压力容器焊工培训.docx
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钛及钛合金焊接压力容器焊工培训
钛及钛合金的焊接
----压力容器焊工培训教材
钛及钛合金的焊接
第一节钛及钛合金
一、概述
钛是一种银白色的有色金属,其主要物理性能到于表1.钛及钛合金的特点是具有较高的比重的强度,良好的塑性,韧性和较高的耐蚀性,尤其是对碱介质,氯化物,硫化物,硝酸化合物,强腐蚀性气体（氯气、亚硫酸气、硫酸氢）等，具有很高耐蚀性（年腐蚀率在0.13mm以下）,因此广泛应用于研究航天工业,化学工业,也用于制造船舶与海洋工程及火电,核电设备中的海水淡化装置及热交换器等.
表1钛与奥氏体不锈钢的物理性能
原子量
密度（g/cm3）
熔点（℃）
比热容20（℃）
j/kg*k
热导率20℃
j/m*s*k
电阻率20℃
μΩ*cm
热膨胀系数20℃
*10-6/k
弹性模量
Mpa
钛（Ti）
47.9
4.5
1668
522
16
42
8.4
117*103
不锈钢
7.8-8.0
1400-1427
460-500
18.7-22.8
68-102
17.0-19.2
193-200*103
二、钛及钛合金分类
钛材分为工业纯钛和含有稳定化元素的钛合金二大类。
工业纯钛根据其杂质（主要是氧和铁）含量,以及由此而引起的强度差别分为TA0、TA1、TA2、TA3等牌号.它具有良好的耐蚀性、塑性、韧性、和焊接性,主要用作化学工业的耐蚀结构材料。
钛合金按所含稳定化元素形成不同的固熔相,又可分为α型钛合金α＋β型钛合金和β型钛合金。
α型钛合金主要通过加入铝（Al）,有的再加入中性元素锰（Sn）等进行固溶强化而形成，例如牌号为TA7（Ti-5Al-2.5Sn）钛合金。
α型钛合金的强度比工业纯钛高，具有良好的耐蚀性和焊接性能。
α＋β型钛合金的组织，是以α型钛为与β型钛为基的两相固溶体组织结构。
它的特点是可通过热处理强化而得到高强度，因此，其力学性能可以在较宽的范围内变化，以适应不同的用途。
但是，随着其中的β相比例的提高，使焊接性能变差。
β型钛合金含有较高的β相稳定化元素，在一般的工艺条件下，其组织几乎全为β相，通过时效热处理，β型钛合金强度增高。
单一β相的β型钛合金，具有良好的加工硬化特性，常用作弹簧，销钉等物件，其缺点是低温脆性大，焊接性能差。
三、压力容器用钛及钛合金材料
1、钛制焊接压力容器对钛材的要求
钛制焊接压力容器，由于其使用制造和检验要求，因此，对用于钛制焊接压力容器的钛及钛合金材料，有它特殊的要求，主要有下列三方面：
⑴制造容器用钛及钛合金材料应当具有良好的耐蚀性能、力学性能、焊接性能、成形性能及其他工艺性能。
⑵符合钛及钛合金材料相应的国家标准或行业标准规定的技术要求。
⑶所有压力容器用钛及钛合金材料均应是退火状态供货。
2、钛及钛合金材料牌号及化学成份
在国家标准GB/T3620.1《钛及钛合金牌号和化学成份》中,规定了钛及钛合金品种牌号及其化学成份。
在钛制焊接容器中,所用钛及钛合金材料牌号为TA0、TA1、TA2、TA3、TA9、TA10等，它们的化学成份列于表2：
3、钛及钛合金板材
钛及钛合金板材化学成份应符合表2的规定,钛及钛合金板材的室温力学性能列于表3：
表2压力容器钛及钛合金牌号和化学成份（GB3620.1）
含金牌号
化学成份组
化学成份（%）
主要成份
杂质,不大于
Ti
Mo
Pb
Ni
Fe
