鈦焊管表面黑斑成因分析及控制

張望成，李海明，唐 爽，曾憲山

(湖南湘投金天新材料有限公司，湖南 益陽(yáng) 413000)

鈦管分為鈦焊管與鈦無縫管，鈦焊管力學(xué)性能與鈦無縫管基本一致，但壁厚均勻，同心度好，光潔度高，且成本及環(huán)保優(yōu)勢(shì)明顯[1]。近年來，隨著我國(guó)鈦產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展以及焊接工藝的日益成熟，鈦焊管被大量應(yīng)用于各類熱交換器中，在保證熱交換效率的同時(shí)，進(jìn)一步提高了熱交換器的使用壽命，降低了設(shè)備維護(hù)成本，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

高鈍鈦金屬表面極易生成一層牢固附著的致密保護(hù)膜，因而具有優(yōu)異的耐蝕性。去掉氧化膜的鈦表面只要暴露在空氣或水溶液中，就會(huì)立即形成新的氧化膜[3]。因此對(duì)鈦焊管表面進(jìn)行修整，并不會(huì)影響其耐腐蝕性能。

在鈦焊管的生產(chǎn)過程中，部分鈦焊管表面出現(xiàn)了形狀不規(guī)則的黑斑，且黑斑主要出現(xiàn)于焊縫邊緣。根據(jù)ASTM B338—17標(biāo)準(zhǔn)[4]，可對(duì)鈦焊管表面進(jìn)行修整。但修整量無法控制，易造成壁厚過薄而報(bào)廢，同時(shí)會(huì)增加生產(chǎn)成本。為此，對(duì)鈦焊管表面的黑斑形成原因進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果制定改善措施，以解決鈦焊管表面的黑斑問題。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為Gr.2鈦焊管，規(guī)格為φ26 mm×0.711 mm，化學(xué)成分如表1所示。鈦焊管表面有黑斑，典型形貌如圖1所示。

表1 Gr.2鈦焊管雜質(zhì)元素含量(w/%)Table 1 Impurities content of Gr.2 titanium welded tube

圖1 鈦焊管表面典型黑斑形貌Fig.1 Typical black spots on the surface of titanium welded tube

鈦焊管的生產(chǎn)工藝流程為：帶材→清洗→剪切端焊→清洗→冷彎成形→焊接→一次定徑→在線退火→二次定徑/矯直→渦流探傷→激光測(cè)徑→定尺切斷→超聲波探傷→精切→端頭去毛刺→水下氣密試驗(yàn)→表面風(fēng)干→表面檢查。

1.2 方法及設(shè)備

隨機(jī)選取鈦焊管并切取3支帶黑斑的典型試樣，分別編號(hào)為1#、2#、3#，如圖2所示。使用Zeiss Merlin Compact 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)黑斑和非黑斑區(qū)域形貌進(jìn)行觀察，并用Oxford AZtec X-Max 50能譜儀進(jìn)行成分分析。使用Renishaw Invia 激光共聚焦拉曼光譜儀進(jìn)行拉曼光譜分析。采用XJA-6A金相顯微鏡對(duì)樣品黑斑區(qū)域(經(jīng)過打磨拋光處理)和非黑斑區(qū)域進(jìn)行金相組織觀察。

圖2 黑斑試樣照片F(xiàn)ig.2 Photos of test specimens

2 結(jié)果與分析

2.1 黑斑區(qū)域形貌及成分分析

2.1.1 SEM分析

圖3和圖4分別為3支試樣黑斑區(qū)域和非黑斑區(qū)域SEM照片。由圖3和圖4可知，3支試樣黑斑區(qū)域形貌都主要為微納尺度層片狀，而非黑斑區(qū)域形貌均呈冷軋鈦帶經(jīng)冷彎后的加工形貌。

圖3 黑斑區(qū)域SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM morphologies of black spot areas：(a)1# specime; (b)2# specime; (c)3# specime

圖4 非黑斑區(qū)域SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM morphologies of non-black spot areas：(a)1# specime; (b)2# specime; (c)3# specime

對(duì)3支試樣的黑斑區(qū)域和非黑斑區(qū)域分別進(jìn)行能譜分析，其結(jié)果分別如表2和表3所示。由表2可知，3支試樣黑斑區(qū)域都含有較多的C、Ti元素，一定量的O元素和少量Cu、Al、Si、K、Ca等元素。由表3可知，3支試樣非黑斑區(qū)域的成分都主要為Ti元素，一定量的C、O元素和少量其他元素。對(duì)比表2和表3可知，黑斑和非黑斑區(qū)域的成分差異主要為C元素的含量，黑斑區(qū)域C元素含量明顯高于非黑斑區(qū)域，且其他元素種類較多。黑斑處元素種類多于非黑斑區(qū)域應(yīng)是外來物質(zhì)在鈦焊管表面殘留所致。

