1 概述
      鈦裝備主要應(yīng)用于石油、化工和熱能電站等工業(yè)部門。而鈦管件(如彎頭、三通及異徑管等)與管子的連接是其重要組成部分。根據(jù)多次調(diào)查，鈦裝備(由于有其特殊的使用性能。應(yīng)用日益廣泛)中管件與管子連接處事故率較高，這與該處斷面工況條件陡變。受力較為惡劣有關(guān)。
2 材料焊接缺陷分析
  2．1 性能與特點(diǎn)
鈦在885℃時(shí)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。在885℃以下為密排六方晶格結(jié)構(gòu)，稱為a鈦(工業(yè)純鈦為此類，本文重點(diǎn)研究對象)。在885℃ 以上為體心立方晶格結(jié)構(gòu)，稱為J3鈦。鈦合金的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度則隨加入的合金元素種類和含量不同而變化。工業(yè)純鈦根據(jù)其雜質(zhì)(主要是氧和鐵)含量以及由此而引起的強(qiáng)度差別分為TA1、TA2、TA3三個(gè)牌號。它們具有良好的耐蝕性、塑性和韌性，但對其加工性、焊接性要求較高。
  2．2 焊接缺陷及其形成機(jī)理
  (1)焊接氣孔 鈦材焊接中，易于發(fā)生氣孔，
它的主要影響因素及防治措施見表l。
  (2)脆裂與過熱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。若母材或焊接材料中含氫量較大，則應(yīng)預(yù)先作脫氫處理。鈦在600℃ 以上就會(huì)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0．01～0．08 mm的中間脆性層。溫度越高，時(shí)間越長，氧化、氮化也越嚴(yán)重，焊接接頭的塑性就會(huì)急劇降低。此外，鈦還易與碳形成脆性的碳化物，降低塑性和可焊性。
表1 鈦材焊接氣孔及其防治措施形成氣孔原因 防治措施
母材、焊絲的含氣量 1． 要求母材、焊絲的含氣量<150 pp
         2 焊絲進(jìn)行1 h 700—850℃、10 ～
10 Pa真空退火處理氬氣的純度 使用純度≥99．99％的氫氣
坡口及其周圍污染 焊前清理，加強(qiáng)氬氣防護(hù)
焊絲表面粗糙度大及表1 使用表面粗糙度小的焊絲面污染 2．清理焊絲表面
鈦材的熔點(diǎn)高，屬難熔金屬，在焊接時(shí)需要高溫?zé)嵩础ｂ伒膶?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。當(dāng)結(jié)構(gòu)剛性較大時(shí)，在焊接拉應(yīng)力作用下，還會(huì)引發(fā)薄弱區(qū)開裂。另外鈦沾染鐵離子即變脆。這也是導(dǎo)致鈦材管件一管子對接焊縫區(qū)產(chǎn)生裂紋的重要原因之一。
  (3)焊接熱溫波裂紋常見金屬焊接裂紋有熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋與層狀撕裂裂紋等，焊接熱溫波裂紋是近年來發(fā)現(xiàn)的又一種新裂紋。即焊縫處經(jīng)過反復(fù)多次加熱與冷卻后而形成的一種裂紋，其發(fā)展趨勢最終為斷裂。它多發(fā)生在厚壁管件一管子的多層多道焊焊縫區(qū)域上(主要在熔合區(qū)附近)或焊縫修補(bǔ)之處。其特征是裂紋區(qū)域材質(zhì)性能發(fā)生變化(尤其是塑性、韌性降低)，晶粒松弛，晶格歪扭。有局部硬化現(xiàn)象，有時(shí)裂紋旁邊伴有若干更細(xì)微裂紋。它發(fā)生的滯后性強(qiáng)，其隱蔽性危害性比冷裂紋更大。目前形成機(jī)理仍在研究之中。從本質(zhì)上看。它不完全同于熱疲勞裂紋(有的學(xué)者觀點(diǎn)不同)。由于鈦材焊縫處多次反復(fù)加熱與冷卻，一是應(yīng)力不斷擴(kuò)張、收縮。