0 引言
鈦因其優良的耐腐蝕性而被大量用作各種化學反應容器、熱交換器材料，但缺點是成本較高，而采用鈦復合板則有效地解決了此問題。鈦復合板是以鈦材為覆層，碳素鋼或低合金鋼為基層，采用爆炸復合法或軋制壓接法制成的一種新型雙金屬高效節能材料。鈦復合板具有基層普通鋼板的高強度和覆層鈦金屬的耐蝕性，它既可以節約大量的鈦材，又能具有任何單一金屬不具備的性能。因此，采用鈦復合板制作的設備筒體、管板、封頭相比采用純鈦，既能保證性能，工程造價也能顯著降低。近年來，鈦復合板已在石油化工、冶金、海洋工程等方面廣泛應用，其中在制鹽及化工制造的應用日益增多，掌握鈦復合板的焊接工藝，可顯著提升承接此類項目的技術能力，提高競爭力。
1 難點分析
1.1 鈦材難點分析
鈦具有很高的化學活潑性，與空氣中的氧、氮、氫有極強的親和力。超過600℃鈦開始吸氧并使氧溶解到鈦中。在300℃以上開始吸氫，在700℃以上開始吸氮。氧和氮會使鈦強度和硬度增高而塑性降低，氮比氧的影響程度更大，氫會使焊縫金屬的沖擊韌性急劇下降，而塑性卻下降較少，產生氫脆現象。同時，氫也是引發焊縫產生氣孔和裂紋的根源。所以在熔化焊接過程中，應盡量降低氧、氮、氫的含量。
鈦是有同素異形體轉變的金屬，并且它的熔點高，導熱性差，冷卻較慢。鈦在882.5℃開始發生組織的固態轉變，如果在液態轉變為固態的時間增加（也就是在焊接時近縫區的高溫停留時間較長），則冷卻至室溫后容易促使熔池結晶的柱狀晶長大和接頭熱影響區加寬，出現晶粒粗大的金相組織，使焊接接頭塑性下降。因此，焊縫質量的優劣還取決于焊接時焊縫所受到的熱輸入大小和焊縫強制冷卻好壞的影響。
氣孔是鈦焊縫中常見和較難避免的缺陷，氣孔生成的機制是焊接過程中溶入液態金屬中的氣體經過擴散、脫溶、成核、長大等過程而形成氣泡。由于熔池的凝固結晶速度很快，長大的氣泡來不及逸出液態金屬時就以氣孔的形式殘留在固態金屬中，所以應盡量減少釀成氣孔的氫氣和一氧化碳等氣體的來源。
1.2 鈦復合板難點分析
鈦復合板焊接，難點在于鈦與鋼的過渡層處理。如直接采用熔化焊，在熔合區中會形成FeTi及Fe2Ti等脆性金屬間化合物，這些金屬間化合物和低熔點的共晶體將急劇提高材料的強度，而大大降低材料的塑性，直接影響焊接接頭的力學性能。另外，由于鈦與鋼的熱物理性能差異大，造成焊縫冷卻過程中的收縮不均勻，產生較大的焊接內應力，嚴重時甚至導致焊縫開裂。因此，鈦與鋼直接采用熔化焊的方法形成連續的焊接接頭幾乎是不可能的。
本文從避免鈦與鋼直接相焊、減少鈦吸收空氣中氧、氮、氫的途徑，縮短在高溫中停留的時間、減少鈦污染等幾個方面來制訂焊接工藝參數及相應措施。
2 坡口形式對比
坡口形式是避免鈦與鋼直接相焊的主要措施，設計科學實用、經濟合理的焊接坡口對復合板焊接尤為重要。根據調研查找，鈦復合板常見的接頭形式如圖1所示，各坡口形式的優缺點見表1。
圖1 接頭形式
表1 常見鈦復合板接頭形式的優缺點
通過對幾種復合板坡口形式的對比分析，選擇第2種焊接接頭較合理，此種接頭是在焊接鋼板前要在焊接區域將鈦覆層去除，去除鈦覆層后會出現缺口，再采用鈦填板及蓋板結構將鈦覆層構件結合起來，鈦填板的間隙盡量小。此接頭將鈦復合板焊縫分為碳鋼基層和鈦覆層2種焊縫，完全避免了鈦和鋼直接熔合。
