钛和钛合金具有密度小、强度高、耐高低温性能良好等特点，被广泛应用于石油化工及军工、航天、制药等多个领域。钛及钛合金的焊接性问题最主要的是存在气孔以及接头的脆化问题。
产生气孔的主要原因是氢气，因为焊接时钛吸收氢的能力很强，且钛元素是一种活泼元素，在温度300℃以上就大量地吸收氢，随着温度的下降，氢的溶解度显著下降，因此溶解于液态金属中的氢气来不及逸出就形成氢气孔。
因钛与氧反应易形成致密的氧化膜，所以钛材具有较高的耐腐蚀性和化学稳定性，在焊接时，熔池温度达5000℃左右，在这个温度区间，钛及合金与氧、氢、氮等快速发生反应，在300℃以上时快速吸收氢，450℃以上快速吸收氧，600℃以上快速吸收氮。当熔池吸收这些有害气体后，焊接接头的韧性和塑性都会发生较大变化。
当温度达到882℃以上时，焊接接头的晶粒变得粗大，当焊缝冷却时会形成马氏体组织，进而使焊接接头的强度、韧性、塑性、硬度下降，产生过热倾向，焊接接头脆化严重。因此，焊接钛合金时，应对熔池、熔滴及高温区的正反面都进行可靠的氩气保护，这是保证焊缝质量的关键点。因氢易从高温熔池向低温热影响区扩散，氢含量的增加导致析出的钛氢化合物增加，热影响区脆性增大。另外析出的氢化物体积膨胀时产生组织应力，进而导致延迟裂纹的产生。容器用钛材的决定性指标是塑性而不是强度，所以只有在退火状态下才具有最好的塑性，同时具有最佳屈强比、焊接性能、耐腐蚀性能等。因此钛材的供货状态应为退火，以减少脆化的程度。
1、钛设备的制造要点及提高焊接质量的工艺措施
钛设备应放在橡胶皮上制作，不允许与碳钢材料接触，以免碰伤、擦伤钛表面；切割或卷制成形设备应清理干净，卷板辊包薄膜，以免钛设备表面划伤或受铁离子污染等；在钛材上划线应尽量用金属铅笔划线，不宜使用记号笔书写，以免影响材料的耐腐蚀性能；坡口应采用机械打磨，不宜使用火焰切割坡口。
焊接前应仔细检查焊缝坡口表面有无缺陷，宜采用渗透检测，检验坡口及两侧部位是否有表面缺陷存在；打磨设备应采用专用打磨工具（不锈钢砂轮片打磨）；焊前坡口两侧25mm范围内、焊丝均应清洗干净，用丙酮清洗去除氧化膜。清洗后若超过4h应重新清洗；选择最合适的焊接工艺进行焊接，严格控制焊接和气体后保护措施；以保证焊出合格的焊缝。宜采用99.999%的氩气保护，焊出来的焊缝颜色才是最理想的。钛设备错边量，1/5t=1.2mm(t=6mm)，技术要求高于GB150；钛焊接应在空气洁净、无尘、无烟环境下进行；尽量不要在下雨天施焊（因本公司钛制造场地不是密封的场地，湿度较大）；焊缝和热影响区焊后用10倍放大镜进行100%检查，不应有裂纹、气孔、弧坑、夹渣、飞溅物等。钛压力容器不许有咬边，焊缝表面颜色为银白色为最好，金黄色均匀的为一般，蓝色的为稍差，要去除蓝色，若是其它颜色的均应返修。
随着温度的不同，钛设备表面的氧化而形成的化合价的氧化钛，因此氧化膜的颜色也不相同。一般情况下，800~900℃之间为灰色；700~800℃之间为红灰色；600~700℃之间为紫色；500~550℃之间为蓝色；400~450℃之间为金黄色；300~400℃之间为淡黄色；200℃以下为银白色。
2、设备技术要求及焊接工装
设备总图见图1，管程部分均为钛材（TA2/6mm）。壳程部分为普通低合金钢（Q345R/8mm），换热管材质为TA2/φ25×2。
图1
管程介质为氯气、氢氧化钠（高度危害介质），设计压力为0.6MPa。管板为复合钛板（TA2+16MnⅡ）。该换热器需要带产品焊接试板。
钛容器焊接时不仅溶池要保护，焊后正在冷却中的焊缝正面及焊缝背面也要保护。采用保护拖罩是钛容器焊接的最大特点。对于此台钛设备的焊接，设计了多种类型焊缝的充氩保护工装，换热器纵缝焊接的气体保护工装如图2所示，换热器管箱封头与筒体环缝的气体保护工装如图3所示。换热管与管板的气体保护工装如图4所示。
图2 筒体纵缝气保护工装
图3 筒体与封头环缝气保护工装
