1、前言

鈦的化學性質活潑，對氧有極高的親和力。在有氧環境中鈦表面易生成1層致密而附著力強、隋性大的氧化膜，即使氧化膜受到機械破壞，只要在氧化性介質中，其自愈性強，又可再生成氧化膜，這是鈦在許多酸、堿及鹽介質中耐腐蝕性優異的原因。鈦及其合金的密度為碳鋼的57%，比強度在300℃時(合金達500℃)能保持良好的機械性能，所以被鈦廣泛應用于石油化學工業、火力、原子能發電、海水淡化等領域。近幾年來，國內外大約有90%的鈦材用于民用。民用鈦材中約有70%用于制造容器(包括熱交換器)，其中管材約占50%，帶材約占34%，棒材、鍛件約占12%，絲材約占2%，鑄件約占2%。

目前的國際鈦加工材市場主要是美、日、獨聯體“三足鼎立”的壟斷局面。其中美國與獨聯體主要以航空工業和軍事工業為主，日本國內鈦需求主要為石油化學工業、原子能發電設備、海水淡化設備、建筑工業等。

表1列出了日本鈦設備對鈦材的需求，由表1可知，其使用量是相當可觀的。

鈦設備用鈦材及相關標準由于化工過程中所用的鈦設備大多數為壓力容器，不但要求鈦材具有優良的耐腐蝕性能，而且還應具有較高的綜合力學性能及良好的焊接性能等。

美國ASME(美國機械工程師協會)用于鍋爐和壓力容器的規范第Ⅱ卷SB(有色金屬材料標準)也包括有鈦材的標準，標準號就是在ASTM標準號前加S。表2為日鈦材的JIS標準，日本對鈦材的標準分為3類:主要作為化工設備、石油精煉設備、紙漿造紙工業等耐蝕材料使用的純鈦(l類~3類)，比純鈦耐蝕性能更高的鈦把合金(11類~13類)以及高強度的鈦合金。當然還有一些合金目前沒有標準，如日本的α鈦合金:Ti-SAI-2.SSn及Ti-SAI-2.SSnELI的焊接性及耐熱性就很好。

我國目前采用較多的鈦容器規范為部標或地方性標準。一般采用相應的標準有CD130A8-87、CD130A9-87、GB150-89((鋼制壓力容器》、GB151-89《鋼制管殼式換熱器》、陜DB3465-86《鈦制列管式換熱器技術條件》、陜DB3464-86《鈦制焊接壓力容器技術條件》、陜DB3467-86《鈦及鈦合金焊縫射線照相/T3625-95《熱交換器及冷凝器用無縫鈦管》、GB3621-83《鈦及鈦合金板材》、GB8547-87《鈦鋼復合板》。統一的行業標準JB4745一2002《鈦制焊接容器》已經編制完成并于2003年3月1日開始實施。

目前，國際上可用于容器制造的鈦材牌號有幾十個，大致有以下幾類:(l)工業純鈦TA1，TA2，TA3;(2)鈦把合金TA9;(3)鈦鉬鎳合金TA10;(6)鈦鉬鋯合金，Ti-15Mo-5Zr。

3、鈦設備的焊接技術現狀

鈦材適用于各種構造物，焊接是不可缺少的技術。在鈦的加工技術中，焊接技術是最困難的。目前鈦的新用途正在日益擴大，熟練的焊接技術是必要的。

3.1焊接技術

鈦材的悍接與普通的鋼材焊接存在較大區別。目前使用最普遍的是手工鎢極氨弧焊(TIG)，用自動或半自動氫弧焊技術進行換熱器管板的焊接也很普遍。除氫弧焊外，其它焊接方法如等離子焊接、熔化極氫弧焊等工藝也可用于鈦設備的焊接，但這些方法目前在國內使用很少。在國內鈦設備制造過程中，幾乎95%以上的焊接工作是采用手工鎢極氫弧焊完成的。

3.1.1手工鎢極氮弧焊

手工鎢極氫弧焊操作簡單方便，對焊接設備的要求不是很高，適用于薄板及中小型部件的焊接。由于焊接坡口較大，焊接時的熱量輸入及焊絲的填入量較多，焊縫區域(包括熱影響區HAZ)晶粒粗大，從而導致接頭力學性能及腐蝕性能下降。高能率的等離子焊接及自動氫弧焊、窄間隙技術等焊接方法不但可以提高勞動效率，減少焊接成本，而且對改善焊接接頭的力學性能及腐蝕性能有較大的作用。