但是相較于推薦的坡口形式，筆者根據實際情況，對其進行了優化。優化后的接頭形式如圖2和圖3所示。由于鈦填板焊縫對強度影響不大，因此優化后的接頭形式減少了鈦填板上的2道焊縫，從而減少了坡口加工、焊接和打磨工序，優化了焊接工藝程序，進一步保證焊縫質量。
圖2 鈦復合板坡口形式
圖3 實拍鈦復合板接頭形式
3 氣體流量及噴嘴尺寸對保護效果的影響
鈦覆層焊接時，需采用手工TIG焊，而鈦覆層相對于不銹鋼，導熱性差，熔池直徑較大，故采用與焊不銹鋼相同的噴嘴并不能達到理想保護效果。為此，分別采用了5#，7#，9#及15#不同尺寸的噴嘴，在其他條件相同的情況下，試驗改變氣保護范圍是否對焊接質量有影響。試驗結果見表2。
表2 保護效果對比
因此，保護效果好壞除保護氣體的純度很重要外，還與噴嘴幾何尺寸設計有關，為增大熔池保護區域，焊槍采用9#，15#噴嘴，氣體流量采用10～15 L/min，既能保證在保護區域內不產生紊流，又能達到理想的保護效果。
4 尾部保護氣罩的設計
由于鈦在高溫容易吸收氧、氫、氮，因此，需要在剛焊接完成的焊縫和熱影響區進行充氬保護，即尾部保護，這樣就需要設計合理的尾部保護罩。
4.1 保護罩結構
制作的保護罩結構如圖4所示。該保護罩為長方形設計，頭部采用弧形傾斜面設計，這樣可以在不影響焊接操作的情況下盡可能地增大焊接區和熱影響區的保護面積，從而使保護效果增強。保護罩由下部氣篩層和上部封閉層組合而成，氣篩層中鋪設鋼絲網，保護罩上設有連通封閉層的進氣管，氣篩層下部設有出氣孔。保護氣體經保護罩上設置的進氣管通入，經氣篩在焊縫區域形成均勻的保護氣體氛圍，從而有效防止鈦焊接時被氧化，保證焊接質量。
圖4 尾部氣體保護罩
4.2 保護罩尺寸
保護罩的設計原則是：在拖罩移動中，需保證在400℃以上區域處于氣體保護中。罩體的大小與冷卻速度有關。因此，采用了同樣的氣體流量，保護罩的高度和寬度相同，改變保護罩長度進行對比試驗，見表3。
表3 改變保護罩尺寸對保護效果的影響
在試驗過程中發現，保護罩長度過長，會導致氣體流量需增大，浪費氣體；保護罩長度過短，易使仍處在高溫的焊縫未處于保護狀態中，為了使焊縫在保護氣體中，則需要停止焊接，這樣就增加了接頭數量。
通過試驗，保護罩長度為150～170 mm，寬度為55 mm，高度為40 mm為宜。另外，保護罩的尺寸還與焊件厚度、環境溫度、熱輸入有關，焊件厚度厚、環境溫度高、熱輸入大，冷卻速度會降低，就要增加保護罩的尺寸及氣體流量。具體需根據實際情況確定。
4.3 鋼絲網鋪設
在氣篩層中鋪設鋼絲網，其目的是確保氬氣充滿拖罩氣腔，并形成穩定層流。采用30目鋼絲網進行鋪設，同時用5 mm×10 mm菱形鋼絲網固定，以確保鋼絲網鋪設均勻，無折疊。采用相同保護罩、相同氣體流量進行鋼絲網不同鋪設層數對比試驗，結果見表4。
表4 鋼絲網鋪設層數對保護效果的影響
由此可見，鋪設鋼絲網非常重要，否則會大大影響保護效果，鋪設2～3層為宜，鋪設2層的效果最好。
4.4 氣體流量
由于氣篩層中鋪設鋼絲網，為保證保護區內的氣體為層流，通過試驗確定保護罩氣體流量應不小于30 L/min。較大的氣體流量的導熱效果也較好，可以提高保護區內焊接接頭的冷卻速度，確保400℃以上的焊接接頭都能得到較好保護。
