大口徑超薄壁鈦焊管的研制

謝　祎，羅求能，吳芝華，李建飛

(湖南湘投金天新材料有限公司，湖南　益陽(yáng)　413000)

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大口徑超薄壁鈦焊管的研制

謝祎，羅求能，吳芝華，李建飛

(湖南湘投金天新材料有限公司，湖南益陽(yáng)413000)

大口徑超薄壁鈦焊管在加工過(guò)程中存在成形和外徑控制困難、切割易變形等問(wèn)題，為此，對(duì)大口徑超薄壁鈦焊管成形輥進(jìn)行了優(yōu)化，并研制了在線切割?yuàn)A持工裝，試制了牌號(hào)為Gr.2、規(guī)格為φ50.8 mm×0.5 mm的大口徑超薄壁鈦焊管產(chǎn)品，并對(duì)其化學(xué)成分、力學(xué)性能、硬度、顯微組織進(jìn)行表征。結(jié)果表明：試制的大口徑超薄壁鈦焊管化學(xué)成分、力學(xué)性能均能滿足ASTM B338—2014標(biāo)準(zhǔn)；焊縫、熱影響區(qū)與母材硬度相差不大；焊縫和熱影響區(qū)組織無(wú)異常，焊縫無(wú)氣孔、夾雜等缺陷，焊接質(zhì)量良好。

鈦焊管；大口徑；超薄壁；力學(xué)性能；硬度；顯微組織

0　引　言

鈦及鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐海水腐蝕和綜合性能優(yōu)異等特點(diǎn)[1-2]。國(guó)外已經(jīng)大量使用薄壁鈦管代替?zhèn)鹘y(tǒng)銅合金管用于海水淡化、艦船、海上石油工程、電站等用的熱交換器和冷凝器裝置，這不僅可以顯著提高熱交換效率，還可以提高使用壽命，降低設(shè)備維修維護(hù)成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

與鈦無(wú)縫管相比，鈦焊管具有壁厚尺寸均勻、同心度好、內(nèi)外表面光潔度高、材料利用率和生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢(shì)。且鈦焊管可以做到壁厚0.5 mm及以下，而通過(guò)軋制和拉拔工藝要獲得壁厚≤1 mm的鈦管很難。

我國(guó)目前已經(jīng)具備了小口徑薄壁鈦焊管的生產(chǎn)能力，且工藝比較成熟。但對(duì)于直徑大于38.1 mm、壁徑比<2%的鈦焊管，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究仍屬空白。隨著我國(guó)海洋工程戰(zhàn)略的啟動(dòng)和海洋工程裝備制造水平的提升，對(duì)海洋工程用大口徑超薄壁鈦焊管的研制要求十分迫切。為此，對(duì)大口徑薄壁鈦焊管生產(chǎn)中存在的成形和外徑控制難度大、切割易變形等問(wèn)題進(jìn)行研究，希望能夠優(yōu)化生產(chǎn)工藝，制備出符合標(biāo)準(zhǔn)要求的φ50.8 mm×0.5 mm鈦焊管產(chǎn)品。

1　大口徑超薄壁鈦焊管的研制

1.1原料及設(shè)備

原料為真空退火后的冷軋鈦帶卷，牌號(hào)為Gr.2，規(guī)格為0.5 mm×160 mm×L，雜質(zhì)元素含量如表1所示。焊接設(shè)備采用JT50連續(xù)自動(dòng)化鈦焊管生產(chǎn)線，成形軋輥采用銅合金軋輥，孔型設(shè)計(jì)適用于超薄壁管冷彎成形，焊接采用鎢極氬弧焊+高純氬氣保護(hù)，熱處理工藝為在線感應(yīng)消除應(yīng)力退火。

1.2研制過(guò)程

相較于普通焊管的成形，大口徑超薄壁鈦焊管的成形尤其困難。因?yàn)殁伒捻g性好，成形過(guò)程中的帶邊回彈較不銹鋼等材質(zhì)大，又由于壁厚薄，帶邊在不均勻受力的情況下非常容易產(chǎn)生變形，當(dāng)變形程度超過(guò)彈性極限時(shí)，很容易產(chǎn)生鼓包、波浪形邊等，導(dǎo)致無(wú)法焊接。另外由于直徑較大，圓度控制也是一個(gè)大的難題，最后的成品管外徑大小以及橢圓度很容易超標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)成形段、焊接段以及定徑段的軋輥弧形進(jìn)行了多次優(yōu)化，以克服研制過(guò)程中出現(xiàn)的帶邊鼓包、圓度不夠、焊接打孔等實(shí)際問(wèn)題。以第一對(duì)成形輥為例，該對(duì)輥是W弧形，是鈦管成形的關(guān)鍵，在首次研制的時(shí)候，因?yàn)閹н吺芰Σ痪?，出現(xiàn)了帶邊鼓包等現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)W弧形的優(yōu)化，鼓包現(xiàn)象得以消除?；⌒蝺?yōu)化效果如圖1所示。