表2 黑斑區(qū)域能譜分析結(jié)果(w/%)Table 2 EDS analysis results of black areas

表3 非黑斑區(qū)域能譜分析結(jié)果(w/%)Table 3 EDS analysis results of non-black areas

2.1.2 拉曼光譜分析

圖5為試樣黑斑區(qū)域的拉曼譜圖。從圖5可以看出，3支試樣的拉曼譜都有著銳利的D峰和G峰，且峰的高度與能譜檢測(cè)的C元素含量存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖中D峰和G峰的形態(tài)及無其他雜峰可以說明，該黑斑為石墨化的碳材料[5]。

圖5 黑斑區(qū)域拉曼譜圖Fig.5 Raman spectra of black spot areas

2.1.3 金相組織分析

圖6為試樣黑斑區(qū)域經(jīng)2000#金相砂紙5次輕微打磨及腐蝕后的金相照片。從圖6可以看出，3支試樣的顯微組織基本一致，呈現(xiàn)出典型的冷軋鈦帶經(jīng)冷彎加工后的顯微組織，證實(shí)黑斑處的金相組織并未因黑斑的存在而發(fā)生改變。

圖6 黑斑區(qū)域經(jīng)打磨后的金相照片F(xiàn)ig.6 OM micrographs of black spot areas after polishing：(a)1# specime; (b)2# specime; (c)3# specime

2.2 黑斑成因分析及控制

2.2.1 黑斑產(chǎn)生原因分析

綜合以上實(shí)驗(yàn)分析和生產(chǎn)過程的跟蹤分析，認(rèn)為黑斑的形成原因是：生產(chǎn)線軸承等運(yùn)動(dòng)部件處的潤(rùn)滑脂跟隨乳化液循環(huán)殘留在鈦焊管朝上的焊縫位置處，經(jīng)過軋輥擠壓后緊密結(jié)合在鈦焊管表面，清洗過程中未能清洗掉，在后續(xù)退火過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成黑斑。

2.2.2 黑斑產(chǎn)生的控制

根據(jù)上述分析，黑斑產(chǎn)生主要與運(yùn)動(dòng)部件潤(rùn)滑油脂、乳化液循環(huán)和清洗能力有關(guān)。因此，要消除黑斑，主要考慮避免潤(rùn)滑脂混入乳化液中及增強(qiáng)對(duì)鈦焊管表面的清洗能力。

使用潤(rùn)滑脂的目的是為了減小軸承等運(yùn)動(dòng)部件的摩擦力，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。在軸承部件運(yùn)動(dòng)過程中潤(rùn)滑脂會(huì)從部件間隙處溢出混入乳化液中。為避免潤(rùn)滑脂溢出，通過多次實(shí)踐嘗試，采用專用量杯在運(yùn)動(dòng)部件上涂抹薄薄一層潤(rùn)滑脂，這樣既能有效起到潤(rùn)滑作用，又能減少部件運(yùn)動(dòng)過程中油脂溢出。同時(shí)，每個(gè)班次巡查4次油脂溢出情況，及時(shí)清理溢出的潤(rùn)滑脂。

乳化液在鈦焊管生產(chǎn)過程中的作用是潤(rùn)滑和冷卻，其中主要作用是潤(rùn)滑，若潤(rùn)滑性能不好則會(huì)使鈦焊管表面出現(xiàn)劃傷等缺陷，影響表面質(zhì)量。為避免乳化液帶入運(yùn)動(dòng)部件處溢出的潤(rùn)滑脂，隨后殘留在鈦焊管表面，在乳化液循環(huán)入口處增設(shè)一道過濾裝置，用282 μm(50目)過濾網(wǎng)過濾潤(rùn)滑脂，并定時(shí)清理過濾網(wǎng)。

為保證清洗效果，將清洗水的壓力增大0.1 MPa，在鈦焊管進(jìn)入退火爐之前將其表面的潤(rùn)滑脂清洗干凈。

2.2.3 控制效果

采取上述改進(jìn)措施后，跟蹤統(tǒng)計(jì)了3個(gè)月的鈦焊管生產(chǎn)情況，鈦焊管表面未再發(fā)現(xiàn)黑斑，徹底解決了鈦焊管表面的黑斑問題。

3 結(jié) 論

(1)鈦焊管表面的黑斑是由于生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)部件溢出的潤(rùn)滑脂混入乳化液后，被乳化液帶到鈦焊管表面，同時(shí)被軋輥碾壓結(jié)合在鈦焊管表面未能被清洗去除，在高溫退火時(shí)碳化形成的。

(2)通過控制軸承等運(yùn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑脂用量、增加清理溢出潤(rùn)滑脂的頻率、給乳化液設(shè)置過濾裝置和增大清洗水的壓力等措施，使得鈦焊管表面未再出現(xiàn)黑斑，徹底解決了鈦焊管表面的黑斑問題。