鈦-鋼復(fù)合管板復(fù)層金屬修復(fù)工藝研究

馬勇，張春定，黃麗

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000)

鈦-鋼復(fù)合管板復(fù)層金屬修復(fù)工藝研究

馬勇，張春定，黃麗

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000)

文章從鈦-鋼復(fù)合管板缺陷產(chǎn)生的原因出發(fā)，介紹了缺陷對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響及修復(fù)的必要性。通過(guò)擬定的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行了鈦-鋼復(fù)合管板鈦層的修復(fù)試驗(yàn)，并對(duì)焊接接頭進(jìn)行了宏觀、硬度檢查及顯微組織分析。結(jié)果表明：擬定的焊接工藝參數(shù)滿足鈦層修復(fù)的需要，焊接接頭的顯微組織差異不大，接頭的硬度值及耐腐蝕性符合鈦-鋼復(fù)合管板的使用性能。

鈦-鋼復(fù)合管板，焊接工藝參數(shù)，顯微組織

0 前言

鈦材具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕且表面易于形成滴狀冷凝等特點(diǎn)，20世紀(jì)80年代以來(lái)，逐漸被用于制造電站凝汽器傳熱管等關(guān)鍵部件。與之配套的管板也由最初的25～35 mm厚純鈦板而被鈦-鋼復(fù)合管板取代，節(jié)省了稀有金屬，降低了制造成本[1]。

鈦-鋼復(fù)合管板是由碳素鋼為基層，工業(yè)純鈦為復(fù)層，以爆炸、軋制等方法制成的雙金屬?gòu)?fù)合板。鈦鋼復(fù)合板的基層主要滿足焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度要求，而復(fù)層則滿足耐腐蝕性等特殊性能的要求[2]。本文針對(duì)鈦-鋼復(fù)合管板鈦層金屬的修復(fù)工藝進(jìn)行研究，并對(duì)焊接接頭的硬度及金相組織進(jìn)行檢查，為公司及電廠的鈦-鋼復(fù)合管板修復(fù)工作提供技術(shù)支持。

1 鈦-鋼復(fù)合管板缺陷的產(chǎn)生及影響

1.1 缺陷的產(chǎn)生

采用爆炸復(fù)合法生產(chǎn)的鈦-鋼復(fù)合板，既有鈦的耐腐蝕性，又有普通鋼板作為結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和塑性，特別重要的是成本大幅度下降，因此被大量用于各種化學(xué)反應(yīng)容器、熱交換器材料及防腐蝕領(lǐng)域[3]。

公司大量使用鈦-鋼復(fù)合板制造汽輪機(jī)凝汽器的管板，由于單張管板上的孔數(shù)較多（最多已超過(guò)2萬(wàn)個(gè)），管孔在數(shù)控鉆床上鉆鉸一次成型的管板數(shù)量有限，目前仍有一部分管板孔的加工按照數(shù)控機(jī)床劃窩+搖臂鉆床鉆鉸的工藝執(zhí)行。由于搖臂鉆床為人工操作，因此管孔的加工質(zhì)量受人為因素的影響較大；部分操作者在搖臂鉆床進(jìn)刀或提刀過(guò)程中出現(xiàn)損傷鈦面，造成鈦層缺肉的情況（如圖1所示），使后續(xù)的脹管及焊管質(zhì)量難以保證。

圖1 鈦-鋼復(fù)合管板缺陷圖

1.2 缺陷的影響

為了驗(yàn)證鈦層缺肉對(duì)凝汽器產(chǎn)品質(zhì)量的影響，決定在試板上進(jìn)行模擬試驗(yàn)，試板厚度為40 mm，其中鈦鋼層為5 mm，碳鋼層為35 mm。首先在試板上預(yù)鉆部分孔徑為Φ25 mm且鈦層受損的管孔，然后用直徑為Φ25 mm×0.5 mm的鈦管進(jìn)行管孔的脹焊試驗(yàn)。管孔的脹接是為消除管子與管孔之間的間隙，保證焊管的質(zhì)量；而管孔的焊接是為密封管口防止?jié)B漏，試板脹焊試驗(yàn)見(jiàn)圖2。

試板脹焊后管孔的焊縫質(zhì)量如圖3所示，由圖中可知焊縫處出現(xiàn)凹坑、翻邊及氧化等缺陷。由于管子與管板的焊接為不填絲自熔焊，焊縫全靠熔化鈦管的伸出余量來(lái)填充，因此焊接時(shí)焊縫金屬首先填滿鈦層缺肉處，從而造成焊縫出現(xiàn)凹坑。同時(shí)由于管板鈦層缺肉，脹管后易出現(xiàn)缺肉處管口脹接不到位而留有間隙，大量空氣殘留在此間隙處無(wú)法排出，焊接時(shí)因?yàn)殡娀∑x鈦管及殘留空氣的影響，使得鈦管翻邊及焊縫氧化。