圖1　第一對(duì)成形輥弧形的優(yōu)化Fig.1　Optimization of the first pair of forming roller arc

大口徑超薄壁鈦焊管由于口徑大、壁厚薄，在線切割時(shí)極易變形。研制時(shí)，對(duì)超薄壁鈦焊管切割?yuàn)A持基體進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，在基體的端頭鑲嵌了4塊聚氨酯扇形夾塊，其目的是為了實(shí)現(xiàn)夾具受到拉力合攏時(shí)能夠?qū)︹伖苓M(jìn)行夾持和定位。在夾具基體端頭鑲嵌聚氨酯扇形塊，解決了夾具夾持時(shí)鈦管變形或表面損傷的問(wèn)題，提高了薄壁管定位精度，為切割創(chuàng)造了有利條件[3]。

1.3成品檢測(cè)

在研制的大口徑超薄壁鈦焊管上切取8個(gè)試樣，分別進(jìn)行化學(xué)成分、拉伸性能和工藝性能檢測(cè)以及硬度和顯微組織分析。其中，拉伸和壓扁試樣各2個(gè)。樣品取樣位置及尺寸見圖2。

圖2　樣品取樣位置及尺寸Fig.2　Sampling position and sample size

鈦焊管化學(xué)成分分析、壓扁試驗(yàn)、反向壓扁試驗(yàn)、擴(kuò)口試驗(yàn)按ASTM B338—2014標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行檢驗(yàn)[4]，其中化學(xué)成分分析設(shè)備為L(zhǎng)ECO氧氮?dú)渎?lián)測(cè)儀和紅外碳硫測(cè)定儀，壓扁試驗(yàn)、反向壓扁試驗(yàn)及擴(kuò)口試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備為CDT1305電子壓力試驗(yàn)機(jī)。關(guān)于拉伸試驗(yàn)，因?yàn)楣軓酱?，根?jù)ISO 6892-1:2009 標(biāo)準(zhǔn)，將研制的焊管焊縫部位和非焊接部位取樣做圓弧形拉伸試樣[5]，拉伸設(shè)備為100 kN萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

2　研制結(jié)果分析

2.1化學(xué)成分

鈦的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，高溫下與氮、氫、氧親和性高[6]，焊接過(guò)程若保護(hù)不當(dāng)，極易導(dǎo)致焊縫氧化，并發(fā)生吸氫、吸氧、吸氮等情況，導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度較低。研制過(guò)程焊接時(shí)采用密閉焊合室，充純度99.99%以上的氬氣進(jìn)行保護(hù)，焊接效果比較理想。隨機(jī)抽取樣品對(duì)鈦焊管成品雜質(zhì)元素含量進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表2[4]，滿足ASTM B338—2014標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2　鈦焊管雜質(zhì)元素含量(w/%)

2.2力學(xué)性能

鈦因屈強(qiáng)比高，彈性模量小，屈服極限與彈性模量的比值大，在成形過(guò)程中回彈大，另因大口徑超薄壁鈦焊管壁厚薄、直徑大，成形過(guò)程中易變形，加大了成形難度，通過(guò)特定的孔型設(shè)計(jì)和機(jī)組排布，研制了成形穩(wěn)定、高速低缺陷的大口徑超薄壁鈦焊管，其性能測(cè)試結(jié)果見表3。

由表3可以看出，研制的大口徑超薄壁Gr.2鈦管的各項(xiàng)力學(xué)性能均能滿足ASTM B338—2014標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3　鈦焊管力學(xué)性能

圖3為拉伸試驗(yàn)后鈦焊管試樣的外觀照片。從圖3中拉伸試樣的斷口位置來(lái)看，焊縫與母材斷口位置基本相同，結(jié)合表3結(jié)果可知，焊縫強(qiáng)度稍高于母材強(qiáng)度。由于焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)域(HAZ)受到焊接熱輸入影響，組織晶粒粗大，且存在不規(guī)則組織，通過(guò)去應(yīng)力退火，使得焊縫強(qiáng)度與母材相近。

圖3　拉伸試驗(yàn)后試樣Fig.3　Specimens after tensile test

圖4、圖5、圖6分別為鈦焊管擴(kuò)口、壓扁、反向壓扁試驗(yàn)后試樣的照片。試驗(yàn)后對(duì)試樣進(jìn)行了滲透檢測(cè)(PT)，在焊縫部位未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，可以說(shuō)明焊縫強(qiáng)度高。