日本在進行TIG手動焊接時，送絲很關鍵。原則上講，焊絲的移動按窄焊道進行，不出焊炬氫氣保護氣氛的范圍內細心地慢慢移動。即使在焊接結束后，若斷弧后立即將焊絲從保護氣氛中取出，其端頭會氧化，所以必須在保護氣氛中保持至完全冷卻。如果端頭發生氧化，必須將端頭的氧化污染部分切除，或者使用另外的焊絲。此外，焊接材料一般要使用同一組織的金屬。可將板材的一部分切割成2mm~3mm的方條充當焊絲，除去毛邊，經酸洗-水洗-脫脂洗凈后使用。或者使用1.2mm~3.2mm直徑的拉制線材(JIS23331)。

常使用鈦設備中熱交換器、冷凝器的焊接管就是將鈦帶連續加工成管狀，由TIG焊接制造的。這種焊接管與鈦管板一起用于管式熱交換器時，換熱管和管板的接合也大多采用TIG焊接。

3.1.2等離子焊接

采用等離子焊接，從很薄的板到厚板都可以進行穩定的焊接，適用的板厚范圍寬。采用等離子氣體貫穿到母材背面的鍵槽焊接法，對板厚為10mm以下的鈦材，1個道次就可焊成，效率高。為了提高電弧的聚束性，工作氣體通常采用在氨氣中加入5%~7%氫的混合氣體。焊鈦時，為使焊接區不形成脆性氫化物，其工作氣體使用純Ar或者Ar+He的混合氣體，不用含氫的混合氣體。另外，鈦的等離子焊接操作性與不銹鋼一樣好，但在400℃以上溫度時，鈦對空氣的親和性強，因此必須注意焊接區的保護、后保護等，以避免力學性能的下降。焊接操作本身與TIG焊接無多大差別，其噴嘴的損傷會產生串聯電弧而成為主要故障，為此，要正確確定電極位置，避免噴嘴的損傷。

3.1.3熔化極惰氣保護(MIG)焊

鈦的MIG焊接是用鈦裸電極絲代替鎢電極連續地從焊炬供給，使絲端與母材間起弧，其熱能使絲和母材熔化而進行焊接。MIG焊接的速度大，比TIG焊接的效率高，所以主要用于厚板的焊接。MIG焊接的關鍵點是焊絲、焊接電流、焊接速度、焊道次數、焊接順序以及保護氣體流量等。該焊接的缺點是易產生氣孔，所以最好焊接速度慢一些。

3.1.4熱交換器的密封焊

近年來，薄壁鈦焊接管廣泛用于發電廠的凝汽器以及石油精煉廠等的熱交換器，從提高熱交換器的可靠性出發，采用鈦管和鈦管板密封焊接的方法。特別是日本國內新建企業用的發電站，進行密封焊的全鈦冷凝器占主導地位，這樣的凝汽器不會發生海水的泄漏。通常采用的薄壁鈦焊接管為JIS標準中的2類(了rH35W)。一般，發電廠采用外徑為25.4，28.58，31.75mm，壁厚為0.5，0.7mm;石油精煉廠等采用外徑為19.05，25.4nun，壁厚為0.7，0.9，1.0，l.2mm的鈦焊接管。鈦管板使用Jls標準中的3類(TP49H)。

薄壁鈦焊接管和鈦管板的焊接，一般是不加焊絲的管端焊接。鈦的密封焊一般采用TIG自動焊機，用氫氣作保護氣體，其密封焊應特別注意的是氣氛、焊接電流和焊接速度的控制，這些條件決定焊接性能。

3.1.5鈦一鋼復合板的的焊接技術

自從20世紀60年代中期鈦鋼復合板出現以來，已大量應用于石化、冶金、制鹽、制堿等行業，可以說它在鈦設備中占有相當大的比重。目前鈦鋼復合板的焊接工藝普遍采用鈦復層和鋼基層分別進行焊接，而復層與基層之間互不熔合。鋼基層的焊接工藝與鋼和鋼的焊接工藝基本相同。焊接時先焊鋼基層，檢查合格后，再焊鈦復層。復合板上鈦復層的熔深、焊縫被鐵離子污染的可能性以及由于鈦和鋼熱膨脹系數的差異而導致的焊接接頭的內應力等問題均可直接影響到焊接質量問題。但是只要結合實際情況，采取有效的工藝控制，鈦鋼復合板鈦復層的焊接質量是完全可以得到保證的。

與鈦釬焊的異種金屬有鋁，鋼及不銹鋼等。在進行鈦和不銹鋼焊接時，日本一般采用Ag基釬料焊接，但應改善焊縫區強度、耐蝕性等，許多課題尚待研究。鈦和鋼的釬焊，一般用于鈦焊縫的分區檢漏及鈦襯環和法蘭的密封焊。

