一种厚径比直缝钛及钛合金焊管的制备方法

摘要

本发明介绍了一种厚径比直缝钛及钛合金焊管的制备方法，其特征是过程为：（1）钛带经过在线连续冷弯成型，制备得到由板状成型成圆筒状的管材；（2）进入焊接箱体，钨极氩弧焊接，通过钨极氩弧焊焊接，由未封闭的圆筒状焊接成封闭的管状；（3）将焊接后的管材进行在线感应去应力退火；（4）定径矫直；（5）涡流无损探伤和超声无损探伤、气密性检测，在无报警和卸压的情况下为合格管材。经本发明的方法生产的厚径比钛焊管，尺寸规格、力学性能和化学成分、表面质量等满足海水淡化工程用钛焊管的要求，突破这种非常规钛焊管生产工艺，从而制造出厚径比0.015~0.020非常规海水淡化工程用钛焊管。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛及钛合金材料加工技术，特别是一种厚径比直缝钛及钛合金焊管的制备方法。 

背景技术

由于钛具有比重小，比强度高和耐海水腐蚀等优良性能，钛焊管在海水淡化、电力、化工等领域获得了越来越广泛的应用。在海水淡化行业，常需使用大管径如Φ38~Φ50mm、薄壁厚如0.5~1.0mm规格的直缝钛及钛合金焊管，以充分利用其截面大换热和加热效果好等优点。常规规格直缝钛焊管的制备技术已成熟，直缝钛焊管的钛焊管常规规格详见下表1中的ok部分区域。 

 表1 

 对于外径Φ38~Φ50mm，厚径比0.013~0.020直缝钛焊管的制备技术，国内外均处于研究阶段，至今未见实质性突破。这种厚度和管径的钛焊管，由于管径大管壁薄，也即其原材料钛带薄且宽，这种薄且宽的钛带在成型成焊管的过程由于金属的流动性方向性大，存在成型不完全和成型边部波浪严重问题，且成型后反弹严重和焊接困难等问题，这些问题成为现在制作这种大管径薄壁钛焊管的技术难点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种厚径比直缝钛及钛合金焊管的制备方法，实现对外径Φ38~Φ50mm，壁厚0.5~1.0mm直缝大管径薄壁厚的厚径比钛焊管的生产制备，满足海水淡化领域对这种厚径比直缝钛焊管的应用需求，制备的钛焊管尺寸规格、焊缝质量、表面质量等满足海水淡化领域用钛焊管的要求。 

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案： 

    本发明的一种厚径比直缝钛及钛合金焊管的制备方法，技术方案是：钛带经过在线连续冷弯成型，由板状成型成闭合孔径，保持这种闭合孔径状态进入焊接箱体，对管材闭合接缝处进行钨极氩弧焊接，形成直缝钛及钛合金焊管；焊接后的直缝钛及钛合金焊管进入在线感应退火装置，通过在线感应加热对管材进行退火热处理，除去成型和焊接过程中残留在管材中的加工应力，最后通过定径、矫直，制备出尺寸和表面、性能满足要求的海水淡化用钛焊管，具体过程为：

（1）直缝钛焊管成型：

直缝钛焊管成型是在成型机组上从水平板弯曲成闭合孔状的过程；直缝钛焊管成型机组采用的布置方式是水平辊和立辊交错布置，实现钛带由板状到闭合孔状的变形。

成型机组中的平辊和立辊的交错排列方式和平辊和立辊间的间隙，对钛焊管的成型起着决定性的作用。尤其是对大管径壁厚较薄的钛焊管成型，一是管径大壁薄其在成型过程中，若排列方式和间隙设计不恰当，则会出现由于边部变形大而中间变形小的变形不均匀产生边部波浪；二是对弹性模量大的钛材料来说，管径越大成型过程反弹现象越严重，从而会造成焊接不住的现象。 

成型机组共分成4个部分：1、对中装置部分：包括3组立辊，3组立辊无动力传动，为被动传动；通过3组立辊实现对来料钛带的对中导向，3组立辊连续紧凑排列，立辊间的间隙为10~15mm；2、粗成型装置部分：包括3组平辊和2组立辊，排列方式为平辊+立辊+平辊+立辊+平辊；3组平辊的下辊均为带动力单独传动，平辊的上辊和立辊为无动力被动传动；经过对中装置的钛带首先进入第一架平辊进行成型，经过粗成型装置，钛带边部充分成型，钛带由板状成型成一定开口度的形状；粗成型装置中平辊和立辊间的间隙为20~30mm；3、精成型装置部分：包括4组平辊和6组立辊，排列方式为立辊+平辊+立辊+立辊+立辊+平辊+立辊+平辊+立辊+平辊；4组平辊的下辊均为带动力单独传动，平辊的上辊和立辊均为无动力被动传动；经过精成型装置，钛带成型成闭合孔状，精成型装置中平辊和立辊间的间隙为20~30mm；4、管径保持装置部分：包括4组立辊，立辊均无动力传动；通过该装置带材保持闭合孔状，解决成型后反弹成开口状的问题，保持闭合孔状进入焊接箱体，本装置部分中立辊间的间隙为10~15mm。 