C
N
H
O
其它元素
单一
总和
TA0
工业纯钛
余量
--
--
--
0.15
0.10
0.03
0.015
0.15
0.1
0.4
TA1
工业纯钛
余量
--
--
--
0.25
0.10
0.03
0.015
0.20
0.1
0.4
TA2
工业纯钛
余量
--
--
--
0.30
0.10
0.05
0.015
0.25
0.1
0.4
TA3
工业纯钛
余量
--
--
--
0.40
0.10
0.05
0.015
0.30
0.1
0.4
TA9
Ti-0.2Pb
余量
--
0.12-
0.25
--
0.25
0.10
0.03
0.015
0.20
0.1
0.4
TA10
Ti-0.3Mo
-0.8Ni
余量
0.2
0.4
---
0.6
0.9
0.30
0.08
0.03
0.015
0.25
0.1
0.4
表3钛及钛合金板材室温力学性能
牌号
状态
板材厚度mm
室温力学性能不小于
抗拉强度
规定残余伸长应力
伸长率%
N/mm2
TA0
M
0.3-2.0
2.1-5.0
5.1-10.0
280-420
170
45
30
30
TA1
M
0.3-2.0
2.1-5.0
5.1-10.0
370-530
250
45
30
30
TA2
M
0.3-2.0
1.1-2.0
2.1-5.0,
5.1-10.0
10.1-25.0
440-620
320
35
30
25
25
20
TA3
M
0.3-1.0
1.1-2.0
2.1-5.0
5.1-10.0
540-720
410
30
25
20
20
TA9
M
0.8-2.0
2.1-5.0
5.1-10.0
370-530
250
30
25
25
TA10
M
2.0-5.0
5.1-10.0
485
345
20
15
压力容器用钛及钛合金板材的供货状态应该是退火状态（M）.
板材表面应光洁,呈金属本色,板材表面不允许有裂纹、起皮、氧化皮、压折、金属与非金属夹杂等宏观缺陷。
4、钛及钛合金管材
钛及钛合金管材的化学成份应符合表2的规定。
钛及钛合金管材室温力学性能列于表4。
表4钛及钛合金管材室温力学性能
牌号
状态
抗拉强度MPa
规定残余伸长应力MPa
伸长率%
TA0
退货状态（M）
280-420
≥170
≥24
TA1
370-530
≥250
≥20
TA2
440-620
≥320
≥18
TA9
370-530
≥250
≥20
TA10
≥440
----
≥18
压力容器用钛及钛合金管材的供货状态应是退火状态（M）。
管材内外表面应清洁,不应有裂纹、折迭、起皮、针孔等肉眼可见的缺陷，管材表面允许有局部不超出外经和壁厚允许偏差的划伤、凹坑、凸点和矫直痕迹。
第二节钛及钛合金的焊接性
一、焊接接头易被杂质污染
钛是一种化学性质非常活泼的金属，易受氧化而生成氧化钛。
由于其表面氧化形成致密的氧化膜，使钛在常温下很稳定，但是在高温下，钛则有强烈的吸氢、氧、氮的能力。
空气中的钛金属在250℃时开始吸氢，500℃时开始吸氧，600℃开始吸氮，随着温度升高，钛吸收气体的能力更强。
钛中的氧和氮虽然也属于α稳定化元素，但在钛合金中作为有害杂质元素是严格限制其含量的。
当它们的含量较少时，都作为间隙元素，固熔在钛中，使钛的强度、硬度提高，而塑性下降（见图1和图2）。
氮的作用比氧更强。
图1氧对钛力学的学性能的影响图2氮对钛力学性能的影响