4、焊接技術的新動向

4.1鈦新制品—全鈦釬焊制熱交換器

日本東京釬焊公司在世界上首次開發了采用釬焊法制造的全鈦熱交換器。一般情況下，鈦制熱交換器分為管式熱交換器及板式熱交換器，但全是采用焊接(TIG)制造的。這次的新制品全是采用釬焊制作的，形式采用的內葉片2種類型。2類型由相同原理與構造要素組成，從大的方面分為:TB-HE-Ti-5型(311mm×90mm×72mm)與TB-HE-Ti-10型(311mm×90mm×113mm)。換熱面積分別為0.260m2及0.521m2。熱交換量為5.4×l04kj/h及10.5×104kj/h，從尺寸來說較大。質量分別為2.16kg與3.83kg，與不銹鋼制的相比大大地減輕了質量。

與插入式熱交換不同的是，無論在高溫區還是在低溫區該公司開發的特別技術[堆焊.V葉片」間通過，熱效率特別高。不用擔心析出物、沉淀物，所以適用于液體·氣體。

應注意的是釬焊的強度、耐蝕性，但使用壓力為IMPa，在試驗時測定的斷裂壓力則高達12MPa。而采用該公司開發的鈦基釬焊料，則根本不用擔心其耐蝕性。只是目前缺乏其耐蝕性相關數據。該法制作的熱交換器估計其用途相當廣泛。單從形狀、結構方面因其與原來使用的熱交換器不同，所以應拓展新的應用領域。例如，精細化學、航空等相關領域。

4.2新焊接法—采用新焊絲的鈦MIG(鎢極情性氣體保護)焊接

大同特殊鋼等公司開發了MIG焊接技術。焊接時使用鈦焊接絲(G-coat)。該G-coat有棒及絲。關于鈦的MIG焊接在以前的Jls焊接技能檢驗中也有規定，但日本基本上不采用，其理由就是一般的鈦MIG焊接時，因電弧不穩定，產生的焊縫形狀不好，飛濺大。而G-coat則糾正了這一缺陷。

采用脈沖MAG·MIG焊接機將厚度為4~鈦板進行對焊，焊接的樣品表面的焊縫形狀良好，寬度均勻。焊接速度約為80cm/min，是TIG焊接的4倍~10倍。一般情況下，鈦的MIG焊接令人擔心的也是飛濺問題。但采用新焊絲的MIG焊接則很少看到飛濺。原來的TIG焊接則基本上無飛濺。對其它金屬而言，根據用途，這種程度的飛濺是允許的。那么只能開發適用于這種飛濺的用途，今后期待著飛濺的再減少。鈦MIG焊接與自動TIG焊接將會取得更大的進展。采用長焊絲構造的鈦焊接越來越多，在美國和日本正在進行進一步的探討。

4.3焊接鈦用特雷洛爾密封(后密封)夾具

日本焊接棒公司開始銷售作為鈦TIG焊接用的焊炬的后密封夾具。該夾具的焊炬與后密封是一體型，機身是鋁制的。一般型密封夾具的尺寸為長度12mm、寬度35mm、高度30mm。也可根據用戶的需求進行變更。側緣呈不接觸結構。原來沒有密封夾具銷售點，一般是日本鈦協會進行銷售。目前制作銷售點的增多是令人欣喜的事，基本上銷售的密封夾具是供初學者練習用的。實際生產中的焊接則需要熟練的焊接工，根據焊接條件密封夾具可自行設計制作，但對初學者而言買夾具卻很有必要。日本鈦協會發放的夾具有后密封夾具和前密封夾具，均是根據鈦的JIS焊接測定試驗條件而設計的。

4.4磨擦攪拌焊接(Fsw)在鈦設備中的應用

日本日立公司自行開發的FSW(磨擦攪拌焊接)焊接裝置，目前已開始制作銷售。已在鋁合金、鎂合金及銅合金的生產中取得了良好的效果。裝置有2種，即平板(直線)用與曲面用。據TWI公司的經驗，也可用于鈦，只是日立公司仍在探索中。用TWI的業績推算，只要需要，鈦的FSW是指日可待的。但接合部的機械物理性還要等待今后的測定。

5、鈦設備焊縫的檢驗

鈦設備的檢驗，除常規的X射線探傷、超聲探傷、滲透探傷以外，還有氨滲透檢驗、鐵離子污染試驗、熱氣循環試驗、氦質譜檢漏等試驗。

對于鈦襯里(包括鈦鋼復合板)設備，焊前或過程檢驗顯得更為重要。例如鈦襯板與筒體、接管之間的裝配間隙、鈦蓋板與復合板之間存在的縫隙等均是導致焊縫失效的重要因素，然而目前此類項目的檢驗方法和標準還很不完備，過程控制的難度也比較大。

6、對今后鈦焊接技術的展望

雖然鈦設備的價格較高，但由于使用壽命長，維修費用低，有利用降低原材料和能源消耗，有利于改善勞動條件及環境保護，因此需求量越來越大。作為鈦設備制造中的關鍵技術之一的焊接技術也應有較快的發展，操作簡單、焊接質量可靠、焊接速度快、自動化程度高是今后發展的方向。

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