鈦材是一種新型金屬材料，具有較高的強度、較小的密度(僅為碳鋼的60%)、優(yōu)良的耐腐蝕性能以及良好的工藝性能，今后將日益廣泛地用于制造耐腐蝕的石油化工設(shè)備。我們?yōu)樘m煉三葉公司順酐裝置共制造了十二臺鈦材設(shè)備，其中冷換設(shè)備五臺、塔三臺、罐四臺。經(jīng)過近幾年的開工使用證明，冷換設(shè)備傳熱系數(shù)高、不易結(jié)垢；塔和罐基本上沒有腐蝕情況，使用效果較好。
蘭煉三葉公司新建的化工原料順酐裝置，因介質(zhì)腐蝕性強，有些設(shè)備選用了鈦材制造。由于我們是首次制造鈦材設(shè)備，技術(shù)資料和經(jīng)驗都比較缺乏，而焊接是決定鈦材設(shè)備質(zhì)量的3.2 螺旋鋁芯扭制成型
關(guān)鍵，為此我們進行了大量的鈦材焊接工藝性能評定實驗，確定了鈦材的焊接工藝參數(shù)。鈦材特有的物理性能、機械性能及較高的化學(xué)活性，決定了鈦材設(shè)備的制造不同于碳鋼或不銹鋼設(shè)備的制造。
鈦材設(shè)備的制造加工流程見圖1。
圖1 鈦材設(shè)備加工流程框圖2 組裝及加工
2.1 前期準(zhǔn)備
(1)專門劃分一塊鈦材設(shè)備制造區(qū)域，嚴(yán)禁與碳鋼設(shè)備混堆、接觸，工作場地必須鋪設(shè)橡膠板。
(2)材料要入庫妥為保管，禁止露天堆放。同時設(shè)置幾個鈦材專用的邊角余料箱，將邊角料分類回收。
(3)自行設(shè)計、制造所需的專用機具、胎具等。其中多層螺旋盤管彎制機不但解決了鈦材盤管的煨彎難題，還榮獲國家專利，專利號為92 2 338574；其它設(shè)備如剪板機、刨邊機、滾板機等要保持清潔，防止油污、鐵屑、輥子上的缺陷等損傷鈦材表面。
(4)參加鈦材設(shè)備制造的人員，著裝應(yīng)符合要求，工作服、手套要整潔，不允許穿帶鐵釘?shù)男?，并且盡量避免在鈦板上走動。
2.2 劃線與落料
鈦材對缺陷的敏感性很強，因此禁止用鐵錘擊打鈦材表面或打樣沖或鋼印，禁止用墨汁或油漆書寫有關(guān)標(biāo)記。鈦材還易受鐵、油污等的污染，下料切割后須用砂輪機將污染部位打磨干凈，因此劃線時要適當(dāng)多留一些加工余量，一般以10～20mm為宜。
采用剪板、砂輪機或等離子弧切割落料。采用等離子弧切割時，為防止飛濺損傷鈦板，應(yīng)在鈦板表面涂刷白堊粉。
2.3 加工坡口
對板材要求在刨邊機上刨出坡口，對管材要求在車床上車出坡口，坡口均為V型，較長的板在刨邊過程中容易產(chǎn)生撓曲、被撕裂的現(xiàn)象。為了解決這些問題，我們用槽鋼壓緊刨削端，以增大刨邊機對板材的壓緊力，同時減小板材伸出刨邊機的長度(由常規(guī)的50mm減為30mm)，以增大其剛度，再調(diào)整好刀具的刃傾角，并采用低速和小的進刀量切削，結(jié)果坡口光亮如鏡，比碳鋼及不銹鋼坡口的粗糙度要低得多。
注意在鈦材刨邊過程中不能中途停止進刀，否則容易引起切削表面硬化，同時鈦材刨邊時磨刀及更換刀具也比碳鋼及不銹鋼頻繁。
2.4 卷板
鈦板在卷制時，板材回彈量要比碳鋼及不銹鋼大，致使點焊比較困難。我們采用天車配合使筒節(jié)在滾板機上滾圓后立即點焊，之后再吊離滾板機。卷板時為了防止輥子上的缺陷損傷鈦板表面，采用鍍鋅鐵皮裹住鈦板兩面。
錐形封頭、直徑≥108mm的接管(沒有無縫鈦管，需用板卷制)、人孔筒節(jié)等在滾板機上無法成型，可使用自制胎具壓制。
3 焊接及檢測
3.1 焊接材料及設(shè)備
鈦材焊接時采用手工鎢極氬弧焊。由于鈦材的熔點高、熱容大、導(dǎo)熱性差，與碳鋼及不銹鋼相比，鈦材還具有較高的化學(xué)活性。當(dāng)焊接時，它極易與氧、氫、氮、碳等元素發(fā)生劇烈反應(yīng)，導(dǎo)致焊接接頭脆化，容易產(chǎn)生裂紋。為了獲得機械性能良好的焊縫，焊前表面清理及焊接過程中的保護措施是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。焊接所用的材料及設(shè)備是：
(1)純度不低于99.99%的氬氣。
(2)選用鈰鎢極，包括直徑1、1.5、2、3mm四種。
(3)焊絲應(yīng)按GB3623-83“鈦及鈦合金焊絲”標(biāo)準(zhǔn)選用，也可把板材剪成絲使用。
(4)使用鎢極(自動或手工)交、直流兩用氬弧焊機。
3.2 焊接操作
3.2.1 焊前清理
焊縫只要受到少量鐵、油污等雜質(zhì)的污染，就會嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，因此，對焊縫表面必須進行嚴(yán)格的清理。清理的順序如下：
(1)用砂紙或砂輪機除去焊縫及其兩側(cè)不少于50mm范圍內(nèi)的氧化層，直到露出銀白色的金屬為止。
(2)用嶄新的綢布蘸無水酒精將表面擦拭干凈，直到綢布上沒有污染為止。
(3)將焊絲用無水酒精擦拭干凈。
(4)焊縫及焊絲清理后要立即施焊，否則應(yīng)重新清理。
3.2.2 焊接操作要領(lǐng)
(1)手工鎢極氬弧焊的焊接工藝參數(shù)如表1所示(焊絲均為TA2)。
(2)鎢極伸出10～12mm為宜，焊縫每次填充的高度為2～3mm，最高不超過5mm。單面焊雙面成型焊縫的對接間隙為1.5mm。
表1 焊接工藝參數(shù)
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類 別
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板 厚
(mm)
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焊接位置
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焊絲直徑
(mm)
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電 流
(A)
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電 壓
(V)
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焊 速
(cm/min)
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氬氣流量
(L/min)
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組合角接
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3
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垂直俯位
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2.0
3.0
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80～100
90～100
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14～16
15～16
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4～8
10～12
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10～11
