ASTM B708 R05252鉭板焊接工藝研究

姜成軍* 王 偉 沈 俊

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院）

0 前言

R05252 為ASTM 標準中的鉭板牌號，對應于國內標準牌號為TaW2.5 的鉭鎢合金。鉭是難熔金屬，其密度大、導熱性好、線膨脹系數小、彈性模量高，且具有較好的高溫強度和機械加工性能。由于鉭具有良好的耐腐蝕性且鎢的熔點較高，鉭板產品主要用于腐蝕性環境。鉭鎢合金在大多數無機酸中耐蝕性能非常好，除了氫氟酸、氟、發煙硫酸和堿外，能耐受大多數化學介質的腐蝕[1]，在硫酸工業中具有重要用途。

鉭材較稀有且價格昂貴，所以通常板材較薄，鉭板材的應用形式主要是復合板或襯里。然而鉭制復合板或襯里焊接比較困難，因為鉭和鋼的熔點相差較大，鉭材的熔點為 2 996 ℃，鋼材的熔點為1 400 ℃，在焊接時經常會發生鉭材還未熔化，而鋼材已熔化成鐵水的現象[2]。因而在實際生產過程中通常采用鉭襯壓力容器，即鉭襯里件焊接成型后再與被襯工件表面采用鉭螺釘、鉚接、釬焊等方法連接。

鉭鎢合金可以用電子束、惰性氣體保護焊、釬焊等方式焊接，材料厚度為1 mm 以下時常采用自熔焊焊接，厚度為1 mm 以上時常采用板材剪絲作為焊絲焊接，R05252 鉭板采用GTAW 氬弧焊剪絲焊接。鉭鎢合金焊縫冷卻速度慢，可塑性較低，易產生焊接熱裂紋，因此采用正反面氬氣保護和低熱輸入的方式進行GTAW 氬弧焊，使熔敷金屬少接觸空氣，降低產生脆性化合物或熱裂紋的傾向。目前我國沒有關于鉭制承壓設備的相關制造和焊接標準，因此按照安全技術規范要求，應驗證該焊接工藝試驗項目符合規范標準規定和設計要求。

1 R05252鉭板試驗條件

廢硫酸濃縮裝置中使用的R05252 鉭板為退火態，厚度t ≤2 mm，試驗選用鉭板母材厚度為2 mm，以覆蓋不超過4 mm 厚度的R05252 母材焊縫焊接工藝來進行評定?，F將試驗鉭板采用氬弧焊GTAW 板材剪絲焊接工藝進行焊接，并對得到的力學性能、彎曲性能和耐腐蝕性能進行試驗，試驗鉭板可見圖1。

1.1 坡口形式

鉭板焊接坡口型式主要根據接頭位置、板材厚度、焊接方法以及耐腐蝕性能來確定。厚度4 mm 以內的鉭板盡可能選用I 形坡口，減小其焊接變形量和殘余應力[3]。焊接時采用帶氣體透鏡的拖罩和墊板保護焊，以紫銅板作為墊板和壓板，焊接試驗采用的試樣工裝和組對情況可見圖2。

圖1 焊接試驗鉭板

圖2 焊接試驗試樣的工裝和組對圖（單位：mm）

1.2 鉭板化學成分與力學性能

試驗采用的R05252 鉭板化學成分可見表1，力學性能可見表2。

表1 R05252鉭板化學成分（質量分數） %

表2 R05252鉭板力學性能

在高溫環境下，R05252 鉭板會從環境中吸收C，H，O，N 等元素并形成脆性化合物，少量的氣體雜質就會顯著影響鉭板的力學性能和耐腐蝕性能，因而用于焊接的鉭材應確保其純度，焊接選材及焊接過程中要嚴格控制C，H，O，N 等雜質的含量[4]。焊接前，焊接坡口及其正反兩面25 mm 厚度范圍內應采用磨削或機加工方法去除氧化皮，然后用丙酮洗去污垢，再用酸洗液進行酸洗。酸洗后必須用水沖洗，然后用蒸餾水漂清并用強熱風吹干，確保鉭板及待焊坡口表面潔凈。

另外，這種退火態鉭板焊接時鉭鎢合金冷卻速度慢，焊縫延展性降低，增大了其產生熱裂紋的傾向，因此試驗鉭板需考慮母材的晶粒尺寸，采用晶粒尺寸小于等于ASTM 5 級的細晶粒，本次試驗鉭板晶粒尺寸為3 級。

1.3 焊接材料選用

采用母材剪切絲料作為進行焊絲GTAW 鎢極惰性氣體保護焊，將同爐R05252 鉭板剪絲后作為焊絲，避免焊縫因成分不純而性能不佳。采用鎢極橫向擺動脈沖電流惰性氣體保護焊，可使焊縫及熱影響區晶粒細化，且焊縫晶粒由柱狀變為等軸狀，從而顯著提高焊接接頭的塑性，避免硬度過高。