此保護罩的應用，可得到理想的保護效果，整個焊接接頭及熱影響區表面顏色都能達到銀白色，并且保護效果穩定。
5 焊接工藝
以厚18 mm鈦復合板為例，制訂合理的焊接工藝。對于鈦復合板，焊縫分為碳鋼基層焊縫和鈦覆層焊縫。作為基層焊縫，我國技術已相對成熟，對其焊接要求在此不贅述。
5.1 焊接工藝的選擇
5.1.1 焊接方法及設備
由于基層為碳素鋼或低合金鋼，其焊接工藝在我國較成熟，最常見的焊接方法為焊條電弧焊及CO2氣體保護焊，本試驗采用的是焊條電弧焊。
對于鈦覆層，由于鈦的化學活性大，所以不能采用焊條電弧焊、CO2氣體保護焊等焊接方法進行焊接。目前常采用的焊接方法是鎢極氬弧焊、埋弧焊和真空電子束焊等焊接方法。考慮生產效率、施焊成本及現場施工環境情況，最終選擇了常用的鎢極氬弧焊方法。
焊接設備采用ZX7－400STG逆變式焊機，該設備具有高頻引弧、熄弧衰減功能，可用于鎢極氬弧焊、焊條電弧焊2種方法進行焊接，一機兩用可減少設備投入。
5.1.2 母材
母材材質：覆層為TA2鈦板，基層為Q345R鋼板。母材厚度：覆層為2 mm，基層為16 mm。鈦填板、鈦蓋板材質均為TA2，厚度均為2 mm。
5.1.3 焊接材料
（1）基層材料為碳素鋼或低合金鋼，由于組對應力、偏析、合金元素等原因，產生裂紋傾向的將增大，為保證焊接質量，焊接材料選用型號為E5015的堿性碳鋼焊條。為了既適應坡口尺寸，又能保證施焊效率，采用了2種直徑的焊條，分別是φ3.2 mm 和 φ4.0 mm。
（2）鈦覆層采用純鈦焊絲TA2ELI，直徑為2.0 mm。
5.2 坡口形式的加工及焊道排布
焊接時采用的坡口形式如圖6所示。坡口加工一般采用冷加工方法，也可以采用等離子弧切割的加工方法，加工坡口時應注意對鈦覆層表面的防護。坡口加工結束后，應對坡口兩側及鈦覆層表面進行檢查，如果發現鈦覆層表面有劃傷或損傷，應及時進行修補。鈦復合板應先焊接碳鋼基層焊縫，檢驗合格后，再焊接鈦覆層焊縫。以基材鋼板厚度為16 mm，鈦覆層板厚度為2 mm的鈦復合板為例，焊道排布如圖6所示。
圖6 鈦復合板焊道排布
5.3 鈦覆層清理及防護
對于鈦覆層焊縫，要嚴格控制氧、氫、氮的來源。氧、氫、氮不僅來源于空氣中，其他可能熔入熔池的雜質也是上述氣體的重要來源之一。這些雜質元素除使鈦焊縫的力學性能變差，降低焊縫的耐腐蝕性外，還是焊縫中產生氣孔的根源。因此，在焊接操作過程中，施焊環境、清理坡口及焊件的保護尤為重要。
5.3.1 施焊環境
煙塵中含有大量的有害雜質，這些雜質很容易通過環境過渡到熔池和焊縫中，形成焊接缺陷。尤其是作業區存在鐵污染時，會使焊接接頭的力學性能和耐腐蝕性能降低，嚴重時產生焊接裂紋。所以鈦層焊接時，要確保該區域的空氣潔凈、無塵、無煙。
另外，空氣中的水分對焊接影響很大，這也是產生氣孔的原因之一。空氣相對濕度越大，越容易產生氣孔，當濕度超過90%時，在焊縫中容易形成密集氣孔。根據實踐經驗，如將空氣相對濕度控制在70%以下，可較好地控制由濕度引起的焊接氣孔。
焊接時的風速應符合下列規定：焊條電弧焊時風速不應大于8 m/s，鎢極氬弧焊速不應大于2 m/s。
