杨志新，赫 斌，黄乃宁，萧 峰，高 爽

(沈阳仪表科学研究院有限公司，辽宁 沈阳110043)

摘要 介绍了特种材料波纹管焊接保护措施的重要性，为焊接保护过程设计并制作了焊接保护装置。通过试验及生产验证，为解决钛合金波纹管的焊接提供了一种低成本的工艺装备。

关键词 阀门;波纹管;焊接;焊接保护装置

1 概述

在某阀门项目中，不锈钢波纹管截止阀工作一定时间后(约2a)即需要更换阀组零件，造成系统的停机及损失.为此设计一种钛合金波纹管截止阀，该截止阀可以保证系统工作5a内不需要更换阀组零件，提高了阀门的使用寿命.钛合金波纹管组件在空气中氩弧焊接后，波纹管焊缝中N元素含量检测超出项目要求，并无法通过高温腐蚀试验。

为保证波纹管组件能满足项目要求，设计了一种钛合金波纹管焊接保护装置!通过在该装置内进行钛合金波纹管组件焊接，波纹管组件通过所有后续检测及试验，满足项目要求。

2 钛合金波纹管焊接

2.1 相关元素影响

在α钛中，O的最大溶解度为14.5 %，在β钛中为1. 8%，N则分别为7%和2%。O和N间隙固溶于Ti中，使晶格畸变，变形抗力增加，强度和硬度增加，塑性和韧性降低。H对钦焊缝和接头力学性能的影响较大，ω(H)从0. 010%增加到0. 058%，焊缝金属的脆性转变温度大约升高40℃。随着H含量的增加，焊缝金属冲击韧度急剧降低，而塑性下降较少，说明是氢化物引起的脆性。

铝合金焊接时，由于熔池和低温区母材中的H向热影响区扩散，引起热影响区氢含量增加，热影响区可能出现延迟裂纹。随焊缝金属H含量的增加，形成起源于气孔裂纹的时间减少。

2.2 焊接过程

钛合金钨极氢弧焊焊接分为敞开式焊接和箱内焊接。敞开式焊接即普通氢弧焊，采用焊枪喷嘴、拖罩和背面保护装置通以适当流量的氢气，将焊接高温区与空气隔开，以防空气沾污焊接高温区。

喷嘴结构和尺寸对焊接质量影响很大，喷嘴结构不合理时，会出现涡流或挺度不大的层流，前者会带入空气，后者则因干扰破坏层流，同样也会混入空气。空气进入电弧区，使焊缝金属冶金质量变坏，外观差。

箱内焊接即真空焊接充氢箱内焊接，除了具备普通氢弧焊的特点，其箱体内为氢气保护氛围，即便焊接过程中周围空气混入焊缝高温区，仍为氢气保护氛围。真空焊接充氢箱设备价格较高，对钦合金焊缝要求较高项目适合采用此种焊接方法。

真空焊接充氢箱设备不经济，同时，直接采用普通氢弧焊接又不能起到可靠的保护作用，加之结构的特殊性，无法进行焊缝背面的氢气保护。针对以上的技术难点，结合该项目的实际情况，简易的焊接充氢设备即能解决采购的高成本问题，也可解决钦合金焊缝的保护。

3 简易焊接充氢装置

3.1 工作原理

图1 简易焊接充氛设备

简易焊接充氢装置(图1)腔体采用焊接与胶结相结合制备而成，四周及底端采用不锈钢制造，通过焊接的方式进行连接。装置顶端为钢化玻璃，用胶接的方式与不锈钢连接，并与变位机连接，形成了一个变位机旋转部分位于腔体内的结构。焊接电缆压盖将焊枪引入腔体内。通过手套压盖将工件放入腔体内，随后将手套及工件装夹完毕。氢气由入气孔进入。由于氢气较空气密度大，空气将随着氢气的通入不断被推向上方，并经出气孔排除。腔体内氢气纯度随着时间的增加而增加(若没有检测氢气纯度的设备，暂规定焊接前通入氢气的时间为二倍的腔体体积比氢气流量)。达到规定的通气时间后，通过手套控制焊枪的起弧、焊接及收弧操作。焊接过程中，入气孔继续通入氢气，直至所有零件焊接完成后，停止通入氢气。

3.2 焊接试件验证保护效果

分别采用普通氢弧焊接和简易焊接充氢装置内氢弧焊接相同的钦合金试件，试件焊缝选取2点进行能谱分析。检测结果显示普通氢弧焊焊接的焊缝N含量分别为1. 27%，1. 28%。检测结果显示简易焊接充氢装置内氢弧焊焊接的焊缝N含量均为0%。通过对比可知简易焊接充氢装置内氢弧焊焊接的焊缝满足设计要求。

3.3 产品检测

根据试件焊接结果，产品采用简易焊接充氢装置内氢弧焊焊接。产品焊缝经过检测，满足工况使用需求，同时经过后续水压、气密及疲劳寿命一系列试验，焊缝完好，未见异常。

4 结语

目前，真空焊接充氢设备广泛应用于有色金属焊接过程。然而，对某些特定产品，采购该设备从经济上增加制作成本，可采用自制简易焊接充氢设备。简易设备并不需要抽取真空，仅需要从设备底端通入氢气，顶端设置出气孔，保持通入一定时间后，箱体内环境可以认为是一个氢气保护氛围。在这个氛围内进行氢弧焊接，效果较空气中直接焊接，保护效果更好。通过实际产品验证，钦合金波纹管在简易保护箱内焊接可以有效控制其焊缝中N元素的混入，保证焊缝接头的质量和设计要求。