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1.4 焊接工藝參數

GTAW 焊接鉭板時常采用小鎢極直徑、低熱輸入、多道焊的焊接工藝，對于I 型接頭應優先選用直流正極，焊道以稍凸為佳[3]。R05252 鉭板的GTAW 焊接工藝參數如表3 所示。

表3 GTAW焊接工藝參數

鑒于鉭材的焊接特性，不僅應在下料、坡口加工、成形等工序中嚴格遵循工藝要求，而且在焊接環境、焊前清理和焊接保護方面也應滿足特殊要求：首先，焊接場地應為封閉的清潔獨立區域，防止焊接時被油污、灰塵或風干擾；其次，采用純度不小于99.99%的氬氣及專用保護托罩加雙面通氣保護的方式來避免空氣進入。焊接時應盡可能縮短焊接接頭在高溫下的停留時間，焊后冷卻時也應對焊接區進行嚴格保護，從而確保焊縫的力學性能及耐蝕性能。

1.5 焊后熱處理

為了降低使用過程中焊接接頭發生腐蝕失效的風險，應按照所有承壓部件的制造熱處理狀態，對鉭板焊接試樣進行機械加工，根據設計文件將其分成2塊進行焊后模擬熱處理。焊接試樣分成2 種：1#樣品參照筒體保持焊接態，2#樣品參照封頭焊后進行1 200 ℃真空退火處理，保溫時間為1 h。

2 試驗結果及分析

參照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》標準規定，對這2 塊鉭板焊接試樣進行試驗。

2.1 焊接接頭性能試驗

R05252 焊接接頭的相關性能試驗結果可見表4。

由表4 可知，1#試樣和2#試樣力學性能和彎曲性能良好，符合NB/T 47014—2011 標準規定。拉伸試樣的斷裂強度都低于母材，斷裂部位比較一致，都位于靠近焊縫邊緣的熱影響區，而熱影響區的組織常為粗大的再結晶組織，這種組織會導致裂紋產生甚至造成斷裂。表 5為試樣硬度試驗結果，1#和2#試樣相同取點部位的硬度值相差不大，總體上1#試樣硬度值小于2#試樣，且試樣硬度值排序為母材處＜熱影響區處＜焊縫處，但均未發生較大的波動。分析后認為，焊接接頭的組織硬度變化一定程度上反映了接頭各部分顯微組織變化情況，顯然2個試樣熱影響區未發生明顯的組織脆化和劣化現象，這對整個接頭組織和力學性能是有利的。

表4 焊接接頭的性能試驗

表5 焊接接頭硬度試驗

2.2 金相檢驗

焊接過程直接影響焊縫金屬和熱影響區的宏觀組織和顯微組織，以及焊接接頭的性能。通過焊接接頭金相檢驗能夠分析出焊縫各區城的組織和存在的焊接缺陷。焊縫截面試樣打磨拋光后，經10 倍放大鏡觀察，R05252 鉭板氬弧焊焊縫組織均無裂紋、未焊透、未熔合等明顯缺陷，如圖3 a），圖3 b）所示。經王水溶液浸蝕，放大200 倍后觀察，觀察到金相基體組織為鉭鎢固溶體，焊縫組織晶粒明顯長大，且為典型的胞狀樹枝晶組織，焊縫兩邊的熱影響區為再結晶組織，焊縫區和熱影響區均未見顯微裂紋及其他缺陷，如圖3 c）～圖3 f）所示。

圖3 1#與2#焊接試樣的宏觀組織和金相組織

2.3 晶間腐蝕試驗

鉭板焊縫需要接觸硫酸等腐蝕性介質，為了評定其耐腐蝕性能，需要對焊接接頭進行晶間腐蝕性能試驗。將1#與2#試樣打磨拋光后，浸入沸騰的硫酸鐵溶液中并腐蝕120 h，按照設計文件要求，參照GB/T 15260—2016《金屬和合金的腐蝕鎳合金晶間腐蝕試驗方法》標準中的A 硫酸鐵-50%硫酸法對鉭板焊縫進行晶間腐蝕試驗。試驗表明1#，2#試樣彎曲后試樣外側表面沒有裂紋，均通過了晶間腐蝕檢驗，具體結果可見表6。

表6 試樣晶間腐蝕試驗

3 結論

本文分析了R05252 鉭板的焊接性能，采用了氬弧焊GTAW剪絲焊接，對得到的焊接接頭進行了2種焊后熱處理工藝的力學性能，彎曲性能和耐腐蝕性能試驗，并進行了研究分析。結果表明，無論是焊接態還是焊后退火態， GTAW焊接工藝均可獲得性能良好的焊接接頭，其金相組織結構正常，腐蝕性能合格。

實際板厚為2 mm 的R05252 鉭板襯里壓力容器制造時，采用表3 中的GTAW 焊接工藝，容器檢驗和焊接試板性能均符合設計要求。試驗結果表明，在壓力容器薄層鉭內襯的焊接過程中，合理的結構設計、合適的工藝參數和嚴格的焊接保護措施，是保證鉭板焊接質量的關鍵，試驗和評定結果對指導鉭制壓力容器焊接工藝制定和實際生產具有重要意義。