图4 换热管与管板的焊接气保护工装
3、焊缝型式
本设计的换热器，焊接工艺制定的对接焊缝型式如图5所示，角焊缝型式如图6所示，换热管与管板焊缝型式如图7所示。
图5、6、7
4、焊接要求及焊接工艺参数
4.1焊接要求
(1)钛容器施焊前，应经焊接工艺评定合格并应由具备相应持证项目的焊工进行施焊，焊接工艺规程应按工艺评定结果及相应图样技术要求进行制定。设备仪表应经计量且设备状态完好。
(2)钛材焊接应在无尘、无烟、空气洁净的环境下进行，焊接区域应为独立的区域，当遇下列情况时应禁止焊接（风速≥1.5m/s；相对湿度＞80%；焊件温度低于5℃，在下雨和下雪时的室外作业）。超出此范围时应停止施焊。施焊环境应严格遵守钛材焊接环境要求。
(3)焊材的保存库应干燥，湿度不得大于60%，温度不应低于5℃。焊接坡口及两侧25mm处应用机械方法去除表面氧化膜。放焊前用丙酮清洗，清洗后若超过4h没有焊接，应重新进行清洗。定位焊接应与设备主体焊缝采用相同的焊接工艺，而且应使定位焊最后熔入永久焊缝中。
(4)焊缝表面的形状尺寸和焊接要求应符合JB/T4745-2002标准要求。焊缝表面应用10倍放大镜检查，不应有裂纹、未熔合、气孔、弧坑、夹渣、飞溅物、打弧点等。焊缝不得有咬边，并对所有焊缝和热影响区的焊接结束原始状态时的表面颜色进行检验，并按表1判断是否合格并进行处理。
(5)换热器管板焊接时，宜采用Z形跳焊法（详见图8），以控制焊接变形。换热管双侧施焊时，不得同时焊接一根钛管，单侧施焊时，另一侧严禁进行割、胀、洗管工作；换热管焊接时，起弧和收弧位置详见图9。从11点位置起弧，顺时针旋转焊接一周后在12点位置开始收弧。焊接结束，氩气后保护3~5秒。
4.2焊接工艺参数
本文所示的换热器，采用手工钨极氩弧焊焊接方法（GTAW）。手工钨极氩弧焊参数详见表2。
焊缝应采用小线能量焊接，焊接层间温度手感温热，以不超过60℃为宜。焊接采用铈钨棒φ2.5，喷嘴直径φ12。
5、钛材产品焊接试板要求
当设计压力不小于1.6MPa的钛制压力容器及图样注明盛装毒性程度为极度危害或高度危害介质的低压容器的圆筒A类纵向焊缝，应按每台制备产品焊接试板。钛材焊接试板要求具有与筒体纵缝同材质（牌号、状态、规格）、同焊接工艺评定、同焊工、同焊材、同焊接工况进行焊接，且连接在筒体纵缝延长部位。待焊接外观检验合格后，进行无损探伤，与筒体探伤搭接。拍片合格后取下产品试板。钛制容器产品钛焊接试验的力学性能检验按JB/T4745-2002《钛制焊接容器》附录C进行相关的力学性能试验。复合板式钛制容器
被衬钛容器的力学性能检验按GB150-2011《压力容器》及NB/T47016-2011《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》进行相关的力学性能试验。
钛容器产品焊接试板的试样类别和数量详见表3。
弯曲试样厚度为≤10mm（若＞10mm，则加工至10mm）试样弯曲宽度为30mm，弯心直径d为8a或10a，具体根据钛材牌号，弯曲角度为180°。
钛材的应用领域越来越广泛。对此类设备制造应当更加谨慎，安全性要求应适当提高。制造单位应高度重视钛设备的制造工艺要求，杜绝因焊接问题而引发的质量事故。
参考文献
[1]GB/T151-2014，热交换器[S].
[2]GB150-2011，压力容器[S].
[3]NB/T47016-2011，承压设备产品焊接试件的力学性能检验[S].
[4]JB/T4745-2002，钛制焊接容器[S].
[5]陈保国主编.焊接技术[M].北京：化学工业出版社，2009.
[6]中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2008.
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