換熱器用鈦焊管具有密度小，比強度高、耐海水腐蝕性能優良等特點，在海水冷卻系統管道中可以大批量使用，例如核電站和濱海電站，鈦焊管的使用在保證熱交換效率同時，提高了設備使用壽命，帶來顯著經濟效益[1-3]。純鈦在焊接時容易受到環境污染，對焊接環境要求較高，在充分氬氣保護氣氛下可以獲得良好的焊接接頭[4]。鈦管在焊接過程中的污染會導致焊接接頭質量下降[5，6]，而焊縫的質量控制是生產鈦焊管的重點[7]。目前換熱器用薄壁鈦焊管多采用自動鎢極氬氣保護焊（TIG焊）。用自動鎢極氬氣保護焊（TIG焊）生產鈦焊管過程中，時有出現一種類型缺陷管。該缺陷目視在焊管外表面有焊縫箭頭、內表面焊縫焊道有變化，在外表面箭頭根部可見有黑色異物，進行渦流探傷檢測，管材報警不能滿足ASTMＢ338標準[8]，需報廢處理，因而造成生產成本增加。
為此，對該類型焊接缺陷進行分析，找出產生原因，制定改善措施，提高鈦焊管生產過程的焊縫質量。
1、基本信息
1.1 試驗材料
實驗材料為生產過程中渦流報警的Gr.2鈦焊管，規格為φ22.0mm×0.5mm。其帶材化學成分（質量分數，％）為，C0.012，O0.108，N0.003，H0.002，Fe0.017，其他單個最大≤0.1，總計最大≤0.4。鈦焊管表面目視可見內外表面焊道變化，外表面可見箭頭形狀變化，在箭頭根部可觀察到有缺陷。典型形貌如圖1所示。
1.2 方法及設備
鈦焊管的生產工藝流程為：帶材→清洗→剪切端焊→清洗→冷彎成形→焊接→一次定徑→在線退火→二次定徑／矯直→渦流探傷→激光測徑→定尺切斷→超聲波探傷→精切→端頭去毛刺→水下氣密試驗→表面風干→表面檢查。其中焊接工藝為直流正接自動鎢極氬弧焊，采用的焊接設備為米勒ＭＡＸＳＴＡＲ700焊機。為防止焊接過程中環境對焊縫影響，在焊縫背面（焊管內壁）、焊槍、焊合室內通氬氣（純度≥99.99％）進行保護。帶材經過清洗、成型冷彎卷曲成管狀后在焊合室內焊接。焊接用鎢針直徑為3.2mm，鎢針伸出長度為9mm，焊接速度6.0m/min，焊接電流180Ａ，電壓12Ｖ，焊槍氬氣流量為10L/min，焊合室氬氣流量為15L/min，焊縫背面保護氣流量為10L/min。
在鎢針尖持續使用24ｈ后，進行跟蹤取樣。切取2個帶缺陷的典型試樣，采用XJA-6Ａ金相顯微鏡對鈦焊管焊縫軸向、縱向進行了金相組織觀察。切取3個帶典型特征缺陷的試樣，使用ＺｅｉｓｓＭｅｒｌｉｎＣｏｍｐａｃｔ場發射掃描電子顯微鏡和ＯｘｆｏｒｄＡＺｔｅｃＸ-Ｍａｘ50能譜儀對焊縫夾雜缺陷處外表面形貌和成分分析。
2、缺陷處組織分析
2.1 金相組織分析
圖2（ａ）為鈦焊管缺陷圖片，可以清楚的看到箭頭形狀及箭頭根部的黑點。焊縫缺陷處顯微組織在軸向圖2（ｂ）及縱向圖2（ｃ）方向，焊縫區主要為粗大的板條狀α相以及針狀α相。焊縫軸向區域內并沒有發現氣孔、夾雜等缺陷。在焊縫縱向顯微組織中，有不規則形狀夾雜物嵌在焊縫表面組織內。
2.2 掃描電鏡及能譜分析
對缺陷樣進行掃描電鏡和能譜分析。3＃、4＃、5＃樣的掃描電鏡形貌如圖3所示。缺陷處和非缺陷位置能譜分析結果見表1。從掃描電鏡照片中，可以明顯看到焊管表面黑點處存在有不規則形狀異物嵌入在焊縫中，其大小不一。3＃（ａ）、4＃（ｃ）、5＃（ｅ）缺陷處的能譜分析結果表明，該處含有大量的碳、氧、鎢元素。缺陷物旁邊位置能譜分析主要元素為鈦。
