钛合金叶轮裂纹的补焊修复

钛合金叶轮裂纹的补焊修复

李晓明 何世军

兰州石化公司 建设公司培训中心 甘肃兰州 730060

摘要：

兰州石化公司催化剂厂三套微球装置钛合金叶轮经过长时间的使用，因腐蚀导致叶轮的平衡块发生裂纹、脱落，造成叶轮整体运转失衡，装置运行不稳定、且噪声大，急需维修、维护。本文主要介绍钛合金裂纹的补焊、修复方法。

关键词：钛合金叶轮；裂纹；补焊方法

正文：

钛及钛合金作为结构材料有许多优点，如比重小、抗拉强度和屈服强度高，在300~500℃下仍具有足够高的强度，在海水及大多数酸碱盐的介质中均具有优良的抗腐蚀性能，在航空、化工、核工业上日益获得广泛的应用。钛材具有优良的耐腐蚀性能，可用于其它金属材料难以胜任的高氯离子浓度介质下工作的设备。兰州石化公司催化剂厂三套微球装置主风机的钛合金叶轮经过长时间的使用，因腐蚀导致钛材焊接的平衡块发生裂纹、脱落，造成整体叶轮运转失衡，装置运行不稳定、且噪声大，急需焊接、修复。

1、钛合金的焊接特点：

1.1   气体等杂质污染引起的接头脆化：

常温下钛材是很稳定的，但随着温度升高，钛焊缝吸收氢、氧、氮的能力随之也明显上升。试验研究表明, 钛材一般从250℃开始就吸收氢、氧、氮，在焊接时，温度越高，保温时间越长，焊缝塑性则越差，所以在焊接钛材时，如采用氩弧焊接，普通的焊枪是不能满足要求的，因为它不能使焊缝得到有效的保护，普通焊枪形成的保护气只能保护焊接熔池，对于处于已凝固的高温区的焊缝及热影响区, 不能提供保护，就会造成高温焊缝及热影响区吸收氢、氧、氮等气体。氮、氧和氢的侵入均能在焊缝形成间隙固溶体，使焊缝的强度提高，降低焊缝的塑性及韧性，而氢还会显著降低焊缝的冲击韧性进而使焊接接头脆化。因此，焊接时要对于400℃以上的高温区给予充分的保护，包括焊缝背面。

1.2    焊接接头裂纹

当焊缝氢、氧、氮、碳的含量较高时，焊缝及热影响区会变脆，在较大焊接应力作用下会出现裂纹，这些裂纹一般是在较低温度下形成的，产生原因主要与焊接区气体的保护及待焊工件表面的清理有关。对于钨极氩弧焊而言，良好的气体保护，彻底地清理干净待焊区域，即可避免裂纹的产生。

1.3    焊接气孔

钛材焊接时的气孔形成原因主要是在保护气及母材焊丝中含有的氢、氧、氮、水等杂质，工件表面或焊丝上的油脂、氧化物等污染未能清理干净。所以消除气孔形成的方法就是要使用较高纯度的氩气进行保护，一般纯度要达到99.99%，并对焊接时400℃ 以上的区域进行充分的保护，同时焊接前仔细清理焊丝、坡口、工件上的油脂等氧化物。

2 补焊工艺要点

2.1    焊接环境：钛材的焊接应在清洁的环境中进行，严禁在含有铁、磨料粉末、灰尘的空气中施焊。焊接时应避开通风口和敞开的门窗，防止外界气流对保护气的影响。

2.2    裂纹清除和清理：对裂纹宜采用机械工具进行彻底清除，补焊附近20mm 范围应使用不锈钢丝刷清理干净。机械清理后应先用酸对待焊部位进行反复清洗30分钟，最后再用丙酮清洗上述表面并擦拭干净。

2.3    氩气保护：对熔池及处于400℃ 以上的区域（包括焊缝背面）进行良好的氩气保护。需要采用大喷嘴焊枪, 一般喷嘴直径为Φ16mm左右，喷嘴内应设置气体透镜以确保保护效果。另外需根据实际焊接结构，设计制作气体保护装置，除了喷嘴氩气保护外，还应设置拖罩保护以保护凝固的高温焊缝，制作反面保护罩以保护焊缝背面，在焊接时，背面保护装置应随着正面焊接同时移动。由于该叶轮补焊的背面是一个空心结构，在焊接过程中可以对空心结构进行封堵并充氩气进行保护。

2.4 补焊时要采用小电流、断弧焊，层间温度要控制在100℃以下。

3  焊接材料及规范

3.1焊材的选择一般是要求焊材的成分与被焊钛材相匹配，但为了改善接头性能，有时也可选用屈服强度低于母材的焊接材料。焊材选用与母材等成分的TA2（AWS 为ERTi-2）焊丝。

3.2在确保严格清理干净待焊区域及保护气良好的情况下，采用下表规范进行焊接。

4 焊接设备：

5 质量控制

5.1焊缝保护效果判断：银白色为保护最好；浅黄色为轻微氧化；蓝色表示氧化严重；灰色则为极差，按不合格处理。

5.2 焊后对焊缝表面进行着色探伤，判定是否存在裂纹。

结束语

钛焊接叶轮裂纹补焊修复时，焊接环境的清洁、焊前对焊丝和工件的清理、焊接时保护气体的纯度和400℃以上高温区域的有效保护是影响焊接质量的重要因素。从补焊的结果可以看出，焊接接头性能满足技术要求，质量良好，经过补焊的叶轮已经正常运转一年多，证明焊接采用的焊接工艺参数合理、可靠，可以用于同类产品的修复焊接。

参考文献

（1）中国机械工程学会焊接学会.焊接手册（第三版）.北京: 机械工业出版社，2007.10

（2）周振丰，张文钺.焊接冶金与金属焊接性[M].北京: 机械工业出版社，1987.