（2）成型成闭合孔径的管材进入焊接箱体，采用钨极氩弧焊的方式对管材进行焊接，焊接过程中在管材内部、焊接箱体内、焊缝内、焊接后托罩内充入一定量的氩气，焊后得到内外焊缝填充充分，颜色银白色，过渡圆滑的焊缝；其中，控制钨极与焊缝的高度在2~2.5mm，氩气流量在5~20l/min，使得焊缝能够快速冷却，获得焊缝处晶粒尺寸在9~15um；得到焊接后的直缝钛焊管。 

焊接过程的焊接电流、电压与焊接速度相匹配。 

优选的焊接工艺参数为：焊接极性为直流正极性，钨极直径为3.2mm，钨极尖端形状为15~50°锥形时，当焊接电流为0~9 5 A，电弧电压为0~10.5V，焊接速度为0~1m/min；当焊接电流为70~140 A，电弧电压为8~12V，焊接速度为1~2m/min；当焊接电流为100~220 A，电弧电压为8.5~12.5V，焊接速度为2~3m/min。 

（3）焊接后的直缝钛焊管进行在线感应去应力退火。具体的在线感应去应力退火方法是：焊接好的钛焊管在线穿过穿过感应加热线圈，感应线圈中通过交变电流时，产生交变磁场，使处于磁场内的焊管产生同一频率的感应电势，从而在工件中产生涡流，以涡流为主的热效应将工件加热到工艺设定温度，进行在线感应热处理。本发明中的感应热处理工艺设定退火温度为550~700℃，退火过程中惰性气体保护，退火后管材出炉温度≤100℃，退火速度与生产速度同步。通过这种方式，保证了管材沿圆周和沿径向退火效果的均匀性。 

（4）对去应力退火的直缝钛焊管进行定径矫直。去应力退火后的管材在线经过定径矫直装置，实现对管材管径和直线度的精确控制；定径矫直装置为平辊和立辊交替排列的方式组成，排列组合方式为平辊+立辊+平辊+立辊+平辊+立辊+平辊+立辊，平辊和立辊间的间隙为20~30mm。 

（5）定径矫直后的直缝钛焊管进行涡流无损探伤和超声无损探伤、气密性检测，在无报警和卸压的情况下为合格。 

本专利所述的厚径比直缝钛及钛合金焊管，具体是指外径Φ38~Φ50mm，壁厚0.5~1.0mm，厚径比0.013~0.020。 

这些技术方案也可以互相组合，从而达到更好的技术效果。 

本专利所述的长、宽、厚、内外径的单位，没有特别说明的，均为毫米。 

本发明采用原材料钛带经过在线连续冷弯成型，由板状成型成闭合孔径，保持这种闭合孔径状态进入焊接箱体，对管材闭合接缝处进行钨极氩弧焊接，形成直缝钛及钛合金焊管；焊接后的直缝钛及钛合金焊管进入在线感应退火装置，通过在线感应加热对管材进行退火热处理，除去成型和焊接过程中残留在管材中的加工应力，最后通过定径、矫直的技术方案，具有以下的有益效果： 

经该制备方法生产的管径Φ38~Φ50mm，壁厚0.5~1.0mm的直缝钛焊管焊缝质量和表面质量等满足海水淡化用钛焊管的要求，突破这种0.013~0.020厚径比直缝钛及钛焊管的制备方法，从而实现这种厚径比直缝钛及钛合金焊管的大批量生产，可在海水淡化领域广泛应用。

