换热器用钛焊管具有密度小，比强度高、耐海水腐蚀性能优良等特点，在海水冷却系统管道中可以大批量使用，例如核电站和滨海电站，钛焊管的使用在保证热交换效率同时，提高了设备使用寿命，带来显著经济效益[1-3]。纯钛在焊接时容易受到环境污染，对焊接环境要求较高，在充分氩气保护气氛下可以获得良好的焊接接头[4]。钛管在焊接过程中的污染会导致焊接接头质量下降[5，6]，而焊缝的质量控制是生产钛焊管的重点[7]。目前换热器用薄壁钛焊管多采用自动钨极氩气保护焊（TIG焊）。用自动钨极氩气保护焊（TIG焊）生产钛焊管过程中，时有出现一种类型缺陷管。该缺陷目视在焊管外表面有焊缝箭头、内表面焊缝焊道有变化，在外表面箭头根部可见有黑色异物，进行涡流探伤检测，管材报警不能满足ASTMＢ338标准[8]，需报废处理，因而造成生产成本增加。
为此，对该类型焊接缺陷进行分析，找出产生原因，制定改善措施，提高钛焊管生产过程的焊缝质量。
1、基本信息
1.1 试验材料
实验材料为生产过程中涡流报警的Gr.2钛焊管，规格为φ22.0mm×0.5mm。其带材化学成分（质量分数，％）为，C0.012，O0.108，N0.003，H0.002，Fe0.017，其他单个最大≤0.1，总计最大≤0.4。钛焊管表面目视可见内外表面焊道变化，外表面可见箭头形状变化，在箭头根部可观察到有缺陷。典型形貌如图1所示。
1.2 方法及设备
钛焊管的生产工艺流程为：带材→清洗→剪切端焊→清洗→冷弯成形→焊接→一次定径→在线退火→二次定径／矫直→涡流探伤→激光测径→定尺切断→超声波探伤→精切→端头去毛刺→水下气密试验→表面风干→表面检查。其中焊接工艺为直流正接自动钨极氩弧焊，采用的焊接设备为米勒ＭＡＸＳＴＡＲ700焊机。为防止焊接过程中环境对焊缝影响，在焊缝背面（焊管内壁）、焊枪、焊合室内通氩气（纯度≥99.99％）进行保护。带材经过清洗、成型冷弯卷曲成管状后在焊合室内焊接。焊接用钨针直径为3.2mm，钨针伸出长度为9mm，焊接速度6.0m/min，焊接电流180Ａ，电压12Ｖ，焊枪氩气流量为10L/min，焊合室氩气流量为15L/min，焊缝背面保护气流量为10L/min。
在钨针尖持续使用24ｈ后，进行跟踪取样。切取2个带缺陷的典型试样，采用XJA-6Ａ金相显微镜对钛焊管焊缝轴向、纵向进行了金相组织观察。切取3个带典型特征缺陷的试样，使用ＺｅｉｓｓＭｅｒｌｉｎＣｏｍｐａｃｔ场发射扫描电子显微镜和ＯｘｆｏｒｄＡＺｔｅｃＸ-Ｍａｘ50能谱仪对焊缝夹杂缺陷处外表面形貌和成分分析。
2、缺陷处组织分析
2.1 金相组织分析
图2（ａ）为钛焊管缺陷图片，可以清楚的看到箭头形状及箭头根部的黑点。焊缝缺陷处显微组织在轴向图2（ｂ）及纵向图2（ｃ）方向，焊缝区主要为粗大的板条状α相以及针状α相。焊缝轴向区域内并没有发现气孔、夹杂等缺陷。在焊缝纵向显微组织中，有不规则形状夹杂物嵌在焊缝表面组织内。
2.2 扫描电镜及能谱分析
对缺陷样进行扫描电镜和能谱分析。3＃、4＃、5＃样的扫描电镜形貌如图3所示。缺陷处和非缺陷位置能谱分析结果见表1。从扫描电镜照片中，可以明显看到焊管表面黑点处存在有不规则形状异物嵌入在焊缝中，其大小不一。3＃（ａ）、4＃（ｃ）、5＃（ｅ）缺陷处的能谱分析结果表明，该处含有大量的碳、氧、钨元素。缺陷物旁边位置能谱分析主要元素为钛。
