钽复合板设备的焊接技术研究

时间：2024-05-22

林金峰* 王胜辉张蒲根

（上海市特种设备监督检验技术研究院）

0 前言

金属钽是一种稀有金属，在自然界中的含量很低，主要通过电子束或真空电弧熔炼而成。其熔炼时能耗较高，因此价格昂贵。钽在常温下性能稳定，其线膨胀系数小、延展性好、导热率高，且具备良好的高温强度和加工性能。钽的耐蚀性优于钛、锆、铌，除发烟硫酸、氢氟酸等介质外，钽在大多数工业酸中的耐蚀性能非常好。钽对缺口敏感性不强，不易发生腐蚀疲劳等局部腐蚀，腐蚀类型为均匀腐蚀[1]。因此，钽在石油化工设备中应用时主要是以钽复合板和衬里结构的形式[2]。

钽覆层或钽管的焊接过程是制造钽复合板设备的关键步骤，因此解决钽的焊接问题是钽在化工容器中广泛应用的前提。本文对钽材的力学性能进行了分析研究，介绍了钽复合板设备的3 种连接结构和相关焊接研究，并提出了钽焊接过程的主要控制要点，作为生产过程的技术参考。

1 钽的力学性能试验

拉伸试验依据GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1 部分：室温试验方法》附录B，采用厚度为0.5 mm 的矩形截面非比例试样，其横截面尺寸为15 mm×0.5 mm，原始标距为30 mm，拉伸速率为2 mm/min，如图1 所示。试样1 的拉伸试验曲线如图2 所示。材的规定。平均上屈服强度和平均抗拉强度分别为292 MPa 和294 MPa，上屈服点数值上与抗拉强度相近，平均断后伸长率为55.3%。平均维氏硬度HV0.3为117.4，可见表2。

图1 拉伸试样

图2 试样1的拉伸试验曲线

表1 钽板拉伸试验结果

表2 钽板的维氏硬度测试结果

由试样拉伸曲线可见，跟碳钢比，钽材的弹性阶段曲线斜率大，即钽比碳钢的刚度更大；钽的上屈服点较高，数值上与抗拉强度相近；在拉伸过程的应变强化阶段，随着变形增加，载荷增加的幅度相对平缓，平均断后伸长率可达到55%，这与碳钢有一定区别。

由图3 中的扫描电镜照片可见，试样母材为纤维状组织，且有轧制痕迹。拉伸宏观断口显示，拉伸断口平整，有一定颈缩，断口表现出一定脆性特征，这是拉伸变形的引起材料应变强化所致。平均断后伸长率达到55.3%，说明变形率大，塑性良好。

图3 拉伸断口扫描电镜

2 钽设备的焊接

衬钽或钽复合板压力容器的设计和制造暂没有国家标准，企业一般参照GB 150—2011《压力容器》，GB 151—2014《热交换器》，NB/T 47011—2010《锆制压力容器》等标准有关条款，结合工艺特点等信息来制定企业标准从而指导生产。在首次设备制作前，应进行焊接工艺评定，确定合适的焊接工艺参数，必要时可增加接头金相组织分析、力学性能测试和管接头拉脱力试验等。对施焊人员的能力要求由企业制定，可参照TSG Z6002—2010《特种设备焊接操作人员考核细则》等相关标准规定。

2.1 钽复合板设备的焊接特点

为了降低成本，复合板中钽的厚度应尽可能小[4]。设计时，应选择以碳钢为基层来承担强度载荷，以钽为覆层解决耐腐蚀问题，强度计算时一般不考虑钽厚度。钽的熔点为2 996 ℃，而钢的熔点约为1 500 ℃，钽与钢的熔点相差悬殊，对焊接十分不利，尤其是随着钽材厚度减薄，焊接难度进一步增大[5]。

