钛材管件对焊材料常见缺陷分析

钛装备主要应用于石油、化工和热能电站等工业部门。而钛管件(如弯头、三通及异径管等)与管子的连接是其重要组成部分。根据多次调查，钛装备(由于有其特殊的使用性能，应用日益广泛)中管件与管子连接处事故率较高，这与该处断面工况条件陡变。受力较为恶劣有关。

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性能与特点

     钛在885℃时发生同素异构转变。在885℃以下为密排六方晶格结构，称为a钛(工业纯钛为此类，本文重点研究对象)。在885℃以上为体心立方晶格结构，称为J3钛。钛合金的同素异构转变温度则随加入的合金元素种类和含量不同而变化。工业纯钛根据其杂质(主要是氧和铁)含量以及由此而引起的强度差别分为TA1、TA2、TA3三个牌号。它们具有良好的耐蚀性、塑性和韧性，但对其加工性、焊接性要求较高。
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焊接缺陷&形成机理

（1）焊接气孔 钛材焊接中，易于发生气孔，它的主要影响因素及防治措施见表1。

(2)脆裂与过热氢是钛中最有害的元素之一，它能降低钛的塑性与韧性，导致脆裂。若母材或焊接材料中含氢量较大，则应预先作脱氢处理。钛在600℃以上就会急剧地和氧、氮化合，生成二氧化钛和氮化钛(硬度极大)。当加热到800℃以上，二氧化钛即溶解于钛中并扩散深入到金属钛的内部组织中去，形成0.01～0.08 mm的中间脆性层。温度越高，时间越长，氧化、氮化也越严重，焊接接头的塑性就会急剧降低。此外，钛还易与碳形成脆性的碳化物，降低塑性和可焊性。

     钛材的熔点高，属难熔金属，在焊接时需要高温热源。钛的导热系数低，仅为碳钢的一半，热量不易散失，过热倾向严重。当结构刚性较大时，在焊接拉应力作用下，还会引发薄弱区开裂。另外钛沾染铁离子即变脆。这也是导致钛材管件一管子对接焊缝区产生裂纹的重要原因之一。

 (3)焊接热温波裂纹常见金属焊接裂纹有热裂纹、冷裂纹、再热裂纹与层状撕裂裂纹等，焊接热温波裂纹是近年来发现的又一种新裂纹。即焊缝处经过反复多次加热与冷却后而形成的一种裂纹，其发展趋势最终为断裂。它多发生在厚壁管件一管子的多层多道焊焊缝区域上(主要在熔合区附近)或焊缝修补之处。其特征是裂纹区域材质性能发生变化(尤其是塑性、韧性降低)，晶粒松弛，晶格歪扭。有局部硬化现象，有时裂纹旁边伴有若干更细微裂纹。它发生的滞后性强，其隐蔽性危害性比冷裂纹更大。目前形成机理仍在研究之中。从本质上看。它不完全同于热疲劳裂纹(有的学者观点不同)。由于钛材焊缝处多次反复加热与冷却，一是应力不断扩张、收缩。致使焊缝疲劳开裂；二是加热过程中晶粒不断长大(有时连续有时断续，但多为波段式变化。钛的熔点高， 比热容小，热导率小，使焊缝金属和热影响区在高温下的停留时间增长)。从而使显著长大的粗化晶粒间松弛、脆弱，也易出现裂纹。另外，焊缝处若干次地快速冷却，TiH2逐渐析出，积聚，延伸，出现薄弱边缘而致裂。而焊缝的多次热循环及相变(组织变化)，Ct钛马氏体(a 是0相通过无扩散型转变而形成的某些元素在六方晶格a钛中的过饱和固溶体，在光学显微镜下呈现为针状组织)数量增多，塑、韧性下降亦极易开裂。总之，此类温波裂纹是若干因素综合作用的结果。消除其中的任何不利因素。对于防止它的产生都是有利的。
      总结多次施工经验及研究结果，发现管件与管子焊缝部位，经常受到大小不同和方向变化的热循环交变应力。这种交变应力常常使材料在小于其屈服极限，甚至小于其弹性极限的情况下。经多次热循后，并无显著的外观变形却会发生裂纹。管件一管子对接及施焊中，事先都不产生明显的塑性变形而突裂，实际上裂纹已经历了一个由脆化、临界危险点及开裂的完整过程(有的时间较短，有的时间却很长)。即使施工后经检验未发现任何缺陷，装置在运行过程中，亦随时有可能产生裂纹。且往往是出乎预料的。
      材料在交变应力的作用下，首先在应力最大及材料最薄弱的部位(如内部的缺陷、表面的伤痕处)出现极细微的裂纹，这种微裂纹再随热循环次数的增加而逐渐扩展，从而使管件与管子的有效截面不断减小，以至最后承受不住外力的作用，在偶然的震动和冲击下便发生脆性断裂。所以材料断裂是在交变热应力作用下经过一定的热循环周次之后(随着环境条件的波动及时间推移，材质本身亦逐渐退化与弱化，此点往往被人们所忽视)才出现的。因此它具有很大的危险性，常常造成难以想象的严重事故。这就给施工者提出更高要求，随时防范钛材管接口待裂和临裂状态与隐患，亦须引起足够的重视。仅从焊接工艺分析，适度控制焊接的最高加热温度、加热速度、高温停留时间和冷却速度。以及尽量减少焊缝区的加热与冷却频率和次数，是必须注意的问题。管件与管子对接时严禁采用较大的锯齿形横向摆动施焊法(尤其是高压管接口)。