1、前言
钛的化学性质活泼，对氧有极高的亲和力。在有氧环境中钛表面易生成1层致密而附着力强、隋性大的氧化膜，即使氧化膜受到机械破坏，只要在氧化性介质中，其自愈性强，又可再生成氧化膜，这是钛在许多酸、碱及盐介质中耐腐蚀性优异的原因。钛及其合金的密度为碳钢的57%，比强度在300℃时(合金达500℃)能保持良好的机械性能，所以被钛广泛应用于石油化学工业、火力、原子能发电、海水淡化等领域。近几年来，国内外大约有90%的钛材用于民用。民用钛材中约有70%用于制造容器(包括热交换器)，其中管材约占50%，带材约占34%，棒材、锻件约占12%，丝材约占2%，铸件约占2%。
目前的国际钛加工材市场主要是美、日、独联体“三足鼎立”的垄断局面。其中美国与独联体主要以航空工业和军事工业为主，日本国内钛需求主要为石油化学工业、原子能发电设备、海水淡化设备、建筑工业等。
表1列出了日本钛设备对钛材的需求，由表1可知，其使用量是相当可观的。
钛设备用钛材及相关标准由于化工过程中所用的钛设备大多数为压力容器，不但要求钛材具有优良的耐腐蚀性能，而且还应具有较高的综合力学性能及良好的焊接性能等。
美国ASME(美国机械工程师协会)用于锅炉和压力容器的规范第Ⅱ卷SB(有色金属材料标准)也包括有钛材的标准，标准号就是在ASTM标准号前加S。表2为日钛材的JIS标准，日本对钛材的标准分为3类:主要作为化工设备、石油精炼设备、纸浆造纸工业等耐蚀材料使用的纯钛(l类~3类)，比纯钛耐蚀性能更高的钛把合金(11类~13类)以及高强度的钛合金。当然还有一些合金目前没有标准，如日本的α钛合金:Ti-SAI-2.SSn及Ti-SAI-2.SSnELI的焊接性及耐热性就很好。
我国目前采用较多的钛容器规范为部标或地方性标准。一般采用相应的标准有CD130A8-87、CD130A9-87、GB150-89((钢制压力容器》、GB151-89《钢制管壳式换热器》、陕DB3465-86《钛制列管式换热器技术条件》、陕DB3464-86《钛制焊接压力容器技术条件》、陕DB3467-86《钛及钛合金焊缝射线照相/T3625-95《热交换器及冷凝器用无缝钛管》、GB3621-83《钛及钛合金板材》、GB8547-87《钛钢复合板》。统一的行业标准JB4745一2002《钛制焊接容器》已经编制完成并于2003年3月1日开始实施。
目前，国际上可用于容器制造的钛材牌号有几十个，大致有以下几类:(l)工业纯钛TA1，TA2，TA3;(2)钛把合金TA9;(3)钛钼镍合金TA10;(6)钛钼锆合金，Ti-15Mo-5Zr。
3、钛设备的焊接技术现状
钛材适用于各种构造物，焊接是不可缺少的技术。在钛的加工技术中，焊接技术是最困难的。目前钛的新用途正在日益扩大，熟练的焊接技术是必要的。
3.1焊接技术
钛材的悍接与普通的钢材焊接存在较大区别。目前使用最普遍的是手工钨极氨弧焊(TIG)，用自动或半自动氢弧焊技术进行换热器管板的焊接也很普遍。除氢弧焊外，其它焊接方法如等离子焊接、熔化极氢弧焊等工艺也可用于钛设备的焊接，但这些方法目前在国内使用很少。在国内钛设备制造过程中，几乎95%以上的焊接工作是采用手工钨极氢弧焊完成的。
3.1.1手工钨极氮弧焊
手工钨极氢弧焊操作简单方便，对焊接设备的要求不是很高，适用于薄板及中小型部件的焊接。由于焊接坡口较大，焊接时的热量输入及焊丝的填入量较多，焊缝区域(包括热影响区HAZ)晶粒粗大，从而导致接头力学性能及腐蚀性能下降。高能率的等离子焊接及自动氢弧焊、窄间隙技术等焊接方法不但可以提高劳动效率，减少焊接成本，而且对改善焊接接头的力学性能及腐蚀性能有较大的作用。
