大口径超薄壁钛焊管的研制

钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐海水腐蚀和综合性能优异等特点。国外已经大量使用薄壁钛管代替传统铜合金管用于海水淡化、舰船、海上石油工程、电站等用的热交换器和冷凝器装置，这不仅可以显著提高热交换效率，还可以提高使用寿命，降低设备维修维护成本，经济效益显著。 与钛无缝管相比，钛焊管具有壁厚尺寸均匀、同心度好、内外表面光洁度高、材料利用率和生产效率高等优势。且钛焊管可以做到壁厚0.5mm及以下，而通过轧制和拉拔工艺要获得壁厚≤1mm的钛管很难。 我国目前已经具备了小口径薄壁钛焊管的生产能力，且工艺比较成熟。但对于直径大于38.1mm、壁径比＜2%的钛焊管，国内的相关研究仍属空白。随着我国海洋工程战略的启动和海洋工程装备制造水平的提升，对海洋工程用大口径超薄壁钛焊管的研制要求十分迫切。为此，对大口径薄壁钛焊管生产中存在的成形和外径控制难度大、切割易变形等问题进行研究，希望能够优化生产工艺，制备出符合标准要求的Φ50.8mm×0.5mm钛焊管产品。 原料为真空退火后的冷轧钛带卷，牌号为Gr.2，规格为0.5mm×160mm×L。焊接设备采用JT50连续自动化钛焊管生产线，成形轧辊采用铜合金轧辊，孔型设计适用于超薄壁管冷弯成形，焊接采用钨极氩弧焊+高纯氩气保护，热处理工艺为在线感应消除应力退火。 相较于普通焊管的成形，大口径超薄壁钛焊管的成形尤其困难。因为钛的韧性好，成形过程中的带边回弹较不锈钢等材质大，又由于壁厚薄，带边在不均匀受力的情况下非常容易产生变形，当变形程度超过弹性极限时，很容易产生鼓包、波浪形边等，导致无法焊接。另外由于直径较大，圆度控制也是一个大的难题，最后的成品管外径大小以及椭圆度很容易超标。在实验过程中，对成形段、焊接段以及定径段的轧辊弧形进行了多次优化，以克服研制过程中出现的带边鼓包、圆度不够、焊接打孔等实际问题。以第一对成形辊为例，该对辊是W弧形，是钛管成形的关键，在首次研制的时候，因为带边受力不均，出现了带边鼓包等现象，通过对W弧形的优化，鼓包现象得以消除。 大口径超薄壁钛焊管由于口径大、壁厚薄，在线切割时极易变形。研制时，对超薄壁钛焊管切割夹持基体进行了特殊设计，在基体的端头镶嵌了4块聚氨酯扇形夹块，其目的是为了实现夹具受到拉力合拢时能够对钛管进行夹持和定位。在夹具基体端头镶嵌聚氨酯扇形块，解决了夹具夹持时钛管变形或表面损伤的问题，提高了薄壁管定位精度，为切割创造了有利条件。 试验结果表明：试制的大口径超薄壁钛焊管化学成分、力学性能均能满足ASTMB338-2014标准；焊缝、热影响区与母材硬度相差不大；焊缝和热影响区组织无异常，焊缝无气孔、夹杂等缺陷，焊接质量良好。