致使焊縫疲勞開裂；二是加熱過程中晶粒不斷長大(有時(shí)連續(xù)有時(shí)斷續(xù)，但多為波段式變化。鈦的熔點(diǎn)高， 比熱容小，熱導(dǎo)率小，使焊縫金屬和熱影響區(qū)在高溫下的停留時(shí)間增長)。從而使顯著長大的粗化晶粒間松弛、脆弱，也易出現(xiàn)裂紋。另外，焊縫處若干次地快速冷卻，TiH2逐漸析出，積聚，延伸，出現(xiàn)薄弱邊緣而致裂。而焊縫的多次熱循環(huán)及相變(組織變化)，Ct鈦馬氏體(a 是0相通過無擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變而形成的某些元素在六方晶格a鈦中的過飽和固溶體，在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)為針狀組織)數(shù)量增多，塑、韌性下降亦極易開裂。總之，此類溫波裂紋是若干因素綜合作用的結(jié)果。消除其中的任何不利因素。對于防止它的產(chǎn)生都是有利的。總結(jié)多次施工經(jīng)驗(yàn)及研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)管件與管子焊縫部位，經(jīng)常受到大小不同和方向變化的熱循環(huán)交變應(yīng)力。這種交變應(yīng)力常常使材料在小于其屈服極限，甚至小于其彈性極限的情況下。經(jīng)多次熱循后，并無顯著的外觀變形卻會(huì)發(fā)生裂紋。管件一管子對接及施焊中，事先都不產(chǎn)生明顯的塑性變形而突裂，實(shí)際上裂紋已經(jīng)歷了一個(gè)由脆化、臨界危險(xiǎn)點(diǎn)及開裂的完整過程(有的時(shí)間較短，有的時(shí)間卻很長)。即使施工后經(jīng)檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)任何缺陷，裝置在運(yùn)行過程中，亦隨時(shí)有可能產(chǎn)生裂紋。且往往是出乎預(yù)料的。材料在交變應(yīng)力的作用下，首先在應(yīng)力最大及材料最薄弱的部位(如內(nèi)部的缺陷、表面的傷痕處)出現(xiàn)極細(xì)微的裂紋，這種微裂紋再隨熱循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展，從而使管件與管子的有效截面不斷減小，以至最后承受不住外力的作用，在偶然的震動(dòng)和沖擊下便發(fā)生脆性斷裂。所以材料斷裂是在交變熱應(yīng)力作用下經(jīng)過一定的熱循環(huán)周次之后(隨著環(huán)境條件的波動(dòng)及時(shí)間推移，材質(zhì)本身亦逐漸退化與弱化，此點(diǎn)往往被人們所忽視)才出現(xiàn)的。因此它具有很大的危險(xiǎn)性，常常造成難以想象的嚴(yán)重事故。這就給施工者提出更高要求，隨時(shí)防范鈦材管接口待裂和臨裂狀態(tài)與隱患，亦須引起足夠的重視。僅從焊接工藝分析，適度控制焊接的最高加熱溫度、加熱速度、高溫停留時(shí)間和冷卻速度。以及盡量減少焊縫區(qū)的加熱與冷卻頻率和次數(shù)，是必須
注意的問題。管件與管子對接時(shí)嚴(yán)禁采用較大的鋸齒形橫向擺動(dòng)施焊法(尤其是高壓管接口)。
3 焊接工藝
一般鈦材管件與管子焊接施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備(包括合格焊工培訓(xùn)、焊接設(shè)備選型、材質(zhì)化驗(yàn)和施工場地清理等)一管件及管子除油一管子下料一坡口加工一坡口表面、焊絲表面清理和坡口尺寸修整一焊件組對一管口施焊一焊縫檢驗(yàn)一焊縫返修及復(fù)驗(yàn)一管道系統(tǒng)試壓試漏一管道系統(tǒng)吹除一管道(分高低壓)系統(tǒng)氣密性試驗(yàn)等。