日本在进行TIG手动焊接时，送丝很关键。原则上讲，焊丝的移动按窄焊道进行，不出焊炬氢气保护气氛的范围内细心地慢慢移动。即使在焊接结束后，若断弧后立即将焊丝从保护气氛中取出，其端头会氧化，所以必须在保护气氛中保持至完全冷却。如果端头发生氧化，必须将端头的氧化污染部分切除，或者使用另外的焊丝。此外，焊接材料一般要使用同一组织的金属。可将板材的一部分切割成2mm~3mm的方条充当焊丝，除去毛边，经酸洗-水洗-脱脂洗净后使用。或者使用1.2mm~3.2mm直径的拉制线材(JIS23331)。
常使用钛设备中热交换器、冷凝器的焊接管就是将钛带连续加工成管状，由TIG焊接制造的。这种焊接管与钛管板一起用于管式热交换器时，换热管和管板的接合也大多采用TIG焊接。
3.1.2等离子焊接
采用等离子焊接，从很薄的板到厚板都可以进行稳定的焊接，适用的板厚范围宽。采用等离子气体贯穿到母材背面的键槽焊接法，对板厚为10mm以下的钛材，1个道次就可焊成，效率高。为了提高电弧的聚束性，工作气体通常采用在氨气中加入5%~7%氢的混合气体。焊钛时，为使焊接区不形成脆性氢化物，其工作气体使用纯Ar或者Ar+He的混合气体，不用含氢的混合气体。另外，钛的等离子焊接操作性与不锈钢一样好，但在400℃以上温度时，钛对空气的亲和性强，因此必须注意焊接区的保护、后保护等，以避免力学性能的下降。焊接操作本身与TIG焊接无多大差别，其喷嘴的损伤会产生串联电弧而成为主要故障，为此，要正确确定电极位置，避免喷嘴的损伤。
3.1.3熔化极惰气保护(MIG)焊
钛的MIG焊接是用钛裸电极丝代替钨电极连续地从焊炬供给，使丝端与母材间起弧，其热能使丝和母材熔化而进行焊接。MIG焊接的速度大，比TIG焊接的效率高，所以主要用于厚板的焊接。MIG焊接的关键点是焊丝、焊接电流、焊接速度、焊道次数、焊接顺序以及保护气体流量等。该焊接的缺点是易产生气孔，所以最好焊接速度慢一些。
3.1.4热交换器的密封焊
近年来，薄壁钛焊接管广泛用于发电厂的凝汽器以及石油精炼厂等的热交换器，从提高热交换器的可靠性出发，采用钛管和钛管板密封焊接的方法。特别是日本国内新建企业用的发电站，进行密封焊的全钛冷凝器占主导地位，这样的凝汽器不会发生海水的泄漏。通常采用的薄壁钛焊接管为JIS标准中的2类(了rH35W)。一般，发电厂采用外径为25.4，28.58，31.75mm，壁厚为0.5，0.7mm;石油精炼厂等采用外径为19.05，25.4nun，壁厚为0.7，0.9，1.0，l.2mm的钛焊接管。钛管板使用Jls标准中的3类(TP49H)。
薄壁钛焊接管和钛管板的焊接，一般是不加焊丝的管端焊接。钛的密封焊一般采用TIG自动焊机，用氢气作保护气体，其密封焊应特别注意的是气氛、焊接电流和焊接速度的控制，这些条件决定焊接性能。
3.1.5钛一钢复合板的的焊接技术
自从20世纪60年代中期钛钢复合板出现以来，已大量应用于石化、冶金、制盐、制碱等行业，可以说它在钛设备中占有相当大的比重。目前钛钢复合板的焊接工艺普遍采用钛复层和钢基层分别进行焊接，而复层与基层之间互不熔合。钢基层的焊接工艺与钢和钢的焊接工艺基本相同。焊接时先焊钢基层，检查合格后，再焊钛复层。复合板上钛复层的熔深、焊缝被铁离子污染的可能性以及由于钛和钢热膨胀系数的差异而导致的焊接接头的内应力等问题均可直接影响到焊接质量问题。但是只要结合实际情况，采取有效的工艺控制，钛钢复合板钛复层的焊接质量是完全可以得到保证的。
与钛钎焊的异种金属有铝，钢及不锈钢等。在进行钛和不锈钢焊接时，日本一般采用Ag基钎料焊接，但应改善焊缝区强度、耐蚀性等，许多课题尚待研究。钛和钢的钎焊，一般用于钛焊缝的分区检漏及钛衬环和法兰的密封焊。
4、焊接技术的新动向
4.1钛新制品—全钛钎焊制热交换器
日本东京钎焊公司在世界上首次开发了采用钎焊法制造的全钛热交换器。一般情况下，钛制热交换器分为管式热交换器及板式热交换器，但全是采用焊接(TIG)制造的。这次的新制品全是采用钎焊制作的，形式采用的内叶片2种类型。2类型由相同原理与构造要素组成，从大的方面分为:TB-HE-Ti-5型(311mm×90mm×72mm)与TB-HE-Ti-10型(311mm×90mm×113mm)。换热面积分别为0.260m2及0.521m2。热交换量为5.4×l04kj/h及10.5×104kj/h，从尺寸来说较大。质量分别为2.16kg与3.83kg，与不锈钢制的相比大大地减轻了质量。
