有色金属压力容器的焊接

压力容器设备中，除广泛使用碳钢、低合金钢及不锈钢外，有色金属如钛及钛合金、镍及镍基合金等的应用也日益增多。今天我们就来了解下有色金属压力容器的焊接相关。

镍基耐蚀合金的焊接

镍及镍基合金具有特殊的物理、力学及耐腐蚀性能，镍基耐蚀合金在200℃~ 1090℃范围内能耐各种腐蚀介质的侵蚀，同时具有良好的高温和低温力学性能。在一些苛刻腐蚀条件下是一般不锈钢无法取代的优良材料。纯镍一般在工业中应用较少，但在镍中添加入铬、铜、铁、钼、铝、钛、铌、钨等元素后，通过固溶强化，不但改善其力学性能，而且可适应于各种腐蚀介质下侵蚀，使其具有优良的耐腐蚀性。

1、镍基耐蚀合金的焊接特点

①易产生焊接热裂纹

由于镍基合金为单相奥氏体组织，所以与不锈钢相比，具有高的焊接热裂纹敏感性，特别是焊缝易产生多边化晶间裂纹。这种裂纹一般为微裂纹，焊后对焊缝进行着色检查时，短时间都发现不了，但经过一段时间后，才显露出来。这说明裂纹非常微细，但有时也能发展为较宽的宏观裂纹。如果在单相奥氏体焊缝中加人固溶强化的钼、钨、锰、铬、铌等元素，就可有效地抑制镍基合金焊缝多边化结晶的发展，从而显著提高抗热裂纹能力。限制线能量，避免采用大线能量焊接也有利于防止热裂纹的产生。此时注意，如果线能量过小，会加速焊缝的凝固结晶速度，更易形成多边化晶界，在一定应力下有助于多边化裂纹的产生。

②液态金属流动性差，焊缝熔深浅

这是镍基合金的固有特性。靠加大焊接电流不是解决此问题的办法，因为电流增加会引起裂纹和气孔，降低接头的耐蚀性能，所以为了获得良好的焊缝成形，应采用小摆动工艺，另外要加大坡口角度，减小坡口钝边。

2、镍基耐蚀合金的焊接要点

镍基合金一般可采用与奥氏体不锈钢相同的焊接方法进行焊接。这里就最常用的钨极气体保护焊和焊条电弧焊进行论述。无论是何种焊接方法，焊前一定要彻底清理焊接区表面，镍基合金对污染物的危害极为敏感，母材应尽可能在固溶状态下焊接。

①钨极气体保护焊是应用最广泛的，几乎适合于任何一种可熔焊的镍基合金，特别适合于薄件和小截面构件。保护气体最常用的是氩气，它成本低，密度大，保护效果好。氩气中加5%氢气，有还原作用，一般只用于第一层焊道和单道焊，多层焊的其余焊道可能要产生气孔。氦气保护焊应用较少，但有如下特点，氦气导热大，向熔池线能量比较大，能提高焊接速度，减少了气孔的可能性，但氦弧焊，电流小于60A时，电弧不稳定。

钨极气体保护焊焊一般使用直流正接，采用高频引弧以及电流衰减的收弧技术。在保证焊透的条件下，应采用较小的焊接线能量，多层焊时应控制层间温度，焊接析出强化合金及热裂纹敏感性大的合金时，更要注意控制层间温度。弧长尽量短，薄件焊接时焊枪可不作摆动，但厚板多层焊时，为使熔敷金属与母材及前道焊缝充分熔合，焊枪仍可适当的摆动。为保证单面焊完全焊透需要用带凹形槽的铜衬垫，通以保护气体进行反面保护。为加强焊接区的保护效果，也可在焊嘴后侧加一辅助输入保护气体的拖罩。

②使用焊条电弧焊时焊接镍基合金时，由于焊条含合金元素多，且要求防止热裂纹，一般镍基合金焊条的药皮类型为碱性药皮，采用直流反接。为了防止合金元素的烧损和控制线能量，焊接时要求尽可能采用小规范，与同规格的不锈钢焊条相比，电流可降低20%~ 30%。由于液态金属的流动性差，为防止未熔合和气孔等缺陷，一般要求在焊接过程中适当摆动，但不能过大。在焊缝接口再引弧时，应采用反向引弧技术，以利调整接口处焊缝平滑并且能有利于抑制气孔的发生。采用逆向收弧，把弧坑填满，防止弧坑裂纹，必要时要对弧坑进行打磨。