通过该制备方法，能解决大管径，薄壁钛焊管成型难点，获得这种厚径比钛焊管的生产工艺方法，该制备方法操作简单，易实现大批量生产。 

附图说明

图1是成型机组设计示意图。 

图中，1-立辊，2-带传动的平辊，3-对中装置，4-粗成型装置，5-精成型装置，6-管型保持装置。 

图2是定径机组设计示意图。 

图中，7-带传动的平辊，8-立辊。 

具体实施方式

下面结合附图对本专利进一步解释说明。但本专利的保护范围不限于具体的实施方式。 

实施例1 

原材料TA2钛带，带宽122.0~123.5，壁厚0.68~0.76mm，连续冷弯成型轧辊模具规格Φ39，进行Φ39×0.7mm规格直缝钛焊管的制备。钛带经过在成型机组上的3组无动力立辊组成的对中装置，立辊间的间隙为10mm，实现对钛带的对中和导向。经过对中装置的钛带进入成型机组中的粗成型装置，排列方式为平辊+立辊+平辊+立辊+平辊。粗成型装置中平辊和立辊间的间隙为25mm。3组平辊的下辊均为带动力单独传动，平辊的上辊和立辊为无动力被动传动。经过粗成型装置，钛带边部充分成型，钛带由板状成型成一定开口度的形状。接下来进入精成型装置，排列方式为立辊+平辊+立辊+立辊+立辊+平辊+立辊+平辊+立辊+平辊，精成型装置中平辊和立辊间的间隙为25mm。4组平辊的下辊均为带动力单独传动，平辊的上辊和立辊均为无动力被动传动。经过精成型装置，钛带成型成闭合孔状。成型成闭合孔径后进入由4组立辊组成的管径保持装置，立辊均无动力传动。使管材保持闭合孔状进入焊接箱体，本装置中立辊间的间隙为10mm。经过成型机组管材圆筒周围无任何擦划伤，圆筒对接处为直线状对接，无任何波浪。

成型成闭合圆筒状的管材进行在线钨极氩弧焊接，采用焊接工艺参数：焊接速度2~3m/min，焊接电流110~200A，焊接电压9~10V，氩气流量5~15l/min，通过钨极氩弧焊焊接，由未封闭的圆筒状焊接成封闭的管状，使得焊缝填充充分，过渡圆滑，外焊缝余高0~0.5mm，内焊缝余高0~0.1mm。采用焊接后涡流无损探伤装置，对焊缝质量进行监测，有缺陷报警，报警部分切除。焊接后对管材进行初定径，定径后管径范围Φ39±0.25mm。定径过程中使用乳化液，然后进行在线感应退火，退火之前用热水将残留在管材表面的乳化液清洗干净、压缩空气吹扫，热水水温75~95℃。在线感应退火以去除残留在管材中的应力，温度560~600℃，氩气氛围保护，仓压10~25mbar。退火后管材进行精定径、矫直。精定径后管材直径Φ39±0.15mm：矫直后管材直线度0.5~1.5mm/m：对定径矫直后的管材进行第二次涡流探伤和超声波无损探伤、气密性检测。结果合格。 

取样测试力学性能和工艺性能。性能：屈服强度Rp0.2： 360MPa，抗拉强度Rm：470MPa，延伸率：60.5%，压扁、20%扩口、焊缝处反向展平均合格。

实施例2 

原材料TA2钛带，带宽139~140.5，壁厚0.68~0.76mm，连续冷弯成型轧辊模具规格Φ39，进行制备Φ44.7×0.7mm规格直缝钛焊管。

钛带经过在成型机组上的3组无动力立辊组成的对中装置，立辊间的间隙为10mm，实现对钛带的对中和导向。经过对中装置的钛带进入成型机组中的粗成型装置，排列方式为平辊+立辊+平辊+立辊+平辊。粗成型装置中平辊和立辊间的间隙为25mm。3组平辊的下辊均为带动力单独传动，平辊的上辊和立辊为无动力被动传动。经过粗成型装置，钛带边部充分成型，钛带由板状成型成一定开口度的形状。接下来进入精成型装置，排列方式为立辊+平辊+立辊+立辊+立辊+平辊+立辊+平辊+立辊+平辊，精成型装置中平辊和立辊间的间隙为25mm。4组平辊的下辊均为带动力单独传动，平辊的上辊和立辊均为无动力被动传动。经过精成型装置，钛带成型成闭合孔状。成型成闭合孔径后进入由4组立辊组成的管径保持装置，立辊均无动力传动。使管材保持闭合孔状进入焊接箱体，本装置中立辊间的间隙为10mm。经过成型机组管材圆筒周围无任何擦划伤，圆筒对接处为直线状对接，无任何波浪。 

成型成闭合圆筒状的管材进行在线钨极氩弧焊接，钨极氩弧焊焊接工艺参数，接采用焊接速度2~3m/min，焊接电流100~180A，焊接电压8~10V。通过钨极氩弧焊焊接，由未封闭的圆筒状焊接成封闭的管状，使得焊缝填充充分，过渡圆滑，外焊缝余高0~0.5mm，内焊缝余高0~0.1mm。采用焊接后涡流无损探伤装置，对焊缝质量进行监测，有缺陷报警，报警部分切除。焊接后对管材进行初定径。定径过程中使用乳化液，然后进行在线感应退火，退火之前用热水将残留在管材表面的乳化液清洗干净、压缩空气吹扫，热水水温75~95℃。将残留在管材表面的水珠刮擦干净。在线感应退火以去除残留在管材中的应力，温度560~580℃，氩气氛围保护。退火后管材进行精定径、矫直。精定径后管材直径Φ44.7±0.15mm：矫直后管材直线度0.2~1.5mm/m。对定径矫直后的管材进行第二次涡流探伤和超声波无损探伤、气密性检测。结果合格。 

取样测试力学性能和工艺性能及焊缝处金相组织结构。性能：屈服强度 325MPa，抗拉强度443MPa，延伸率 58.5%，压扁、20%扩口、焊缝处反向展平均合格。