0 前言
第一套年產30萬噸合成氨成套設備的，其中年產24萬噸尿素配套設備中的CO2汽提塔，是在高溫、高壓、腐蝕條件下使用的，這臺汽提塔采用了國產工業純鈦作襯里材料。汽提塔高壓室襯鈦厚度為5mm和10mm兩種，材料牌號為TA1工業純鈦，目前，鈦材的焊接主要采用鎢極氬弧焊接，等離子焊具有能量集中，穿透力強、單面焊雙面成型，坡口制備簡單，質量穩定以及生產效率高等許多優點。針對工業純鈦等離子焊的特點，進行了試驗研究，成功地將等離子弧焊用于汽提塔的鈦板襯里焊接，包括封頭和管板爆炸復合用5mm大張鈦板的拼接，以及5、10mm厚鈦板襯里筒身平板拼縫與筒身合攏縱縫的焊接，焊接質量達到設計要求。
1 焊接設備
采用LH-300型等離子弧自動焊機，配Z×G-300硅整流電源。等離子焊槍為自行設計的新型焊槍，采用了同心度可調的可卸式水冷鎢極、鎢極內縮連續可調等結構，使槍體的密封和調整可靠而簡便，槍體的加工制造也大為簡化，并提高了槍體使用的可靠性與壽命。這種新型等離子弧焊槍已在產品焊接中經受了考驗。
2 焊接鈦的保護措施
針對鈦需要保護溫度高于300℃的區域這一特點，焊接試驗中設計了專門的保護裝置。
2.1保護拖罩
除了焊槍本身具有的保護嘴之外，尚需在焊槍上拖掛專門的保護拖罩。最初我們采用常規的氬弧焊用的箱式拖罩。由于等離子弧柱從熔池反射出的焰流溫度高，易將銅絲網燒壞，改用鉆密集小孔的薄銅板代替銅網，并在拖罩兩側固定兩條聚四氟乙烯擋板，擋板緊貼在工件上移動，這不僅增強了保護效果，而且還解決了拖罩與工件間的絕緣問題。用這種經過改進的保護拖罩（圖1）焊接5毫米厚鈦板，焊縫及熱影響區均為銀白色，保護效果良好。
焊接10毫米鈦板時，采用圖1所示結構的保護拖罩，保護效果不好。從引弧處起，約150毫米長的焊縫長度內，表面呈暗灰色，焊縫其余長度內亦呈黃蘭紫等不同氧化色彩，只有焊縫結尾處呈銀白色。雖然對保護拖罩經過多次改進，仍然達不到予其的效果。在分析了10毫米厚鈦板焊縫產生表面氧化色的原因，認為其主要是由于焊件厚度增加，焊接熱能量增加，焊接接頭區散熱慢，冷卻不足就脫離保護而造成的。基于這一分析，設計一種結構獨特的水冷卻保護滑塊（圖2）。它既起保護作用，又能將焊件來不及較快散走的熱量帶走很大一部分。經過長期使用表明，水冷保護滑塊的保護效果良好，而且比原先設計的保護拖罩節省40%的氬氣。以后的試驗與生產焊接中，完全取代了保護拖罩，用于焊接5毫米和10毫米厚鈦板。
2.2保護墊板
除了焊縫正面需要嚴密地保護外，對焊縫背面亦需加以專門保護。單靠由等離子弧形成的小孔穿過的少量氬氣，是不足以對背面起保護作用的。我們設計了鑲有銅板的鋼墊板（圖3），從背面通氬保護焊縫，效果很好。通氬的銅管偏置墊板凹槽一側，是為了避免被穿透的等離子弧燒壞。產品焊接用墊板的結構與圖3所示相同。其長度為3200毫米，通氬氣的銅管分成兩段，從墊板兩端分別通氬保護。
采用上述焊槍及水冷保護滑塊和保護墊板后，焊縫正反兩面均可充分保護，焊接區域均可達到銀白色。
3 焊接準備工作
3.1 焊前清理
焊接鈦時，焊口兩側一定距離內必須清除一切油污及表面氧化層。我們采用酸洗或機械清理兩種清理辦法。以機械清理方法更為簡便。
機械清理方法如下：用丙酮除去焊口兩側100毫米內的油污，用細砂布除去兩側50毫米內的氧化層，直至露出干凈的金屬為止，再用棉砂蘸丙酮擦洗2～3遍，即可進行焊接。填充焊絲出廠前已經過酸洗，使用前僅用丙酮擦洗一遍。用上述機械清理方法清理后，焊前坡口鐵離子污染檢查合格，焊后對焊縫含Fe量的分析結果，也完全滿足要求（表1）。#p#分頁標題#e#
3.2 裝配要求
焊口系機械加工出的直邊坡口，比較規整。考慮到產品焊接時，必然會存在裝配間隙及錯邊。為此對間隙0～1.5毫米，錯邊0～1.5毫米及兩種情況同時存在條件下的試板，進行了焊接試驗。采用表2所列的規范3焊接，填充焊絲速度為96米/時，均可得到過渡平滑而飽滿的焊縫。由此可見，焊接鈦時，并不要求過嚴的裝配條件。
4 焊接工藝參數