钛及钛合金的焊接

钛及钛合金具有良好的耐腐蚀性能，在氧化性、中性及有氯离子介质中，其耐腐蚀性优于不锈钢，有时甚至为普通奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti的10倍。工业纯钛塑性好，但强度较低，具有良好的低温性能，其线膨胀系数和热导率都不大，这都不会给焊接带来困难。钛合金的比强度大，又具有良好的韧性和焊接性，在航天工业中应用最为广泛。钛及钛合金在我国现行标准中按其退火态的组织分为α钛合金、β钛合金和α+β钛合金三类，分别用TA、TB和TC表示。在石化行业中的压力容器设备中，牌号为TA2这种工业纯钛使用为居多。

1、钛及钛合金的焊接特点

①杂质元素的沾污引起脆化

钛是一种活性元素，特别是在焊接高温下非常容易吸收氮、氢、氧，从而使焊缝的硬度、强度增加，塑性、韧性降低，引起脆化。碳也会与钛形成硬而脆的TiC，易引起裂纹。因此，钛及钛合金焊接时必须进行有效的保护，防止空气或其他因素的污染。因此钛及钛合金焊接不能采用气焊或焊条电弧焊方法进行，否则接头满足不了焊接质量要求，一般只能采用氩气保护或在真空下焊接。

②焊接相变引起的接头塑性下降

常用的工业纯钛为α合金，焊接时由于钛导热差、比热小、高温停留时间长、冷却速度慢，易形成粗大结晶；若采用加速冷却，又易产生针状α组织，也会使塑性下降。

③产生焊接裂纹

钛合金焊接时产生的焊接热裂纹的几率极小，只有当焊丝或母材质量不问题时才可能产生热裂纹。由氢引起的冷裂纹是钛合金焊接时应注意防止的，焊接时熔池和低温区母材中的氢向热影响区扩散，引起热影响区含氢量增加，造成热影响区出现延迟裂纹。

④气孔

钛及钛合金焊接时气孔是最常见的焊接缺陷。焊丝或母材表面清理不干净或氩气不纯都会造成气孔产生，因此保护气-氩气纯度要求在99.99%以上，焊丝及工件表面要酸洗、净水冲洗后烘干。

2、钛及钛合金的钨极氩弧焊

钛及钛合金焊接时采用最多的就是钨极氩弧焊，对于较厚的工件也可采用熔化极氩弧焊，对于技术要求严格的航天工业中一些重要设备经常也采用真空电子束焊接。

①焊丝的选用。焊丝的选用应使在正常焊接工艺下的焊缝在焊后状态的抗拉强度不低于母材退火状态的标准抗拉强度下限值，焊缝焊后状态的塑性和耐蚀性能不低于退火状态下的母材或与母材相当，焊接性能良好，能满足钛容器制造和使用的要求。

焊丝中的氮、氧、碳、氢、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。不允许从所焊母材上裁条充当焊丝，应采用JB/T 4745-2002《钛制焊接容器》中附录D中的焊丝用作钛容器用焊丝。杂质元素含量不高于JB/T 4745-2002中附录D的其他标准的焊丝也可使用。

一般情况下可按表根据所焊母材牌号来选择相应的焊丝牌号，并通过JB/T 4745-2002中附录B的焊接工艺评定验证。

不同牌号的钛材相焊时，一般按耐蚀性能较好和强度级别较低的母材去选择焊丝材料。

②保护气体的选用。焊接用氩气纯度不应低于99.99%，露点不应高于-50℃，且符合GB 4842-1984的规定。当瓶装氩气的压力低于0.5MPa时不宜使用。

③钨极。钨极氩弧焊时推荐采用铈钨电极。电极直径应根据焊接电流大小选择，电极端部应为圆锥形。

钛及钛合金氩弧焊时，最关键的是要将焊接高温区与空气隔离开，为了有效地进行保护，焊炬喷嘴、拖罩和背面保护装置通以适量流量的氩气是极其重要的。焊缝及近缝区颜色是衡量保护效果的标志，银白色、浅黄色表示保护效果好，深黄色为轻微氧化，一般情况下还是允许的，金紫色表示中度氧化，深蓝色表示严重氧化，至于灰白色是绝对不允许的，表示焊缝已经变质，必须报废重焊。