高温时，氢在钛材中的固熔量（溶解度）比较高，而在室温的固熔量则非常低，所以在温度下降至室温的过程中，将以氢化物（TiH2）的形式折出，使钛材的塑性，特别是冲击韧性急剧下降而变成氢脆（见图3）。
碳在钛材中的作用类似于氧、氮，但不及于氧、氮的作用强烈（见图4）。
图3不同含量对钛冲击韧性的影响图4碳对钛力学性能
曲线1-0.001%H;曲线2-0.008H%曲线3-0.018%H;曲线4-0.04%H
钛及钛合金焊接时，如果发生氧、氮、氢、碳、等杂质的污染，将严重影响焊接接头的力学性能。
为避免空气及周围环境中的氧、氮、氢、碳等杂质对焊接接头的污染，钛及钛合金焊接时要求应有洁净的环境，要求对焊接区及温度高于400℃的部位进行保护，要求对接头坡口及其周围、焊丝等进行焊前清理。
二、焊缝中气孔
钛在高温下吸收空气中及周围环境中氧、氮、氢的能力很强（溶解度高）,随着温度的降低,这些元素在钛中溶解度降低,如果在焊接熔池冷却凝固过程中凝聚的气体来不及从熔池中逸出,则在焊缝中形成气孔。
钛和钛合金焊接时产生气孔的因素及防止措施见下表
表5钛焊接时气孔产生的因素及防止措施
产生气孔的因素
防止措施
1母材焊丝的含气量高
1要求母材,焊丝的含气量符合标准要求
2焊丝进行700-850℃,1小时,10-3-10-4pa真空退火脱气
2氩气纯度底
使用纯度≥99.99%的氩气
3坡口其周围污染
焊前彻底清理
4焊接表面粗糙及表面污染
1使用表面粗糙度小的焊丝2清理焊丝表面
5焊接工艺不正确
1可适当增大焊接线能量,采用低焊速,慢速送丝,薄焊层
2改善对焊接区的保护
三、焊接接头裂纹
钛及钛合金的高温强度大、塑性好、凝固收缩量少，而且钛的结晶温度区间小,晶界上的低熔点共晶体较少,所以一般不会产生热裂纹.。
钛及钛合金的焊接，有时会产生冷裂纹。
冷裂纹可以是焊接后立即产生,也可以是否延迟一段时间后产生。
产生冷裂纹的主要因素,是由于氢从固溶体中折出形成TiH2（氢化钛）,使金属脆化,再加上焊接残余应力的作用,便产生了冷裂纹。
防止钛焊接出现冷裂纹的方法.就是采取措施降低焊缝金属中的有害杂质,尤其是氢的含量,再就是对有些钛合金可以通过予热和焊后立即消除应力热处理来防止冷裂纹。
四、焊接热循环对接头组织和性能的影响
钛及钛合金的焊缝金属和焊接热影响区在焊接热循环的作用下发生相变，引起组织变化，也使得焊接接头的性能发生变化。
1、工业纯钛与α型钛合金，其焊缝金属和近缝热影响区在焊接后快速冷却时，会出现α′的钛马氏体，在显微镜下，呈现为针状组织，由于程度微弱，所以焊接接头仍有较好的塑性和韧性。
2、α+β型钛合金，随着β稳定化元素量的增大，发生马氏体相变主义的温度也降低（相变温度区间小）使形成的马氏体也越细小，使焊接接头的强度增高而塑性、韧性下降。
冷却速度越大，将加剧这种趋势。
所以，对β稳定化元素含量较高的α+β型钛合金，宜采用较大线能量的规范进行焊接。
α+β型钛合金的焊接接头的塑性和韧性往往低于母材。
为改善α+β型钛合金焊接接头的塑性和韧性，可采用如下两种方法：
1采用纯钛焊丝或合金元素含量及杂质含量较母材低的焊丝进行焊接；
2进行合适的焊后热处理；
3、β型钛合金，它受焊接热循环的影响不如α+β型钛合金那么显著，即使在较高的冷却速度下，焊缝金属和热影响区都为β相组织。
焊态的焊接接头塑性好，但强度不很高。
通常通过时效热处理来提高接头的强度。
第二节钛及钛合金焊接工艺
一、钛及钛合金焊接工艺要点
由于钛及钛合金的焊接特点，钛及钛合金的焊接应重点注意以下各方面：
