大直徑SB-265 Gr.16鈦-鈀合金封頭焊接及成形工藝

劉玉祥 熊榮國(guó) 袁世東

(森松(江蘇)重工有限公司上海分公司，上海201323)

我公司某國(guó)外項(xiàng)目制造陽(yáng)極液罐按ASME VIII-1卷2019版標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造，設(shè)計(jì)選材SB-265 Gr.16，設(shè)備直徑4000 mm，筒體壁厚14 mm，封頭最小厚度16 mm，封頭為橢圓形封頭，封頭投料厚度18 mm，封頭具體結(jié)構(gòu)型式及規(guī)格尺寸如圖1所示。

圖1 封頭結(jié)構(gòu)尺寸Figure 1 Head structure dimensions

1 SB-265 Gr.16性能介紹

SB-265 Gr.16為Ti-Pd合金，是Gr.1(一級(jí)工業(yè)純鈦)+(0.04%～0.08%)Pd組成的合金，屬于α型鈦合金，Pd屬于慢共析型β穩(wěn)定元素，提高Pd的含量，可減少氫脆的敏感性[1]。Pd改善了鈦在中等還原性工況下以及縫隙腐蝕條件下的腐蝕，在氯化物的腐蝕環(huán)境中，具有良好的抗局部腐蝕的能力，SB-265 Gr.16化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1及表2所示。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition(mass fraction,%)

表2 力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties

2 封頭拼縫的焊接

封頭直徑4000 mm，封頭展開(kāi)投料尺寸為?4940 mm，受材料板幅所限，封頭采取三張板拼接，共兩條焊縫，如圖2所示。

圖2 封頭拼縫Figure 2 Head patchwork

2.1 焊接方法選用

鈦合金目前主要的焊接方法有手工GTAW、機(jī)械GTAW、GMAW焊接方法。GMAW焊接方法雖然效率高，但焊接保護(hù)效果差，雖然目前已經(jīng)有GMAW專家系統(tǒng)的專機(jī)，但依然存在輕微飛濺的問(wèn)題，對(duì)于鈦的焊接是不利的。GTAW焊接方法具有電弧穩(wěn)定、能量集中、保護(hù)效果好、熱影響區(qū)窄、熔池可見(jiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械GTAW焊接方法比手工GTAW焊接成形更漂亮美觀，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，此次封頭焊接采用機(jī)械GTAW焊接方法。

2.2 施焊環(huán)境

鈦材焊接廠區(qū)要保證潔凈，滿足菲繞啉試驗(yàn)的檢測(cè)要求。鈦材焊接廠區(qū)不能有碳鋼以及其它鐵基材料，避免鈦被鐵離子污染，形成Ti-Fe硬脆相，影響焊接質(zhì)量，降低材料的耐蝕性。

2.3 封頭組對(duì)

封頭三張拼板整體組對(duì)，放在專用的鈦封頭組對(duì)平臺(tái)上組對(duì)，組對(duì)時(shí)須控制好縱向錯(cuò)邊量和厚度方向的錯(cuò)邊。封頭組對(duì)好后，在封頭板上安裝防變形工裝，防止封頭拼縫焊后形成翹曲變形。封頭焊接試板點(diǎn)焊在拼縫的前端，與封頭拼縫一起焊接。

2.4 拼縫焊接

焊前坡口及其兩側(cè)25 mm范圍采用丙酮清洗去除油污，機(jī)械GTAW焊接時(shí)，焊槍宜選用大口徑的透鏡噴嘴，加強(qiáng)對(duì)焊接熔池的保護(hù)，背面及尾部均須采用氬氣保護(hù)，背面氬氣保護(hù)盒長(zhǎng)度與焊縫長(zhǎng)度一致，焊槍尾部氬氣保護(hù)盒長(zhǎng)度不小于200 mm，焊縫未冷卻300℃以下時(shí)，禁止與空氣接觸，防止焊縫在高溫下氧化和吸收空氣中的氫、氧、氮，導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)脆化，以及焊縫硬度升高。SB-265 Gr.16相匹配的焊材為ERTi-16，但由于該焊材生產(chǎn)廠家少，訂貨周期長(zhǎng)，此次封頭拼縫采用Pd含量更高的ERTi-7焊材，具體焊接規(guī)范參數(shù)如表3所示。

表3 焊接規(guī)范參數(shù)Table 3 Welding specification parameters

2.5 焊縫質(zhì)量要求

焊縫焊后進(jìn)行外觀檢測(cè)，焊縫應(yīng)為銀白色，允許有少量的麥稈黃色，禁止出現(xiàn)發(fā)藍(lán)、發(fā)黑現(xiàn)象。外觀檢測(cè)合格后進(jìn)行FULL-PT-APP.8及FULL-RT-UW-51檢測(cè)。