環境溫度應不低于－5℃，試板溫度不低于5℃。在雨、雪天氣施焊時，應采取防護措施。
5.3.2 焊前清理
鈦覆層以及焊絲很容易被污染，如鈦復合板生產過程用的潤滑劑殘留以及氧化膜、油污、油漆、涂層、手印等。如果這些污染物不在焊接前清除掉，將會在焊接時與電弧熱作用分解出有害雜質溶于焊縫金屬中，對焊縫質量產生不良影響。所以焊前清理是成功焊接鈦覆層的一個重要環節。
焊接前焊絲要保持清潔、干燥，焊絲使用前應切除端部已被氧化的部分，用砂紙和丙酮去除表面的氧化物和油脂。
焊件清理時，要用專用磨光機 （應采用尼龍磨光片）清除焊接區的油污及氧化皮等污物，直至使焊件表面除凈氧化物，呈銀白色金屬光澤為止。焊前再用丙酮或酒精擦凈焊絲及焊件焊接區域的表面。并仔細地檢查焊接區和焊絲有無裂紋和夾層，若有，需清除后再焊接作業。清洗后不能直接進行焊接作業，待坡口端面晾干后方可以作業。如不能及時焊接，應對焊接區予以保護。清理時間到焊接時間超過2 h，應重新清理。焊工用手套應潔凈，避免將棉質纖維附于焊件表面。每次熄弧后再焊接時都應進行焊前清理，去除焊件和焊絲表面氧化物后，用丙酮或酒精擦凈，再繼續焊接。
5.3.3 鈦覆層防護
為防止焊接操作過程中對鈦覆層造成污染，采用1 mm不銹鋼板對鈦焊縫的兩側各25 mm外的區域進行防護，并且在基層焊接時，對整面鈦覆層進行防護。
5.4 組對
（1）組對時應以鈦覆層為基準，錯邊量不應大于1 mm，必須嚴格控制錯邊量，防止因錯邊量過大而影響鈦覆層焊接質量。
（2）定位焊縫只允許在基層金屬上，應在基層側進行。裝配、定位使用的焊接材料必須與正式施焊焊接材料相同。
（3）如遇因定位焊焊縫開裂等原因引起的錯邊量超標，必須修正后再進行焊接。
5.5 基層施焊
（1）碳鋼基層焊縫采用常規焊接工藝參數即可。打底焊時，采用小直徑焊條，斷弧焊焊接，采用單面焊雙面成形工藝，背面焊縫余高應達0.5～1 mm，避免打底焊縫返修。填充及蓋面焊宜采用大焊條，焊接時熱輸入不宜太大，過大的熱輸入會使鈦覆層因溫度過高而被氧化，或產生復合板界面結合強度下降和界面剝離等問題。
（2）層間溫度控制在150℃以下。
（3）焊接及打磨時要注意鈦覆層的防護，避免電弧焊的飛濺物及打磨飛濺物污染鈦覆層。
（4）碳鋼基層焊接完成后，要將背面的焊縫余高磨平。
（5）定位焊焊縫在碳鋼基層內進行焊接，錯邊量小于1 mm。
（6）通過工藝試驗，確定了基層的焊接工藝參數，見表5，現場施焊及焊縫成形如圖7所示。
表5 基層焊接工藝參數
圖7 基層現場施焊及成形
5.6 鈦覆層施焊
（1）由于鈦材熔點高，導熱性差，冷卻較慢，如果在焊接時近縫區的高溫停留時間較長，冷卻至室溫后容易出現晶粒粗大的金相組織，會導致近縫區的塑性下降，故應避免采用較大的熱輸入焊接。因此，應在保證熔合的前提下，采用小電流、小熱輸入焊接，熱輸入要控制在7～25 kJ/cm。
（2）控制好焊接速度，不宜過快或過慢。因鈦材熔化時流動性較差，為保證焊透，焊接時焊速不宜過快，但是過慢會使焊縫冷卻速度降低，影響焊接質量。所以應在保證焊透的前提下，盡量提高焊速。