1、焊接的环境
⑴钛和钢等许多金属不能熔焊，因此，钛及钛合金焊接时严禁混合钢铁和其他金属，若在有钢材作业的车间内，应分设独立的、封闭的钛焊接区域（独立区域）。
⑵钛及钛合金应在空气洁净、无尘的环境下进行焊接（洁净环境）。
⑶下列任一情况禁止施焊（JB/T4745）
a.风速≥1.5m/s
b.空气中相对湿度＞80%
c.焊件温度低于5℃
d.无防雨,防雪措施的室外作业（在有雨雪时）
2、焊接清理
⑴钛及钛合金焊件,应用于无油污,杂物污染。
⑵焊接坡口及两侧至少25mm范围内,焊前除去氧化膜,并用丙酮或乙醇脱脂。
⑶清洗过的焊件应在4小时内进行焊接。
逾期未焊,则须重新清修理。
3、焊丝选用
⑴选用的焊丝应符合规范,标准的要求,不得从母材上截条充当焊丝。
⑵选用的焊丝应能使焊后状态下的焊缝抗拉强度不得低于退火状态下母材标准规定值的下限,塑性和耐蚀性不得低于母材或与母材相当。
⑶焊丝的焊接性能良好,能满足钛容器的制造和使用要求。
⑷焊丝中的氮、氢、氧、碳、铁等杂质元素的标准含量应低于母材标准含量值的上线。
⑸焊丝应保持清洁、干燥;焊前进行清洗（除氧化膜、脱脂）。
4、焊接过程中的保护
⑴为了防止杂质对于焊接区的污染,必须对焊接区温度高于400℃的部位,加以惰性气体保护,以隔绝空气。
⑵通常采用尾随拖罩加背面保护板的方法对焊接区进行保护。
拖罩及背面保护板的形状，大小根据工件确定，其结构如图5和图6所示。
图5拖罩示意图图6背面保护板示意图
⑶焊接区的正面保护和背面保护使用与焊接保护气体相同的高纯度的惰性气体，保护气体流量一般要比焊枪中保护气体流量大。
二、钛及钛合金主要焊接工艺方法
由于钛及钛合金的冶金化学性质和他们的焊接特点，工业生产中的熔化焊工艺主要采用钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、惰性气体保护的等离子弧焊，精密机械零部件也使用电子束焊、激光焊等。
这些焊接方法特点如下：
表6钛材主要焊接方法及其特点
焊接方法
特点
钨极氩弧焊（T1G焊）
1熔深浅，焊道平滑
2可用于薄板及厚板焊接，厚度3mm上用多层焊
3适用手工和自动焊
4手工钨极氩弧焊操作灵活，适用于返修焊接
熔化极氩弧焊（M1G焊）
1熔深大，熔敷量大，焊接效率高
2焊接飞溅较大
3适合来自动和自动焊接
4焊缝外形比T1G焊差
等离子弧焊
1熔深大，厚10mm板可一次焊成
2容易产生咬边缺陷
3手工操作困难
电子束焊接
1熔深大，污染少，焊缝窄，热影区还小，变形小
2适用精密机械零件，焊接室焊接
3装配精密度要求高
4设备价格高
激光来焊接
1熔深大
2适用精密焊接
3设备价格高
三、钛及钛合金钨极氩弧焊
钨极氩弧焊是焊接钛及钛合金最常用的工艺方法，有手工钨极氩弧焊和自动钨极氩弧焊。
手工钨极氩弧焊设备简单，操作灵活，熔深浅，焊道平滑；可采取填充焊丝或不填充焊丝焊接；可采用单道焊或多道焊进行薄板或厚板的焊接。
1、手工钨极氩弧焊设备
手工钨极氩弧焊设备包括焊接电源、控制系统、供气系统、和焊枪等部分。
使用水冷式焊枪还有水冷系统，自动氩弧焊设备还有送丝机构。
手工钨极氩弧焊机的工作系统如图7所示。
①焊接电源
焊接电源给焊接回路提供焊接电流,钨极氩弧焊的焊接电源与手工电弧焊电源一样,必须具有陡降的外特性.
焊接设备型号中,都表示出焊接电源的额定焊接电流,如NSA-300型氩弧焊设备,型号中的“300”表示的是电源的额定焊接电流.