3 封頭壓制方案的確定

鈦材具有較高的屈強(qiáng)比，加工過(guò)程中回彈量較大，加工硬化程度高，鈦在常溫下，延伸率比較低，這些因素都給鈦封頭冷成形工藝提高了難度，因此鈦封頭采用熱沖壓是一個(gè)比較可靠的選擇。通常材料隨溫度升高，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度下降，延伸率升高，但鈦隨加熱溫度升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降，延伸率先隨溫度升高而上升，溫度到了200℃以后，延伸率出現(xiàn)下降的態(tài)勢(shì)，溫度到了400～500℃時(shí)，延伸率降至材料的最低，然后再隨溫度的升高而升高，因此鈦封頭熱沖壓的終壓溫度控制是鈦封頭熱沖壓的關(guān)鍵點(diǎn)之一。溫度高于650℃后，鈦會(huì)發(fā)生再結(jié)晶，在該溫度下加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，鈦的晶粒組織會(huì)變的粗大，影響材料的強(qiáng)度。基于上述的考慮以及原有的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)的結(jié)果，封頭壓制加熱溫度按620℃執(zhí)行，終壓溫度原則上盡可能高于500℃。鈦具有較低的沖擊韌性，裂紋擴(kuò)展阻礙能力差，具有較高的缺口效應(yīng)。鈦封頭板面質(zhì)量的好壞，以及封頭模具表面的光潔程度均會(huì)影響封頭壓制的質(zhì)量，在封頭壓制前應(yīng)去除板面的劃傷性缺口，對(duì)封頭的模具進(jìn)行拋光。

4 封頭的壓制

4.1 壓制前準(zhǔn)備

封頭板裝爐前進(jìn)行檢查，是否存在磕碰性劃傷、下料切割氧化物等，封頭板邊緣打磨成小R圓滑過(guò)渡，降低邊緣缺口效應(yīng)。封頭拼縫余高采用機(jī)械拋磨的方式去除，拋磨過(guò)程中須注意不能將焊縫打磨得低于母材厚度，拋磨后再采用百潔布輪對(duì)焊縫位置精拋。以上事情處理好后，對(duì)整個(gè)封頭板采用洗潔精清洗，保證整個(gè)板面清潔。封頭壓機(jī)的上模、下模、壓邊圈進(jìn)行除銹及光潔拋光，拋光度不低于80#。

4.2 封頭裝爐加熱

封頭板采用天然氣爐加熱，封頭板放置于爐子正中央，每次加熱一片封頭板，封頭板在爐中用耐火磚墊高，墊高高度大于300 mm，墊高使用的耐火磚為鏤空擺放，保證封頭板底部的空氣可以實(shí)現(xiàn)有效的對(duì)流，保證封頭板升溫的均勻性。耐火磚支撐封頭板的位置用保溫棉鋪上，防止封頭板被耐火磚磕傷。封頭板距離爐子火嘴的距離大于300 mm，避免爐嘴火焰直接燒到封頭板上，造成過(guò)渡氧化。封頭拼縫焊接試板隨爐加熱，墊高要求與封頭相同。封頭板上布置3支熱電偶，正中心1支熱電偶，邊緣均勻布置2支熱電偶，焊接試板布置1支熱電偶。封頭板加熱溫度為620℃±10℃，保溫時(shí)間20～30 min。

4.3 封頭沖壓

封頭板保溫后，出爐進(jìn)行沖壓，將封頭板放置在壓機(jī)上，快速調(diào)整與壓機(jī)對(duì)中，防止封頭板溫度下降過(guò)多，影響封頭終壓溫度。對(duì)中后，壓邊圈將封頭板壓緊，壓機(jī)上模下壓，完成首次沖壓。首次沖壓選擇小規(guī)格的模具沖壓，后續(xù)沖壓逐漸加大封頭沖壓模具規(guī)格，壓機(jī)每次沖壓需要控制上模下壓量，不可以沖壓深度過(guò)深，造成封頭變形量一次性過(guò)大，增加封頭壓裂的風(fēng)險(xiǎn)。該封頭直徑4000 mm，共進(jìn)行4次爐內(nèi)加熱，經(jīng)4次沖壓后最終成形，每次加熱過(guò)程，封頭拼縫焊接試板均隨爐加熱。沖壓的過(guò)程中采用紅外測(cè)溫槍監(jiān)測(cè)封頭終壓溫度，4次沖壓的終壓溫度依次為516℃、520℃、485℃、473℃。

4.4 封頭旋壓修口

鈦封頭熱沖壓成形后，封頭端口會(huì)存在向外翻邊的現(xiàn)象，影響封頭的幾何尺寸，后續(xù)需要旋壓修口。封頭修口采取200℃低溫加熱的方案，在旋壓機(jī)上旋壓修口。

5 封頭檢驗(yàn)

封頭成形后，對(duì)封頭厚度、直徑、周長(zhǎng)、封頭高度、內(nèi)凸及外凹等尺寸進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)封頭內(nèi)外表面進(jìn)行拋光處理，拋光后對(duì)整個(gè)封頭內(nèi)外表面進(jìn)行FULL-PT-APP.8檢測(cè)，封頭內(nèi)外表面沒(méi)有缺陷，對(duì)封頭拼縫進(jìn)行FULL-RT-UW-51檢測(cè)，檢測(cè)合格。

按照ASME VIII-1卷UNF- 95條款的要求，封頭拼縫焊接試板需要進(jìn)行4個(gè)橫向側(cè)彎試驗(yàn)。對(duì)焊接試板制取彎曲試樣，彎曲試驗(yàn)的彎頭直徑80 mm，彎曲角度180°，經(jīng)檢驗(yàn)，彎曲試樣無(wú)裂紋和其它缺陷，符合ASME標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

此次4000 mm直徑SB-265 Gr.16鈦鈀合金封頭拼縫采用機(jī)械GTAW焊接方法焊接，焊接過(guò)程中進(jìn)行嚴(yán)格控制，封頭壓制采用熱沖壓的成形方案，最終獲得幾何尺寸及力學(xué)性能合格的封頭，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)，此次大直徑鈦封頭的壓制成功，為后續(xù)大型鈦封頭成形提供了可靠經(jīng)驗(yàn)。