圖4　擴(kuò)口試驗(yàn)后試樣Fig.4　Specimens after flaring test

圖5　壓扁試驗(yàn)后試樣Fig.5　Specimens after flattening test

圖6　反向壓扁試驗(yàn)后試樣Fig.6　Specimens after reverse flattening test

2.3硬度

圖7為鈦焊管軸向端面硬度的測(cè)量結(jié)果，其中圖7a為非焊接部位軸向端面硬度，范圍在1 343～1 509 MPa之間，平均值為1 421 MPa；圖7b為焊接部位軸向端面硬度，焊縫硬度為1 529～1 686 MPa，平均值為1 607 MPa；HAZ區(qū)的硬度為1 470～1 568 MPa，平均值為1 509 MPa；近母材部位硬度為1 294～1 558 MPa，平均值為1 441 MPa。由圖7可見，鈦焊管焊縫區(qū)和HAZ區(qū)的硬度稍高于母材硬度，但差異不是很大，這說(shuō)明通過(guò)600 ℃在線去應(yīng)力退火有效地解決了鈦焊管各部位的硬度差。

圖7　鈦焊管的硬度分布測(cè)量結(jié)果Fig.7　Hardness distribution of titanium welded tube

2.4斷面顯微組織

圖8為鈦焊管軸向斷面的顯微組織。從圖8中可以看出，焊縫沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氣孔、夾雜等缺陷，焊管焊縫質(zhì)量好。焊縫區(qū)、熔合區(qū)和HAZ區(qū)存在不規(guī)則組織，盡管包含等軸α相，但粗大的板條狀α相以及針狀α相伴隨一些原始β晶粒的輪廓出現(xiàn)。而母材為均勻的等軸α組織，晶粒細(xì)小。

圖8　鈦焊管軸向斷面的顯微組織Fig.8　Microstructures of the titanium welded tube axial section

3　結(jié)　論

(1)大口徑超薄壁鈦焊管化學(xué)成分、力學(xué)性能等指標(biāo)滿足ASTM B338—2014標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫強(qiáng)度并不低于母材強(qiáng)度，采用本工藝生產(chǎn)的大口徑超薄壁鈦焊管質(zhì)量滿足使用要求。

(2)鈦焊管熱影響區(qū)、焊縫、母材的硬度相差不大，熱處理工藝有效地解決了焊接各部位的硬度差。

(3)從鈦焊管軸向的焊縫斷面顯微組織結(jié)構(gòu)來(lái)看，焊縫沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氣孔、夾雜等缺陷，焊管焊縫質(zhì)量好。

[1] 黃曉艷，劉波，李雪. 鈦合金在艦船上的應(yīng)用[J]. 南方金屬，2005(6)：10-11.

[2] 陳祝年. 焊接工程師手冊(cè)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[3] 湖南湘投金天新材料有限公司．超薄壁鈦焊管在線切割用夾具:ZL201520471963.X[P]．2015-12-09．

[4] American Society of Testing Materials.Standard Specification for Seamless and Welded Titanium and Titanium Alloy Tubes for Condensers and Heat Exchangers：ASTM B338—2014[S]. American：ASTM International，2014.

[5] International Organization for Standardization. MetallicMaterials-Tensile Testing-Part1：Method of Test at Ambient Temperature:ISO 6892-1:2009[S]. Switzerland：ISO，2009.

[6] 曹斌，王迎君，湯傳健. 工業(yè)純鈦的焊接[J]. 電焊機(jī)，2001，31(11)：21-24.

Development of Large Diameter Ultra Thin-walled Titanium Welded Tubes

Xie Yi，Luo Qiuneng，Wu Zhihua，Li Jianfei

(Hunan Xiangtou Goldsky New Materials Co., Ltd., Yiyang 413000, China)

Large diameter ultra thin-walled titanium welded tube is hard to form, difficult to control outer diameter and easy to deform during cutting process. Therefore, large diameter thin-walled titanium welded tube forming rolls were optimized and then online cutting gripping tool was developed. Then Gr.2φ50.8 mm×0.5 mm large diameter thin-walled titanium welded tubes were produced. The chemical composition, mechanical properties, hardness and microstructure were analyzed. The result shows that chemical composition and mechanical properties of the tubes can meet the ASTM B338—2014 standard. The hardness of weld seam and heat affected zone have little difference with the base material. From the axial view of the section microstructure of the titanium tube, weld seam and heat affected zone structure show no abnormalities without defects such as pores and inclusions, and the weld quality is good.

titanium welded tube; large diameter; ultra thin wall; mechanical properties; hardness; microstructure

2015-12-08

湖南省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)科技攻關(guān)類項(xiàng)目(2014GK1009)

謝祎(1984—)，男，國(guó)際焊接工程師。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)02-0025-04