钽-钢复合板结构如图5 所示。在钽覆层施焊过程中，可能引起基层钢材熔化，在高温下发生共晶反应，形成脆性钽-铁金属间化合物，或在焊接应力作用下产生裂纹，裂纹沿熔池向基层扩展，严重时可导致贯穿性裂纹。图6 所示的界面温度与复层厚度之间的关系表明，增加钽材的厚度，可以降低界面温度，防止焊缝开裂；当钽层厚度≤2.0 mm 时，钢发生熔化，铁元素高温扩散到焊缝导致裂纹产生，而当钽层厚度＞2.0 mm 时，可以完成钽-钢复合板的焊接工作，故建议采用复层厚度为2.5～4 mm[6]。

图5 钽-钢复合板结构图

图6 界面温度与复层厚度关系图

图7 所示为钽-钢复合管板与钽管的焊接结构。有研究对该结构进行数值模拟，结果表明，氩弧焊焊接线能量为280 J/mm 时，焊接温度分布是以焊缝熔池为中心的一个扇形区域，温度由内向外递减，熔池处温度最高，约为3 000 ℃；钽管的厚度对焊接温度场影响不大；当管板的钽复层厚度为2 mm 时，界面温度超过1 500 ℃，会引起基层钢熔化，而复层厚度为2.5 mm 时，界面处的最高温度低于1 500 ℃，基层钢不会熔化[7]。

图7 钽-钢复合管板与钽管的焊接结构图

此外，钽对空气中的N，H，O 等元素比较敏感，当温度超过250 ℃时，钽就会与其发生反应，生成脆性化合物，从而使焊缝硬度提高，塑性下降。因此，为了保证焊接质量，施焊环境和焊接工艺的控制要求较高。

为了保证上述两种结构的焊接质量，采用氩弧焊焊接时，覆层厚度至少应为2.5 mm。

2.2 钽-钛（铜）-钢三层复合板的焊接要点

钽-钛（铜）-钢三层复合板结构如图8 所示。三层复合板采用钛或铜作为过渡层，钽作为覆层，钢作为基层承载，这是因为钽与钛（或铜）高温下不会形成脆性金属间化合物，同时也容易与钢结合。采用三层复合板时，钽的厚度没有不少于2.5 mm 的要求，其厚度可以更小，进一步降低了材料成本，因此三层复合板比钽-钢复合板具有更加明显的优势。

图8 钽-钛（铜）-钢三层复合板结构

钽-钛（铜）-钢三层复合板的基层焊缝采用对接焊接，覆层焊缝采用垫条和钽盖板的组合。垫条一般采用钽或钛，当采用钛垫条时，可以对钛垫条和覆层进行密封焊。学者分别对钽-钛（铜）-钢三层复合板进行焊接研究，结果表明：选择合适的焊接热输入，虽然焊缝和热影响区的晶粒有一定增长，但过渡层和钢未发生互溶，可以保证钽焊缝质量[1,8-9]。

通过查阅相关的资料和技术分析表明，进行以下有效的焊接控制措施，是确保钽制多层复合板焊缝质量的关键。

（1）钽材应独立存放，避免与其他金属接触发生污染；

（2）焊接场地应选择清洁的独立区域或洁净厂房，由焊接工程师指定的焊工施焊；

（3）焊接过程采用纯度为99.99%以上，露点≤-50 ℃的高纯氩气作为保护气，并通过检漏孔、枪嘴、专用保护拖罩三面通气保护；

（4）严格按照工艺要求，采用机械清理和脱脂处理（乙醇或丙酮）的方式，清除焊接坡口及其两侧30～50 mm 区域内的氧化物、油污等污染物，清理完毕后应立即施焊；

（5）垫条安装时应先修磨，保证其与基层贴紧，一般与覆层平齐；

（6）在焊接过程中，要严格按照焊接工艺要求，控制焊接热输入，防止焊缝晶粒粗大，多层焊接时，一般应控制层间温度不超过100 ℃；

（7）焊后应进行宏观检验，焊缝及热影响区必须为银白色；

（8）对钽贴条焊缝进行渗透检测，并通过检漏孔在钽盖板和复层间通入氮气，对其进行气密性试验，无泄漏则为合格。