管路焊接接頭對管路系統建造精度有較大影響，特別是含隔振設備的大通徑管路系統[1]，其管路安裝偏差將傳遞至設備，影響設備姿態和隔振器受力狀態，從而降低隔振效果，進而影響到管路系統的聲學指標[2]。鈦合金因較高的比強度及優良的耐熱、耐腐蝕性和斷裂韌性等優點，在船舶管路建造中得到了廣泛應用[3-4]。但在鈦合金管路焊接過程中，無保護措施或保護不良會導致空氣進入焊接區域，焊絲、焊件清理不干凈，在其表面留有水分、油污、氧化物等有害雜質會改變鈦的力學性能，這些都將對鈦復層接頭的力學性能造成負面影響[5-6]，導致鈦復層接頭變脆，塑性和韌性急劇下降，同時極易產生裂紋和氣孔，嚴重影響到鈦復層接頭的耐蝕性[7]。因此，有必要開展鈦合金管路焊接技術研究，進而提升船舶的管路安裝精度，確保管路安裝質量和安裝效率。

一、研究內容

針對鈦合金管路焊接過程中存在的一些技術問題，開展鈦合金管路焊接技術研究，具體研究內容如下：

（1）焊接工藝參數對管路焊接接頭性能影響分析

通過開展不同焊接速度和氬氣流量下的管路焊接試驗，檢查管路焊接接頭的宏觀和微觀成型情況，測試焊接接頭的拉伸和彎曲性能。

（2）焊接順序對管路安裝精度影響分析

選取典型管路為研究對象，在同一焊接工藝參數下，采用不同焊接順序進行管路焊接，并在焊接前后分別檢查管路焊接變形情況，從而得出管路的優化焊接順序。

二、焊接工藝參數對管路焊接接頭性能影響研究

1、焊接試驗

選取TA2鈦管和TA2管對接接頭為研究對象，如圖1所示。管與管對接時的坡口型式、坡口間隙，如圖2所示。其中t=7mm，c=3mm。

結合TA2管材料物理性能特點，確定采用手工鎢極氬弧焊（TIG）、直流正接法焊接圖1中對接接頭的環焊縫。氬氣純度為99.99%；焊絲牌號為TA2焊絲，直徑為φ3mm。本試驗分3組進行，具體的焊接工藝參數如表1所示。

焊接試驗工藝要求如下：

①焊前應認真清除坡口內及其兩側各30~50mm范圍內的油漆、毛刺、油污、鐵銹等雜物。管段點焊固定，點焊間距為100~150mm。

②焊接前，將管路兩端進行封堵，填充氬氣。

③焊接時，兩名操作工同時作業，一名手持焊槍和焊絲進行焊接，另一名移動氬氣輸送管子，及時對焊縫進行氬氣保護。

④焊接后，繼續采用氬氣對焊縫進行保護3~5min。

2、宏觀和微觀焊縫成型質量檢測試驗

3組對接管子焊接試驗完畢后，分別進行焊縫宏觀和微觀質量檢測，具體檢測內容如下：

①目測觀察焊縫表面成型情況，是否有氣孔、裂紋、溝槽等缺陷，尤其注意觀察焊縫顏色。

②分別采用滲透（PT）和X射線（RT）檢測法檢測焊縫內部成型情況。

3、拉伸試驗

本試驗采用縱向弧形試樣進行拉伸力學性能分析，圓管的拉伸縱向試樣取樣位置見圖3，焊縫位于試樣中部。

在每組對接管子上分別取2個拉伸樣件進行拉伸試驗，試驗按照《GB/T2651-2008》規定執行。

4、彎曲試驗

彎曲試驗分為正彎和反彎兩種。每個焊接管子分別取2個正彎樣件和2個反彎樣件進行彎曲試驗，彎曲角度為90°，彎曲直徑為100mm，試驗按照《GB/T2653-2008》規定執行。

三、焊接順序對管路安裝精度影響研究

選取典型TA2鈦合金管路為研究對象，該管段中含有法蘭、直管、彎管三部分，具體如圖4所示。

現確定3種管路焊接順序，具體如表2所示。利用表1中的第2組焊接工藝參數，分別開展3種焊接順序下的管路焊接變形試驗。

分別針對三種方案下的管路焊接變形情況進行測量，分析管段焊接前后的焊接變形情況。管路變形測量分焊接前和焊接后兩個階段，重點關注圖5及圖6中的特征點。

四、研究結果分析

1、焊接工藝參數對管路焊接接頭性能影響分析

①焊縫成型分析

通過觀察宏觀形貌，發現第一組管子的焊縫成型較好，焊縫表面沒有咬邊、未熔合、焊瘤、燒穿等缺陷，如圖7所示。第二組管子，焊縫寬度略微偏大。但是焊縫表面仍沒有燒穿、焊瘤等缺陷，如圖8所示。第三組管子，說明焊縫表面已氧化。焊縫表面無未熔合、焊瘤等缺陷，如圖9所示。

經檢測，發現三組管子接頭處無損檢測等級均為Ⅰ級合格，焊縫表面無任何焊接缺陷，焊縫內部僅有一個圓形缺陷。

對比不同焊接工藝參數下的焊縫層數和道數，如表3所示。

②拉伸和彎曲性能結果分析

不同焊接工藝參數下管子接頭的拉伸性能結果，如表4所示?？芍N焊接工藝參數下管子接頭的抗拉強度均較好，均斷裂在母材處。

由表5和圖10可知，當管子彎曲90°后，三種焊接工藝參數下管子焊接接頭的彎曲性能均較好，管子焊接接頭彎曲性能均合格。

2、管路焊接順序對其安裝精度影響研究

通過測量管路在焊接前后的變形值，得出三種焊接順序下典型測點的焊接變形數據，如圖11所示。

由圖11可知，在三種焊接順序下，管路的焊接變形趨勢大致相同，相對于測量基準點來說，越靠近測量基準點，管路的焊接變形越小。從整體上看，管路1的焊接變形較小，故管路1對應的焊接順序較優。

五、結論

文中通過開展鈦合金管路焊接技術研究，明確了不同焊接工藝參數對管路焊接接頭性能的影響情況，掌握了焊接順序對典型管路安裝精度的影響，可有效解決鈦合金管路焊接技術難題，保證鈦合金管路焊接接頭力學性能，達到提升工廠鈦合金管路焊接水平，提高管路安裝質量的效果。

參考文獻

[1]顧紀清，陽代軍.管道焊接技術[M].北京：化學工業出版社，2005.

[2]劉洋，陳健等.艦艇管路系統振動噪聲控制探討[J].機電工程技術，2022，51（11）.

[3]宋德軍，牛龍，楊勝利.船舶海水管路鈦合金應用技術研究[J].稀有金屬材料與工程，2020，49（3）.

[4]楊萬國，董彩常等.鈦合金海水管路系統材料腐蝕特性研究[J].裝備環境工程，2019，16（11）.

[5]何磊.鈦合金海水管路腐蝕與污損防護研究進展[J].材料開發與應用，2017，32（3）.

[6]厲文墨，蔣健博等.鈦鋼復合板TA2鈦復層表面潔凈處理工藝[J].材料與冶金學報，2022，21（5）.

[7]劉播.鈦鋼復合板焊接接頭應力應變場有限元分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

相關鏈接