与插入式热交换不同的是，无论在高温区还是在低温区该公司开发的特别技术[堆焊.V叶片」间通过，热效率特别高。不用担心析出物、沉淀物，所以适用于液体·气体。
应注意的是钎焊的强度、耐蚀性，但使用压力为IMPa，在试验时测定的断裂压力则高达12MPa。而采用该公司开发的钛基钎焊料，则根本不用担心其耐蚀性。只是目前缺乏其耐蚀性相关数据。该法制作的热交换器估计其用途相当广泛。单从形状、结构方面因其与原来使用的热交换器不同，所以应拓展新的应用领域。例如，精细化学、航空等相关领域。
4.2新焊接法—采用新焊丝的钛MIG(钨极情性气体保护)焊接
大同特殊钢等公司开发了MIG焊接技术。焊接时使用钛焊接丝(G-coat)。该G-coat有棒及丝。关于钛的MIG焊接在以前的Jls焊接技能检验中也有规定，但日本基本上不采用，其理由就是一般的钛MIG焊接时，因电弧不稳定，产生的焊缝形状不好，飞溅大。而G-coat则纠正了这一缺陷。
采用脉冲MAG·MIG焊接机将厚度为4~钛板进行对焊，焊接的样品表面的焊缝形状良好，宽度均匀。焊接速度约为80cm/min，是TIG焊接的4倍~10倍。一般情况下，钛的MIG焊接令人担心的也是飞溅问题。但采用新焊丝的MIG焊接则很少看到飞溅。原来的TIG焊接则基本上无飞溅。对其它金属而言，根据用途，这种程度的飞溅是允许的。那么只能开发适用于这种飞溅的用途，今后期待着飞溅的再减少。钛MIG焊接与自动TIG焊接将会取得更大的进展。采用长焊丝构造的钛焊接越来越多，在美国和日本正在进行进一步的探讨。
4.3焊接钛用特雷洛尔密封(后密封)夹具
日本焊接棒公司开始销售作为钛TIG焊接用的焊炬的后密封夹具。该夹具的焊炬与后密封是一体型，机身是铝制的。一般型密封夹具的尺寸为长度12mm、宽度35mm、高度30mm。也可根据用户的需求进行变更。侧缘呈不接触结构。原来没有密封夹具销售点，一般是日本钛协会进行销售。目前制作销售点的增多是令人欣喜的事，基本上销售的密封夹具是供初学者练习用的。实际生产中的焊接则需要熟练的焊接工，根据焊接条件密封夹具可自行设计制作，但对初学者而言买夹具却很有必要。日本钛协会发放的夹具有后密封夹具和前密封夹具，均是根据钛的JIS焊接测定试验条件而设计的。
4.4磨擦搅拌焊接(Fsw)在钛设备中的应用
日本日立公司自行开发的FSW(磨擦搅拌焊接)焊接装置，目前已开始制作销售。已在铝合金、镁合金及铜合金的生产中取得了良好的效果。装置有2种，即平板(直线)用与曲面用。据TWI公司的经验，也可用于钛，只是日立公司仍在探索中。用TWI的业绩推算，只要需要，钛的FSW是指日可待的。但接合部的机械物理性还要等待今后的测定。
5、钛设备焊缝的检验
钛设备的检验，除常规的X射线探伤、超声探伤、渗透探伤以外，还有氨渗透检验、铁离子污染试验、热气循环试验、氦质谱检漏等试验。
对于钛衬里(包括钛钢复合板)设备，焊前或过程检验显得更为重要。例如钛衬板与筒体、接管之间的装配间隙、钛盖板与复合板之间存在的缝隙等均是导致焊缝失效的重要因素，然而目前此类项目的检验方法和标准还很不完备，过程控制的难度也比较大。
6、对今后钛焊接技术的展望
虽然钛设备的价格较高，但由于使用寿命长，维修费用低，有利用降低原材料和能源消耗，有利于改善劳动条件及环境保护，因此需求量越来越大。作为钛设备制造中的关键技术之一的焊接技术也应有较快的发展，操作简单、焊接质量可靠、焊接速度快、自动化程度高是今后发展的方向。
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