3、討論分析
3.1 夾雜物成分來源
結合生產情況，對元素來源進行分析。試驗用的純鈦帶是以海綿鈦為原料，經熔煉板坯、熱卷軋制、酸洗、冷軋、脫脂、退火等工序生產而來[9]。純鈦帶，從表1中元素成分上看其雜質元素主要為鐵、氮、碳、氧、氫元素。這些雜質元素中氮、氧、碳是α相穩定元素，以間隙原子的形式有限固溶于α相中，鐵主要以置換原子的形式有限固溶于α相中[10]。這些雜質元素含量較低，并均勻分布在鈦帶中，在高純氬氣保護氣氛下焊接，過程中無法形成上述樣品管中的夾雜缺陷。
在軋制過程中會使用軋制油，軋制完成后進行脫脂、退火。如果脫脂不完全，會導致帶材表面殘留有油污[11]。脫脂異常帶材，在焊接時由于帶材受熱形成大量的黑煙，鎢極燒損。從鈦帶到鈦焊管生產工藝過程中分析，在其他各工序內都未有鎢元素參與。因此，從鈦焊管生產過程進行分析，分析能譜結果中夾雜缺陷內鎢元素主要來源于鎢極，碳、氧元素主要來源于帶材表面殘留油污。
3.2 夾雜物產生原因分析
綜合試驗結果及生產實際焊接分析，認為該類型夾雜缺陷的產生原因是，焊接過程中，由于焊接帶材表面有殘留油污、鎢針尖伸出長度過長、氬氣保護效果欠佳，從而在鎢針尖表面出現燒損，氧化物聚集如圖4所示。可以看出，鎢針尖在使用一段時間后，針尖完好，在鎢針尖錐角根部處，可見白色灰狀物質，輕觸掉落類似爐渣。鎢極氬弧焊中，鎢極在氬氣保護良好情況時，燒損慢，當帶材表面殘留有碳、氧、鎢針尖伸出長度較長、氬氣保護效果欠佳，帶材表面碳、氧有機物在高溫下揮發與鎢極反應形成渣狀物質覆蓋在鎢針上，從而引起鎢極的燒損[12]，當氬氣保護效果欠佳時，鎢極燒損加快。當燒損達到一定程度時，部分脫落到焊接熔池中，引起焊接電弧波動，從而產生焊道內外表面出現箭頭狀變化，掉落物在箭頭根部形成夾雜缺陷。
3.3 該類型焊接缺陷的控制
通過上述觀察與分析，該類型焊接缺陷產生與控制，主要與帶材清潔程度、氬氣保護效果、鎢針使用時間有關。因此，要減少該缺陷類型產生，主要考慮清潔帶材及增強鎢針尖的氬氣保護效果。鈦帶加工過程中，嚴格控制脫脂工序，保證鈦帶表面清潔。鈦焊管制造過程中增加焊槍氬氣保護氣流量，減少鎢針尖伸出長度、增加修磨鎢針尖頻次，避免因鎢針尖燒損，表面氧化物聚集掉落而產生夾雜缺陷的問題。
根據上述分析對帶材進行清潔，對焊接參數進行調整，將焊槍保護氣由10L/min調整到15L/min，鎢極伸出長度由9mm調整到7mm，鎢極修磨間隔由24ｈ調整到12ｈ。調整參數前，鎢針使用后，燒損較嚴重，其鎢針尖氧化物聚集較多；而調整后，鎢針尖完好，避免了燒損后氧化物掉落產生該焊接缺陷（圖5）。
4、結論
鈦焊管生產過程中，出現的焊道變化，焊縫夾雜，本文對其成因進行了分析，并提出了改善方法：（1）鈦焊管焊接過程中焊道內外表面出現箭頭狀變化，在該箭頭根部存在有夾雜物，是由于鎢針尖上的氧化物在焊接過程中聚集后掉落到熔池中產生。（2）為減少該類型焊接夾雜缺陷，嚴格控制鈦帶生產中脫脂工序，在鈦焊管焊接時增加焊槍氬氣保護氣流量，增加修磨鎢針尖頻次，減少鎢針尖伸出長度，避免因鎢針尖上的氧化物聚集掉落產生的焊接夾雜缺陷。
參考文獻
[1]黃伯云.中國材料工程大典（第4卷）有色金屬材料工程（上）[Ｍ].北京：化學工業出版社，2005：503-511.