（3）焊接時，焊工要戴潔凈的手套，不得觸摸坡口及其兩側的附近區域，采用專用工具清理鈦材表面，嚴禁鈦材表面及焊接區與鐵器接觸。
（4）引弧時禁止鎢極直接接觸鈦材。
（5）焊槍噴嘴噴出的氣流為穩定層流。焊接過程中，要隨時檢查噴嘴及輸氣帶的狀況，以防其影響焊接質量。
（6）氬氣純度必須達到99.99%以上，如有氣孔或裂紋出現，焊槍中的保護氣采用99.999%的氬氣，可有效改善。
（7）焊接時，焊絲的加熱端要始終處在氬氣保護之中，熄弧后焊絲不得立即暴露在空氣中，要在焊縫脫離保護時取出，若焊絲被污染氧化變色，要剪去污染部分后再使用。
（8）引弧時，焊槍提前送氣30～60 s，熄弧時使用電流衰減裝置和延時氣體保護裝置，延時保護時間 30～60 s。
（9）熄弧時弧坑要填滿，焊后焊槍不能立即移開。
（10）焊槍傾角在90°左右，這樣可以確保噴嘴噴出的保護氣體均勻地保護熔池附近，避免空氣進入，保證焊接質量，也能更方便尾部的跟罩保護。
（11）筆者通過一系列工藝試驗，確定了鈦覆層的焊接工藝參數，具體見表6，現場施焊及焊縫成形如圖8所示。
表6 鈦覆層焊接工藝參數
圖8 覆層現場施焊及焊縫成形
6 焊接工藝試驗
按照上訴擬訂的焊接工藝進行了鈦復合板工藝試驗。本試驗是通過外觀檢查、無損檢測、力學性能檢驗來驗證鈦復合板焊接工藝的可靠性。
6.1 外觀檢驗
在此工藝條件下，焊縫成形美觀，焊縫寬度及高度合適，沒有裂紋、夾渣、咬邊、未熔合、焊瘤、弧坑和氣孔等缺陷。
鈦材的焊接檢驗除常規的外觀外，對焊道的表面還應進行色澤檢查，焊縫及被保護區為銀白或金黃色為合格。所焊試件的鈦焊縫和熱影響區表面顏色為銀白色。可見，該焊接工藝下焊縫的外觀符合要求。
6.2 無損檢驗
基層焊接完成后，將背面的焊縫余高打磨平整，然后對基層焊縫按照JB 4730—2005《承壓設備無損檢測》進行X射線探傷，焊接接頭內部熔合情況較好，未發現任何缺陷。射線探傷后再進行鈦覆層的焊接，然后對鈦覆層焊縫進行滲透探傷，結果未發現任何缺陷。
6.3 力學性能檢驗
對焊接接頭全焊縫按照GB/T 232—2010進行側彎試驗，取4個側彎試樣，彎曲角度180°，試樣厚度為10 mm，彎心直徑為試樣厚度的4倍，即40 mm。試驗結果表明，在彎曲部分的外側沒有裂紋，檢驗結果合格。
對焊接接頭全焊縫進行按照GB/T 228—2010熔敷金屬拉伸試驗，取2個橫向拉伸試樣。試驗結果表明，接頭的抗拉強度分別為570 MPa和535 MPa，均合格。
7 結論
（1）通過對鈦復合板進行的焊接工藝試驗，各項指標均能達到相關標準要求，證明了該焊接工藝的正確性和可行性。
（2）優化的新型接頭形式既有效解決了鈦材不能與碳鋼相焊的問題，又可以滿足鈦復合板性能要求，同時提高了勞動效率，降低成本。
（3）設計的新型尾部保護罩，能夠得到理想的保護效果，并且保護效果穩定。
（4）施焊環境、焊前清理和鈦覆層的防護的控制是避免焊接缺陷的重要措施。
（5）選擇合適的氬弧焊焊槍噴嘴，不僅能保證氣體保護區域內不產生紊流，還能收到理想的保護效果。
（6）合理的熱輸入、焊接速度及焊接操作方法是焊接鈦復合板成功的關鍵。
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