图7手工钨极氩弧焊机工作系统图
1．电源2.高频引弧3.电流衰减4.焊枪5.工件
6.水路7.电磁气阀8.减压流量计9.氩气瓶10.气路
②控制系统
手工钨极氩弧焊机的控制系统实现下述功能:
a、高频引弧系统,达到顺利引燃焊接电弧;
b、开始焊接时能做到提前供气,避免烧坏钨极和损伤母材；
c、收弧时滞后断气，保护熔池和钨极不受氧化，污染；
d、电流衰减功能，熄弧时焊接电流在选择的时间内逐渐减少至0,使熔池的温度也随之逐渐降低,避免熔池急剧冷却产生火口裂纹和缩孔;
③水路系统
使用水冷式焊枪时,靠循环水对枪体进行冷却。
由于水冷却比空气冷却效果好,大大提高了焊枪允许使用的最大电流,大电流规范焊接时,应使用水冷式焊枪。
④气路系统
氩弧焊时,高压气瓶内的氩气经减压流量计、输气软管、到达焊枪,实现对焊接区的保护。
减压流量计是把减压器和流量计制成一体,使用起来方便。
压力表指示的是气瓶内的气体压力值,高压气体的压力减到0.4-0.5MPa后流入流量计,用流量计的旋钮来调节氩气流量的大小。
选用减压流量计时,应注意使常用气体流量小于流量计所允许的最大流量的三分之二,以免经常启动时气流的冲击作用把流量计损坏.安装流量计时,应先把氩气瓶咀清理干净，防止灰尘、污物影响安装密封或进入压力表、流量计内。
打开氩气瓶之前，流量计上控制流量的旋钮应是关闭的。
⑤焊枪
手工钨极氩弧焊枪是夹持钨极、导入电流和气体进行焊接操作的工具。
根据焊接电流的大小可选用气冷（自冷）式水冷式焊枪。
喷咀是氩弧焊枪重要零件，一般都用陶瓷材料烧结制成。
陶瓷喷咀既与焊枪带电体绝缘，又能耐高温。
一把焊枪往往可以配用几种直径的陶瓷喷咀，要根据钨极直径的粗细来选择与之相配的陶瓷喷咀。
钨极直径与陶瓷喷咀内径的关系如下：
D=2d+4（mm）
式中D—陶瓷喷咀内径d—钨极直径
例如，选用直径为2mm的钨极,则应选用内径为8mm的喷咀。
为减少氩气流动阻力,防止保护气体紊乱，陶瓷喷咀的内表面应保持洁，光滑，如果粘附焊接飞溅，应及时清除。
2、钛及钛合金氩弧焊接材料
1）钛材焊丝
钛及钛合金焊丝,按国家标准规定的牌号和化学成份如表7所示：
钛制压力容器的焊接，为了使焊丝具有良好的焊接性能，保证焊缝在焊态下的力学性能和耐腐蚀性能，焊丝中的杂质元素含量控制得更严。
按GB/4745《钛制焊接容器》标准规定，钛制压力容器焊接用焊丝的牌号及化学成份列于表8。
表7钛和钛合金焊丝化学成份（GB/T3623—1998）
牌号
化学成份,%
主要成份
杂质元素不大于
Ti
Al
V
Sn
Pb
Mo
Ni
Fe
O
C
N
H
TA0
基
--
--
--
--
--
--
0.10
0.10
0.05
0.03
0.012
TA1
基
--
--
--
--
--
--
0.20
0.15
0.05
0.03
0.012
TA2
基
--
--
--
--
--
--
0.25
0.20
0.05
0.05
0.012
TA3
基
--
--
--
--
--
--
0.35
0.25
0.05
0.05
0.012
TA9
基
--
--
--
0.12-0.25
--
--
0.20
0.18
0.05
0.03
0.012
TA10
基
--
--
--
--
0.2-0.4
0.6-0.9
0.25
20
0.05
0.03
0.012
表8钛焊丝化学成分（JB/T4745-2002）
牌号
主要成分%
杂志元素%
残余元素≤%
Ti
Mo
Ni
Pb
Fe
O
C
N
H
单个
总和
STA0R
余
--
--
--
≤0.10
≤0.10
≤0.03
≤0.015
≤0.005
0.05
0.20
STA1R
余
--
--
--
≤0.20
≤0.10
≤0.03
≤0.020
≤0.008
0.05
0.20
STA2R
余
--
--
--
≤0.20
0.10-
15
≤0.03
≤0.020
≤0.008