圖2 鈦-鋼管板脹焊圖

圖3 鈦管焊縫缺陷圖

綜上所述，鈦層缺肉的管板無(wú)法使用，鈦層缺肉將嚴(yán)重影響管板的脹接與焊接質(zhì)量，降低汽輪機(jī)凝汽器的整體質(zhì)量，因此必須通過(guò)修復(fù)鈦層的方式來(lái)消除鈦鋼復(fù)合管板的缺陷。

2 鈦層修復(fù)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及方法

為了研究及制定鈦層的修復(fù)工藝，我們準(zhǔn)備了外形尺寸為δ40 mm×100 mm×100 mm的鈦-鋼復(fù)合管板 （鈦鋼層為5 mm，碳鋼層為35 mm），管板的材質(zhì)為B265 Gr.1/A516 Gr.70，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。根據(jù)產(chǎn)品管板的損傷情況按圖4中所示去除掉3～4 mm深，10 mm×50 mm寬的鈦層用于試驗(yàn)補(bǔ)焊工藝，鈦層去除后將坡口處打磨干凈，然后進(jìn)行PT檢驗(yàn)以消除表面缺陷。由于母材耐腐蝕特性的需要，選擇與其化學(xué)成分相近的TA2焊絲用于鈦槽的補(bǔ)焊，焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表2。

圖4 試件坡口設(shè)計(jì)圖

表1 鈦-鋼復(fù)合管板化學(xué)成分單位：wt%

表2 鈦焊材化學(xué)成分單位：wt%

2.2 鈦-鋼焊接性介紹

（1）鈦及鈦合金很容易受到氣體等雜質(zhì)的污染而產(chǎn)生脆化，造成鈦及鈦合金焊接接頭脆化的主要元素有氧、氮、氫、碳等。鈦在常溫下就能與空氣中的氧起作用生成一層致密的氧化膜，在250℃時(shí)開始吸收氫，400℃時(shí)開始吸收氧，600℃時(shí)開始吸收氮，并能和氫、氧發(fā)生激烈反應(yīng)[4]。氣孔是鈦及鈦合金焊接中較常見(jiàn)的缺陷。氧、氮、氫、二氧化碳、水蒸汽都可能引起氣孔的形成。但氫是鈦及鈦合金中形成氣孔的主要?dú)怏w，氫氣孔多數(shù)產(chǎn)生在焊縫中部和熔合線。

（2）由于鈦及鈦合金中含硫、磷、碳等雜質(zhì)較少，很少有低熔點(diǎn)共晶在晶界處生成，而且其結(jié)晶溫度區(qū)間很窄，焊縫凝固時(shí)收縮量小，因此熱裂紋敏感性低。

（3）當(dāng)焊縫中含氧、氮、氫量較多時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)的性能變脆，在較大的焊接應(yīng)力作用下容易出現(xiàn)冷裂紋。

（4）鈦的彈性模量約比不銹鋼小，在同樣的焊接應(yīng)力條件下，鈦及鈦合金的焊接變形是不銹鋼的一倍，因此焊接時(shí)應(yīng)該采用墊板和壓板經(jīng)待焊工件壓緊，以減小焊接變形[5]。

2.3 焊接工藝參數(shù)

由于鈦是一種自身焊接性好但極易受污染的材料，焊接時(shí)必須對(duì)溫度進(jìn)行控制，熱輸入量要小，故焊條電弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊等并不適合鈦及鈦合金的焊接，而選擇焊縫成形質(zhì)量較好的鎢極氬弧焊 （GTAW）進(jìn)行鈦層的補(bǔ)焊工作是合適的；根據(jù)鈦鋼的焊接性，制定了如表3所示的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行施焊。

表3 焊接工藝參數(shù) (GTAW)

焊前用丙酮清理干凈待焊區(qū)域，并提前送氬3～5 s，置換焊接區(qū)域的雜質(zhì)氣體；焊接采用短弧施焊，焊接過(guò)程中電弧不擺動(dòng)；焊后延時(shí)停氬5～8 s，保護(hù)焊縫不受污染。鈦層補(bǔ)焊完成后按JB/T 4730對(duì)焊縫進(jìn)行100%著色檢驗(yàn)，無(wú)顯示；然后對(duì)焊接接頭進(jìn)行宏觀檢查、硬度及顯微組織分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 宏觀檢查和硬度分布

鈦層補(bǔ)焊完成后，線切割出焊接接頭，然后用氫氟酸、硝酸及水配成的溶液腐蝕焊接接頭，再用維氏硬度機(jī)及金相顯微鏡進(jìn)行焊接接頭宏觀、硬度及顯微組織檢查。

焊接接頭宏觀形貌及硬度分布如圖5所示。接頭腐蝕后，復(fù)合管板鈦層及碳鋼層的分界明顯，鈦層補(bǔ)焊焊縫成形均勻一致，無(wú)裂紋及未熔合等缺陷。采用10 kgf試驗(yàn)力進(jìn)行鈦層維氏硬度試驗(yàn)，結(jié)果顯示接頭母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)硬度差異不大，但焊縫個(gè)別位置出現(xiàn)硬度值偏高的現(xiàn)象（圖5中a、b、c三點(diǎn)所示）。為了摸清硬度值偏高的原因，使用金相顯微鏡對(duì)a、b、c三點(diǎn)進(jìn)行顯微觀察，檢查結(jié)果分別見(jiàn)圖6。