[2]謝祎.超薄壁鈦焊管在蒸餾海水淡化中的應用[Ｊ].焊管.2018，41（10）：30-35.
[3]劉茵琪，賈祥亞，曹恒，等.薄壁純鈦焊管的性能研究[Ｊ].材料開發與應用，2013，28（4）：1-6.
[4]ＢｅｎｄｉｋｉｅｎｅＲ，ＢａｓｋｕｔｉｓＳ，ＢａｓｋｕｔｉｅｎｅＪ，ｅｔａｌ.ＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅｓｔｕｄｙｏｆTIGｗｅｌｄｅｄｃｏmmｅｒｃｉａｌｌｙｐｕｒｅｔｉｔａｎｉｕｍ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｅｓ，2018，36：155-163.
[5]楊國輝.鈦管焊接時接頭的保護[Ｊ].管道技術與設備，2003（6）：24-25，28.
[6]ＳｈｏｒｔＡＢ.Ｇａｓｔｕｎｇｓｔｅｎａｒｃｗｅｌｄｉｎｇｏｆα＋βｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓ：ａｒｅｖｉｅｗ[Ｊ].ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，2009，25（3）：309-324.
[7]張望成，魯蓉蓉，曾憲山.核電熱交換器用耐蝕鈦焊管制備工藝研究[Ｊ].鈦工業進展，2021，38（4）：34-37.
[8]ＡｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙｏｆＴｅｓｔｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ.ＳｔａｎｄａｒｄＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｏｒＳｅａｍｌｅｓｓａｎｄＷｅｌｄｅｄＴｉｔａｎｉｕｍａｎｄＴｉｔａｎｉｕｍＡｌｌｏｙＴｕｂｅｓｆｏｒ48?。茫铮睿洌澹睿螅澹颍螅幔睿洌龋澹幔簦牛悖瑁幔睿纾澹颍螅篈STMＢ338-17ｅ1[Ｓ].ＷｅｓｔＣｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡ：ASTMＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，2019.
[9]馮杉，陶會發，李渤渤，等.ＥＢ錠焊管用ＴＡ2冷軋鈦帶制備技術研究[Ｊ].材料開發與應用，2023，38（1）：55-59.
[10]徐國富，周麗旗，李旭，等.微量雜質在工業純鈦中的存在形式及其對力學性能的影響[Ｊ].粉末冶金材料科學與工程，2016，21（5）：672-677.
[11]常軍，郭勝惠，彭金輝，等.微波加熱技術在鈦帶卷酸洗及脫脂過程中的應用[Ｊ].鈦工業進展，2013，30（1）：27-30.
[12]ＣａｓａｄｏＥ，ＣｏｌｏｍｅｒＶ，Ｍｕ？ｏｚ-ＳｅｒｒａｎｏＥ，ｅｔａｌ.ＡｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｅｒｏｓｉｏｎｉｎｔｕｎｇｓｔｅｎｃａｔｈｏｄｅｓｄｏｐｅｄｗｉｔｈｄｉｆFeｒｅｎｔｒａｒｅ-ｅａｒｔｈｅｌｅｍｅｎｔｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓＤ：ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，2002，35（10）：992-997.
相關鏈接