0.05
0.20
STA3R
余
--
--
---
≤0.30
0.15-
0.025
≤0.03
≤0.020
≤0.008
0.05
0.20
STA9R
余
--
--
0.12-0.25
≤0.20
≤0.10
≤0.03
≤0.020
≤0.008
0.05
0.20
STA10R
余
0.2-0.4
0.6-0.9
----
≤0.30
≤0.30
≤0.03
≤0.020
≤0.008
0.05
0.20
选用的焊丝中的氮、氧、氢、碳、铁等杂质元素的标准含量上限值应大大低于母材中杂质元素的标准含量上限值.不允许使用从所母材上截条充当焊丝。
对于所焊母材推荐使用的焊丝牌号列于表9。
表9母材推荐焊丝牌号
焊丝牌号
STA0R
STA1R
STA2R
STA3R
STA9R
STA10R
推荐所焊母材牌号
TA0、TA1-A
TA1
TA2
TA3
TA9
TA10
钛焊丝有冷加工状态（Y）和真空退火状态（M），最好使用真空退火状态焊丝。
钛焊丝与其它焊接材料一样，要求贮存库保持干燥，相对湿度不大于60%。
2）钨极
在钨极氩弧焊中，钨极起看传导电流、引燃电弧和维护点弧正常燃烧的作用。
钨电极材料，目前主要有纯钨电极，铈钨电极和铈钨电极，应用最广泛的是铈钨电极。
铈钨电极的电子发射能力强，容易引燃点弧，电弧燃烧稳定，烧损率低，且没有放射性。
应当根据焊接电流的大小，来选用不同直径的钨极，不同电源与极性时不同直径钨极的许用电流值见下表。
表9钍钨电极允许焊接电流
钍钨极直径（mm）
1.0
1.6
2.4
3.2
4.0
4.8
允许直流正接电流（A）
15-80
70-150
150-250
250-400
400-500
500-600
表10铈钨电极允许焊接电流
铈钨电极直径（mm）
1.0
1.5
2.0
3.0
焊接电流,（A）
15-60
50-120
100-220
200-300
钨极端部的形状对电弧燃烧的稳定性和焊缝成形影响很大,通常都打磨成夹角为成30°左右的锥形。
3）氩气
保护气体的纯度对焊接接头的塑性,韧性影响很大,必须使用纯度≥99.99%的高纯度
氩气。
3钛及钛合金的钨极氩弧焊工艺
1）焊前准备
a、焊件清理，焊接坡口及其两侧各25mm范围内，砂磨除去氧化膜，用丙酮或乙醇清洗脱脂，焊丝除氧化膜，脱脂，焊前应切除端部已被氧化的部分。
b、设备电路，水路，气路接通，使用保护气垫的场合安装就位。
c、调整焊枪，监视气流，调试规范参数。
2）焊接过程
焊接过程中应主要根据工件厚度、钨极直径来选择焊接电流的大小。
焊层厚度要求不同、填丝方法不同时，焊接电流大小应有差别。
手工钨极氩弧焊工艺参数可参照表11选用，自动钨极氩弧焊（填焊丝）工艺参数可参照表12选用
表11手工钨极氩弧焊工艺参数
钛板厚
mm
钨极直径
mm
焊丝直径
mm
焊接电流
A
喷嘴直径
mm
氩气流量
L/min
2.0
2.0
2.0
80-100
10-12
10-14
2.5
2.5
2.0
110-120
10-12
10-14
3.0
3.0
3.0
120-140
10-12
10-14
4.0
3.0
3.0
120-160
10-12
12-16
5.0
3.5
3.0
130-160
12-16
12-16
6.0
3.5
3-4
140-170
12-16
12-16
7.0
3.5
3-4
140-180
12-16
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10-20
3.5
3-4
160-200
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12-16
表12自动钨极氩弧焊（添丝焊）工艺参数
板厚
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