圖5 試樣宏觀形貌及各區(qū)硬度分布

圖6 焊縫位置氣孔顯微形貌 （100×）

圖 6 （a）、 6 （b）、 6 （c） 分別為 a、 b、 c 三處的形貌，由圖中可知，a、b、c三處出現(xiàn)焊接氣孔，最大尺寸為0.09 mm。由于復(fù)合管板由鈦鋼與碳鋼構(gòu)成，且碳鋼厚度遠(yuǎn)大于鈦鋼，焊接過(guò)程中由于熱傳導(dǎo)，鈦層的焊接熱量源源不斷傳遞到碳鋼層，導(dǎo)致焊縫金屬冷卻較快，部分氣體來(lái)不及溢出而與鈦發(fā)生反應(yīng)生成金屬化合物，使焊縫的硬度值升高。

3.2 顯微組織分析

圖7、圖8為焊接接頭的顯微金相組織，其中圖7的放大倍數(shù)為100倍，圖8為500倍；圖中（a）、（b）、（c）分別為母材、 熱影響區(qū)及焊縫的顯微金相組織。由圖中可知，由于焊接熱循環(huán)的作用，焊縫區(qū)的晶粒較母材及熱影響區(qū)的大，同時(shí)母材與焊縫及熱影響的組織也各不相同。

由于鈦-鋼復(fù)合管板為爆炸+軋制的工藝制成，其間經(jīng)過(guò)多次退火處理，在高溫環(huán)境下碳鋼層中的碳、錳等元素向鈦層擴(kuò)散，純鈦復(fù)層實(shí)際已逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈秃辖疴亴?，因此母材的組織與純鈦不同為黑色β基體+白色α顆粒。而焊縫及熱影響區(qū)是由純鈦TA2組成，其組織為等軸α+顆粒β相，同時(shí)由于焊縫在空氣中快速冷卻的緣故，部分β相的組織呈片狀或條狀分布。

圖7 焊接接頭顯微組織 （100×）

圖8 焊接接頭顯微組織 （500×）

由于公司汽輪機(jī)凝汽器用鈦-鋼復(fù)合管板主要用于抵抗海水侵蝕，并不承受較大載荷，因此焊接接頭出現(xiàn)PT無(wú)法顯示的微氣孔并不影響其使用性能，同時(shí)接頭金相組織并未發(fā)生較大改變，焊縫的耐腐蝕性能并未降低；本次實(shí)驗(yàn)擬定的焊接工藝參數(shù)滿足鈦層修復(fù)的需要，此工藝參數(shù)在編制成焊接工藝規(guī)程后將用于公司及電廠鈦-鋼復(fù)合管板鈦層的補(bǔ)焊。

4 結(jié)論

（1）鈦層受損的鈦-鋼復(fù)合管板嚴(yán)重影響后續(xù)的脹管及焊管工作，降低凝汽器產(chǎn)品的質(zhì)量，需修復(fù)鈦層后使用。

（2）擬定的焊接工藝參數(shù)滿足鈦層修復(fù)的需要，焊接接頭的顯微組織差異不大，接頭的硬度值及耐腐蝕性符合鈦鋼復(fù)合管板的使用性能。

[1]操豐,唐世延,王建軍,等.凝汽器鈦-鋼復(fù)合管板役致缺陷及其焊接修復(fù)[J].焊接,2011,(1):46-49.

[2]宋愛(ài)平.鈦鋼復(fù)合管板焊接技術(shù)[J].鋼結(jié)構(gòu),2012,27(7):55-57.

[3]閆力.鈦鋼復(fù)合板的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域[C].鈦鋯鉿分會(huì)2011年年會(huì)論文集,134-136.

[4]陳滿乾,劉亞芬.TA2/Q235B鈦鋼復(fù)合板的焊接[J].焊接,2007,（8）:53-55.

[5]高飛.鈦及鈦合金材料的焊接技術(shù)[J].石油化工建設(shè),2006,28(4):38-42.

Research on Repair Technology of Cladding Metal of Titanium-steel Composite Tube Plate

Ma Yong， Zhang Chunding， Huang Li

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Based on the cause of the defects of Titanium-steel composite tube plate,this paper introduced the effect of defects on product quality and the necessity of repair work.The repairing experiments were carried out by the proposed welding process parameters,the macroscopic,hardness test and microstructure analysis of the welded joint were investigated.The results indicated that the welding parameters met the needs of the Titanium layer repair,and the microstructures of welded joints were not very different,the hardness and corrosion resistance of the joints were in accordance with the performance of Titanium-steel composite tube plate.

Titanium-steel composite tube plate,welding parameters,microstructure

TG457

A

1674-9987（2017）04-0049-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.04.011

馬勇 （1982-），男，碩士，工程師，2009年畢業(yè)于西華大學(xué)材料加工專業(yè)，主要從事汽輪機(jī)主、輔機(jī)部套的焊接技術(shù)工作。