TA2阵列式密集焊缝的TIG自动焊技术——文献学习体会

文献概况

本文由四川科新机电股份有限公司王俊恒、李锡伟、唐兴全、向强、蒋雪梅于2022年发表于《压力容器》第39卷第2期，针对TA2纯钛换热管与管板阵列式密集焊缝的TIG自动焊工艺，系统解决了清洁度控制、高温区防护和焊接变形控制三大关键技术难题。TA2是工业纯钛（Ti-0.2%O-0.15%N），具有良好的耐蚀性和导热性，广泛应用于化工、石油、制药等领域的换热设备。本文的研究对于钛制换热器的批量制造具有重要的工程指导价值。

TA2钛合金焊接的技术挑战

TA2钛合金焊接面临的核心技术挑战包括：

1. 活性金属特性：钛在400℃以上即开始与氧气、氮气、氢气发生反应，生成TiO、TiN、TiH等脆性相，导致焊缝和近缝区脆化、耐蚀性下降。
2. 氢脆敏感性：钛在高温下强烈吸氢，冷却过程中氢的溶解度急剧下降，过饱和氢以TiH2形式析出，导致延迟裂纹和氢脆。
3. 导热性差：钛的导热系数仅为钢的1/6左右，焊接热输入集中，容易过热。
4. 热膨胀系数大：钛的热膨胀系数约为钢的2倍，焊接变形量大。
5. 阵列式密集焊缝的特殊性：换热管与管板焊接时，焊缝数量多、间距小、焊道长，连续施焊过程中高温区防护和变形控制尤为困难。

清洁度控制措施

文中提到"制定了生产过程中的清洁控制措施，解决了换热管与管板焊接区域的清洁度问题"。钛合金焊接的清洁度控制是保证焊接质量的前提，具体措施包括：

表面清洁

• 焊接区域必须用丙酮或专用清洗剂彻底清除油污、水分和有机物
• 管板表面和换热管端部需进行机械打磨（使用钛专用砂轮），去除氧化层和污染层
• 打磨后应在最短时间内完成焊接，避免表面重新氧化

环境控制

• 焊接环境应在洁净室或隔离焊接区进行，空气洁净度不低于ISO Class 8
• 控制环境湿度，相对湿度不宜超过65%
• 焊接区域内不得有含氯、含硫的挥发性物质

工具与防护

• 所有接触钛材的工具必须专用，不得与碳钢工具混用
• 焊接人员应穿戴洁净工作服，避免皮肤油脂污染焊接区域

尾部气体保护工装设计

文中提到"设计和自制了尾部气体保护工装，解决了TIG自动焊在连续施焊中高温区的防护问题"。这是本文最具工程价值的创新点之一。

问题本质

TIG焊接时，焊枪前方的熔池由喷嘴内的保护气覆盖，但焊枪后方的高温区（约400-600℃）在焊枪离开后迅速暴露于空气中，钛材在此温度区间极易氧化。对于阵列式密集焊缝，连续施焊过程中焊枪不断移动，后方高温区的防护尤为关键。

工装设计要点

尾部气体保护工装通常包括以下要素：

验收标准

文中提到焊接接头颜色为银白色，达到JB/T 4745-2002《钛制焊接容器》的要求。钛焊缝的颜色是判断焊接质量的重要指标：

• 银白色：钛材未经氧化或轻微氧化，质量合格
• 浅黄色/蓝色：轻微氧化，需评估是否影响性能
• 紫色/黑色：严重氧化，质量不合格，需返修

焊接变形控制措施

文中提到"采用刚性增强、跳焊、分区焊的措施，控制了换热管与管板的阵列式密集焊缝的焊接变形"。焊接变形控制是钛合金焊接的核心难题之一，具体措施包括：

刚性增强

• 在管板背面或周围设置刚性支撑，限制焊接区域的自由变形
• 使用工装夹具固定管板，增加整体刚度

跳焊（跳跃焊接）

• 不按顺序连续焊接，而是跳跃式焊接（如先焊1、3、5、7号管，再焊2、4、6、8号管）
• 通过分散热输入，减小局部热应力，降低变形量

分区焊

• 将阵列式焊缝划分为若干区域，分区施焊
• 每个区域焊接完成后，待温度降至室温或接近室温后再焊下一个区域
• 通过控制热累积，减小整体变形

工艺参数优化

• 采用小电流、高速度焊接，减小热输入
• 采用填丝焊工艺，控制熔池大小
• 优化焊接顺序，从中心向四周或从四周向中心焊接

标准与规范解读

本文遵循的标准主要包括：

• JB/T 4745-2002《钛制焊接容器》：规定了钛制焊接容器的设计、制造、检验要求，其中对焊缝颜色、清洁度、保护气纯度等均有明确要求。
• GB/T 3639：钛及钛合金焊条、焊丝的技术条件。
• NB/T 20012：核级钛合金焊接工艺评定标准（如适用）。

从标准符合性角度看，本文的工艺方案满足了钛制焊接容器的基本要求，但在以下方面仍有提升空间：

• 焊接工艺评定（WPS/PQR）的完整性
• 无损检测（NDT）方法和验收标准的明确性
• 焊接接头力学性能测试结果的提供

工程实践案例反思

从工程实践角度分析，本文描述的工艺方案具有以下特点：

优势：

• 针对具体问题（清洁度、高温区防护、变形控制）提出了切实可行的解决方案
• 工装设计具有创新性，特别是尾部气体保护工装的自制开发，体现了企业自主技术能力
• 最终产品交付使用且服役良好，验证了工艺的有效性

不足：

• 文中未提供详细的焊接参数（电流、电压、焊接速度、保护气流量等）
• 未提供焊接接头的力学性能数据和无损检测结果
• 未进行系统的工艺评定，难以判断工艺参数的适用范围
• 未讨论成本效益分析，对于批量生产的经济性评估不足

学习心得与启示

本文是一篇典型的工程应用型论文，其价值在于解决实际问题而非理论创新。有几点深刻体会：

第一，钛合金焊接的核心在于"防污染"和"防氧化"。清洁度控制、保护气纯度、高温区防护是保证焊接质量的三大支柱，缺一不可。本文对尾部气体保护工装的设计，正是针对这一核心需求的创新。

第二，阵列式密集焊缝的焊接变形控制是一个系统工程，需要从工艺参数、焊接顺序、工装夹具等多个方面综合施策。本文提出的"刚性增强+跳焊+分区焊"组合策略，体现了系统思维在焊接工程中的应用。

第三，从企业自主研发的角度看，本文体现了制造业企业"问题导向、自主开发"的技术创新路径。尾部气体保护工装的自制开发，不仅解决了技术难题，还降低了设备成本，对于同类企业的技术借鉴具有参考价值。

总体而言，本文为TA2钛合金换热管与管板焊接提供了完整的技术方案，特别是在清洁度控制、高温区防护和变形控制三个关键技术问题上给出了切实可行的解决措施，对钛制换热器的批量制造具有重要的工程指导价值。