11～12
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對 接
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3
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平 焊
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2.0
3.0
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80～100
90～110
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14～15
14～16
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8～10
8～16
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8～10
9～15
|
(3)焊接完畢后焊炬不能立即離開，要連同保護盒繼續(xù)保護，直到焊接接頭冷卻到400℃以下方可離開。
(4)厚度大于4mm的對接和角焊縫應(yīng)采用多層焊。每層焊道施焊前，都應(yīng)保證上一層無氧化，如有氧化必須徹底清除后再施焊。
(5)當(dāng)焊縫表面存在咬邊、弧坑或焊肉低于母材表面時，如無氧化污染則可直接修補；但對于未焊透、表面未熔合及表面裂紋等均應(yīng)將缺陷打磨干凈，進行清理后補焊。返修次數(shù)不能超過兩次。
3.2.3 焊接過程的保護措施
由于鈦材對氧、氫、氮有很高的親合力，容易導(dǎo)致焊接接頭塑性下降，所以對焊縫熔池及其背部凡400℃以上的焊接熱影響區(qū)都必須進行嚴(yán)格的保護。熔池的保護由焊炬來完成，熱影響區(qū)及400℃以上的受熱部位由保護盒保護。保護盒最好用銅材制作，我們自制的保護盒如圖2所示。氬氣流量以7～15L/min為宜，太小氣流剛性低，保護效果差；太大會引起氣流紊亂，把空氣帶入焊接區(qū)。因此，氬氣應(yīng)保持層流狀態(tài)。
圖2 氣體保護盒示意
3.3 焊縫檢測
焊縫采用外觀檢查、著色及射線檢測三種方式來檢驗焊縫質(zhì)量。外觀檢查主要觀察焊縫的表面缺陷及焊接接頭的顏色，并根據(jù)表面顏色來判定氣體的保護效果，參照表2可通過鈦材焊縫表面顏色判定焊接質(zhì)量。
表2 鈦材焊縫顏色與焊接質(zhì)量的判定
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表面顏色
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保護情況
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焊縫情況
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接頭質(zhì)量
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處理措施
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銀白色
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良好
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良好
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使用可靠
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不需處理
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金黃色
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尚好
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沒有影響
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能使用
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用砂紙打磨掉表面金黃色
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藍色
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一般
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表面氧化，使表面塑性稍有下降
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承受負(fù)載較大時不能使用
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用砂紙打磨掉表面藍色
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紫色
(花色)
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較差
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氧化嚴(yán)重，塑性顯著降低
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使用條件(介質(zhì)、負(fù)載)苛刻時不能使用
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用砂紙打磨掉表面紫色
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灰色或
表面有
粉狀物
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極差
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完全氧化，焊接區(qū)完全脆化，易產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷
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不能使用
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不合格，重新施焊
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對于局部表面顏色不合格的焊縫的熱影響區(qū)，必須用砂輪全部磨去后重新施焊，補焊次數(shù)不能超過兩次。按JB4730-94“壓力容器無損檢測”進行著色及射線檢測，著色檢測應(yīng)符合Ⅱ級要求，射線檢測應(yīng)符合Ⅲ級要求。
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