3、讨论分析
3.1 夹杂物成分来源
结合生产情况，对元素来源进行分析。试验用的纯钛带是以海绵钛为原料，经熔炼板坯、热卷轧制、酸洗、冷轧、脱脂、退火等工序生产而来[9]。纯钛带，从表1中元素成分上看其杂质元素主要为铁、氮、碳、氧、氢元素。这些杂质元素中氮、氧、碳是α相稳定元素，以间隙原子的形式有限固溶于α相中，铁主要以置换原子的形式有限固溶于α相中[10]。这些杂质元素含量较低，并均匀分布在钛带中，在高纯氩气保护气氛下焊接，过程中无法形成上述样品管中的夹杂缺陷。
在轧制过程中会使用轧制油，轧制完成后进行脱脂、退火。如果脱脂不完全，会导致带材表面残留有油污[11]。脱脂异常带材，在焊接时由于带材受热形成大量的黑烟，钨极烧损。从钛带到钛焊管生产工艺过程中分析，在其他各工序内都未有钨元素参与。因此，从钛焊管生产过程进行分析，分析能谱结果中夹杂缺陷内钨元素主要来源于钨极，碳、氧元素主要来源于带材表面残留油污。
3.2 夹杂物产生原因分析
综合试验结果及生产实际焊接分析，认为该类型夹杂缺陷的产生原因是，焊接过程中，由于焊接带材表面有残留油污、钨针尖伸出长度过长、氩气保护效果欠佳，从而在钨针尖表面出现烧损，氧化物聚集如图4所示。可以看出，钨针尖在使用一段时间后，针尖完好，在钨针尖锥角根部处，可见白色灰状物质，轻触掉落类似炉渣。钨极氩弧焊中，钨极在氩气保护良好情况时，烧损慢，当带材表面残留有碳、氧、钨针尖伸出长度较长、氩气保护效果欠佳，带材表面碳、氧有机物在高温下挥发与钨极反应形成渣状物质覆盖在钨针上，从而引起钨极的烧损[12]，当氩气保护效果欠佳时，钨极烧损加快。当烧损达到一定程度时，部分脱落到焊接熔池中，引起焊接电弧波动，从而产生焊道内外表面出现箭头状变化，掉落物在箭头根部形成夹杂缺陷。
3.3 该类型焊接缺陷的控制
通过上述观察与分析，该类型焊接缺陷产生与控制，主要与带材清洁程度、氩气保护效果、钨针使用时间有关。因此，要减少该缺陷类型产生，主要考虑清洁带材及增强钨针尖的氩气保护效果。钛带加工过程中，严格控制脱脂工序，保证钛带表面清洁。钛焊管制造过程中增加焊枪氩气保护气流量，减少钨针尖伸出长度、增加修磨钨针尖频次，避免因钨针尖烧损，表面氧化物聚集掉落而产生夹杂缺陷的问题。
根据上述分析对带材进行清洁，对焊接参数进行调整，将焊枪保护气由10L/min调整到15L/min，钨极伸出长度由9mm调整到7mm，钨极修磨间隔由24ｈ调整到12ｈ。调整参数前，钨针使用后，烧损较严重，其钨针尖氧化物聚集较多；而调整后，钨针尖完好，避免了烧损后氧化物掉落产生该焊接缺陷（图5）。
4、结论
钛焊管生产过程中，出现的焊道变化，焊缝夹杂，本文对其成因进行了分析，并提出了改善方法：（1）钛焊管焊接过程中焊道内外表面出现箭头状变化，在该箭头根部存在有夹杂物，是由于钨针尖上的氧化物在焊接过程中聚集后掉落到熔池中产生。（2）为减少该类型焊接夹杂缺陷，严格控制钛带生产中脱脂工序，在钛焊管焊接时增加焊枪氩气保护气流量，增加修磨钨针尖频次，减少钨针尖伸出长度，避免因钨针尖上的氧化物聚集掉落产生的焊接夹杂缺陷。
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