純鈦熔融狀態下表面張力較大，同時流動性又很好。這種物理特性使其有利于采用小孔效應的等離子弧焊接，不易產生切割現象，焊縫易于成形，焊接過程穩定，焊接規范在較大范圍內變化，都能得到成形的焊縫。
4.1 5毫米厚鈦板的焊接工藝參數
5毫米厚鈦板用圓柱形噴嘴焊接，有兩種合適的規范（表2）：第一種規范焊速低，焊縫寬；第二種規范焊速高，焊縫窄，但是對焊縫的對中要求高。用帶有60°擴放角的噴嘴（圖4），可以兼有圓柱形噴嘴兩種規范的優點：焊速可以提高，焊縫對中要求較低，焊縫形成美觀。所以，焊接5毫米厚鈦板主要采用了60°噴嘴。采用的焊接規范見表2。不加填充焊絲焊接時，焊縫兩側均有程度不同的咬邊，加少量填充焊絲后，完全消除了咬邊。
4.2 10毫米厚鈦板的焊接規范
5毫米厚鈦板采用60°噴嘴焊接具有焊接速度高、焊縫成形美觀的優點。但焊接電流比圓柱形噴嘴要大得多。由于電源容量的限制，10毫米厚鈦板仍用圓柱形噴嘴焊接，規范參數見表3。
表3 10毫米厚鈦板等離子弧焊接參數 
5 焊接中注意事項
5.1 重復加熱的影響
最初，為了清除無填充焊絲時焊縫兩側的咬邊現象，采用以壓縮較小的90～150安培小電流等離子電弧重熔焊縫咬邊部位。結果發現焊縫及近縫區晶粒明顯長大。彎曲試驗表明，經重熔的接頭，彎曲角有時達不到180°（d=3a）。重熔五次的接頭，彎曲試驗時可見到明顯的小裂口。因此，應該嚴格控制焊接熱規范，減少焊縫及近縫區在高溫停留時間，盡量少對焊縫進行重復加熱。考慮到產品尺寸較大，焊接過程中產生缺陷的可能性難以絕對避免，故規定允許對焊縫局部返修兩次。此時，雖然塑性有所降低，但仍然達到彎曲角≥90°（d=3a）的設計要求。
5.2 變形控制
鈦的彈性模量為鋼的一半，所有在同樣的焊接應力條件下，產生的焊接變形比鋼要大一倍。等離子弧焊時，由于是一次焊透整個板厚，正反兩面受熱比較均勻，其角變形要比氬弧焊小得多。我們在拼接直徑2800毫米的封頭復層板時，未采用專門夾具，僅在焊縫一側壓了一根100×100毫米的方鋼，另一側靠斷面40×300毫米的焊車軌道壓緊，焊后變形不大，滿足了封頭爆炸復合的要求。
5.3 焊接缺陷
在正常情況下焊接鈦時，一般不易產生焊接缺陷。我們只遇到過一次因焊接電流值過低而產生的氣孔缺陷。用表2所列的規范3焊接5毫米的封頭復層拼板時（焊縫長約3米），焊接過程中會因網路電壓降低，焊接電流偏低至235安培時，在焊縫中心結晶面上產生連續細小的內部氣孔。經用正常規范重新熔焊一次后，消除了這種缺陷。
此外，在焊接時應特別注意焊槍噴咀孔與坡口接縫的對中，否則就會造成焊縫背面局部未熔合的缺陷，這是特別危險的具有尖缺口的缺陷。當存在未熔合的缺陷時，必須對中重焊。
6 焊接接頭的性能
6.1 產品技術條件對焊接接頭的要求
（1）TA1鈦板焊縫的化學成份除Fe≤0.08%外，其它應接近母材。
（2）拉伸試驗和常溫沖擊試驗結果不得低于母材的規定值。#p#分頁標題#e#
（3）冷彎試驗≥90°（d=3a）
（4）焊接接頭的主要組織為α相，β相和α′相應控制到最少，不允許含有γ相
（5）焊縫經100%X光檢驗，質量標準應符合JB4730-94"焊縫射線探傷標準"規定Ⅱ級。
（6）表面檢查不允有任何裂縫、氣孔和深度大于0.5毫米的咬邊。
6.2 接頭質量
鈦板焊后經檢驗，各項力學性能均達到要求，焊縫為單相α組織，沒有α1等脆性相。焊縫及母材的化學成分合格。焊后經X射線檢驗未發現任何缺陷。完全滿足產品設計要求，接頭質量優良。
7 結論
（1）所設計的焊槍、水冷保護滑塊及保護墊板等，滿足工業純鈦板等離子弧焊接工藝的要求，可以獲得保護良好，成形美觀的焊縫。
（2）從機械性能、金相檢驗、化學分析和X射線探傷檢驗的結果來看，選用的焊接規范參數是合理的，能滿足產品設計要求。
（3）等離子弧焊接能一次焊透焊件整個厚度，大大提高了生產率。以10毫米厚鈦板為例，比鎢極氬弧焊能提高效率5～6倍。同時，對焊工的操作熟練程度要求較低，質量穩定，是一項值得大力推廣的先進焊接工藝。