结晶釜主要结构分为三部分，从内到外分别为釜体层、夹套层和保温层三部分，内径依次为1400mm、1500mm及1700mm，筒体壁厚依次为21mm、10mm及2mm，釜体内部介质为有机物，夹套层介质为热水、乙二醇，均易爆，夹套层与保温层之间全部用岩棉填充，用以保温。材质方面，釜体层采用的是TA2+Q345R-B1复合钢板，接管、人孔等附件的内衬套筒均为TA2，夹套层为Q345R，保温层及其连接附件为S30408。

图1 结晶釜三维图

工业纯钛TA2是一种有色金属，密度小、耐蚀性好、力学性能好、无毒性均是其优点。但从与不锈钢和碳素钢的对比来看，TA2具有熔点高、热导率低、弹性摸量小、热容量大的特点，所以TA2焊接时熔池金属高温停留时间长，熔池粘度大，易形变。同时，TA2的活性很高，在焊接热源作用下极易吸收氢、氧、氮等杂质气体，使焊接接头变硬变脆。

TA2本身为银白色，焊缝银白色为最佳，若加热至不同温度，表面颜色会依次转变为金黄、蓝色、紫色、红灰，甚至灰黑色，组织和硬度也会随之变化。因此，TA2的焊接是结晶釜整个制造过程中的关键。

焊接工艺

焊接方法

TA2的焊接不能采用一般的药皮焊条焊、气焊等，国内也不用埋弧自动焊，一般采用惰性气体保护下的钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、等离子弧焊等。本次焊接所采用的是惰性气体氩保护下的钨极氩弧焊，所用氩气纯度为99.999%。

由于TA2的熔点高、导热性差、热容量小、电阻系数大，因而与钢、铜、铝等的焊接相比，TA2的焊接熔池积累的热量多、尺寸大、高温停留时间长、冷却速度慢。在正常时的焊接工艺下，刚焊完的焊缝在长度方向上超过600℃的区域比不锈钢约大1.5倍，比碳素钢大2.3倍，比铝大16倍，比铜大23倍。因而TA2焊接时，不但熔池区域要保护，焊后正在冷却中的焊接接头正面和背面都需要气体保护，使用密闭气体保护罩是TA2焊接的特点。考虑到焊枪的保护范围有限，所以选择在保护箱（如图2）内部进行焊接，焊前要做好气体置换。

图2 气体保护箱

焊接材料

不管钛母材还是焊缝，其中杂质元素越多，强度越高，塑性越低；杂质元素越少，强度越低，塑性越高。TA2焊接材料是钛焊丝，采用钛焊丝的原则是：所用焊丝在正常焊接工艺下，使焊缝达到母材抗拉强度标准值下限，并且超过得应当尽量少，以使达到尽量高的塑性。如果所用焊丝使焊缝的抗拉强度比母材标准值下限高出很多，则必然使得焊缝的塑性较低，这样的状况就不够理想了。

对于本次所要焊接的TA2来说，选用φ2.5mm的手工氩弧焊丝ERTA2EL1，其成分相当于TA2母材本身，这样就可以使得焊缝的抗拉强度与母材相当，并且可以获得尽量高的塑性。

 工艺参数

TA2中含β稳定元素很少，大都是α稳定元素。TA2在焊接高温下，焊缝及部分热影响区为β晶格，有晶粒急剧长大的倾向。同时TA2的高温热影响区较宽，这也使焊缝和高温热影响区的β晶粒长大明显。在焊接冷却时，焊缝和高温热影响区金属由β相向α相转变，但正常的焊接冷却速度较慢，β相容易转变为针状α组织，使焊接接头的塑性下降较多。因而TA2焊接时，通常应采用较小的焊接线能量和较快的冷却速度，以减少高温停留时间，减少晶粒长大的程度和缩小高温热影响区，减少塑性下降的影响。主要焊接参数见表1。

表1 TA2主要焊接参数

另外，需要调节气体滞后时间至10s，收弧后，焊枪要多停留片刻，马上移开可能造成收弧区域氩气浓度低而快速氧化。焊接完成后的衬套筒如图3所示。

图3 焊后衬套筒

杂质元素对焊接接头的影响

TA2的焊接过程中主要的杂质元素为氧、氮、碳、氢和铁，杂质对TA2的作用有两种：一为杂质固溶于TA2基体中，另一为杂质与TA2生成化合物。氧、氮、碳、氢相对于TA2而言原子较小，能间隙地溶于TA2中成为固溶体，使基体晶格畸变较大，对强度的提高和塑性、韧性的下降影响很大。而铁与TA2的原子大小接近，只能置换地溶人TA2中，使基体晶格畸变较小，对强度的提高和塑性、韧性的下降影响较小。

制造要点分析

控制层间温度

TA2的焊接要严格控制层间温度，最好在≤150℃范围内。

 多部件焊接技巧

TA2的导热性能比较差，这会造成焊接熔池温度过高，对此，我们在焊接时尽量选择小电流、快速焊、分段焊或断续焊，降低焊接热输入，减少热影响区的面积，推荐采用直径较小的焊丝，因为减少了焊丝的熔化时间，就减少了焊件的受热时间。另一方面，采用多个部件交替焊接的方法，而且焊缝最好是由点焊搭接而成，给焊缝充分的冷却时间，既避免了焊缝温度过高又可以提高工作效率。

严格的气体保护

通常我们根据TA2表面氧化的颜色可以判断焊接时未保护区内的温度，一般认为540℃以上形成的氧化膜不够致密，表面氧化膜便会失去保护作用，因此，在焊接中温度超过400℃的区域都应当进行严格的气体保护，控制表面不出现蓝色以至灰色。

特别是在气体保护箱内焊接时，同样要背面充氩气保护。因为即便是监测气体保护箱内的氧气含量已经降低到安全范围内，但箱内的气体分布并不均匀，氩气比空气重，多聚集在箱底，空气轻，聚集在箱体上半部，因此，箱体上半部的空气浓度实际上要高于检测仪的数值，焊接时背面充氩保护也是为了得到更好的焊缝质量。

 注意焊前清理

TA2在焊接前应仔细清洗焊丝、焊接部件及气体保护箱内部表面的氧化物、氮化物、油污、水分、铁屑和其他有机污染物，一般用酸洗或砂轮、纱布打磨的方法，清理后在焊前还要用丙酮、酒精进行擦拭，已擦拭的区域不得用手触摸。TA2材表面致密的氧化膜，富含氧原子，也是会导致焊缝氧化的原因之一，因此，焊前，必须对焊接位置进行适当打磨。