公司接到一批TA2(工业纯钛)钛封头制作。公司虽然对工业纯钛有过接触,但其封头的压制情况并不顺利。联系方式【13731720882】 热中压封头(无拼接焊缝)出现裂纹, 焊接封头在制作过程中焊缝及焊缝热影响区出现 裂纹,特别是直径比较大的封头,裂纹比较多. 吸取上次的教训，这一次的制作,公司对钛制封 头制作工艺进行全面改进,重新制定制作工艺：
     1.1工业纯钛的特性 工业纯钛化学元素含量中主要的元素是钛 (Tj),钛在化学元素周期表中位于22,属于活 泼性元素.在常温下,钛就能吸收空气中的氢 气,在温度超过400时,就开始和空气中的 氮,氧等发生化学反应,所生成的化合物使钛的 性能下降,特别是塑性显着下降,不利于变形加 工,所以焊接时要采用气体保护焊.钛也是有强 烈钝化倾向的金属,在空气中能迅速生成一层稳 定的氧化性保护膜,在氧化性或中性水溶液中, 钛表面的氧化膜能稳定存在,即使由于某些原因 遭到破坏后也能迅速自动恢复,因而钛在这些介 质中具有优异的耐蚀性.
     1.2 化学成分 钛具备高强度,低密度,良好的耐高温,耐 低温,抗强酸,抗强碱,稳定的化学性质.因 此,钛在飞机,汽车,医疗设备,石化,化工等 行业得到广泛的应用.在石化,化工用于容器上 面常见的是工业纯钛(TA0,TA1,TA2, TA3),其牌号(化学成分)见表1. 序化学JC/(%)I它成分兀素几素 {n(:NlI()组 Tj r)lk余11Al I()250.1()().030【】l50.20()l0.4 I余TA2『『.0300.1()0.05().Ol5025()l0.4 1.,Ik余_rA3 『|.04()().1()0.(15().0l50.030l0.4
     1.3工业纯钛物理性能 其与不锈钢,碳钢比较见表2. 可以看出:1)工业纯钛的弹性模量较低,约为碳钢和 不锈钢的二分之一; 2)从密度数据对比工业纯钛占据很大的优势; 第26 工业纯钛,不锈钢,碳钢的物理性能比较材料 物理性能_rAl～/f TA3f0(ll8Nil(Yl'i(I5—20)常^1.131.932.0o lO01.O9 2o0:J.O3J.79I.9O 弹性模3O0O.94 E10/MPa 4000.851.641.69 5O0077 6O007l1.4O 镪度/(I/m)4.5l7.97.86 l65O～熔0 /l450l50()I74O比热容/社&4725l0480 常温0.04070.0385().17J0O0.0390.O390.12】 热导/2O00.039O.1l6 I.M/3OO0.0400045 (n-H?)]400c(:O.O4l0.10l 0.0855O00 .O43().055(600 Il6O～ IOOc【:86l6.7 (20～1O0 O～3l692I7.1l26 线膨胀系数(20—200) a?10/l3.0 (1/)O～538'9.7l8.6(20 400~C)l46O～ 649l0ll9.4f20 600)O～816l0.120.2 比电阻常温56～ 6772l7—19(n -em) 3)熔点较高,比碳钢还高出100～200~C 右,导热系数比不锈钢低,这点不利于焊接,焊缝金属在高温区停留时问会加长,容易造成晶粒 的粗大,会存在较大的焊接残余应力,增加焊接 的难度.基于这点焊接时要采用较小的焊接线能 量,防止焊件过热,应在前一层熔敷金属冷却到 较低温度(1O0)以下再焊下一层.
    1.4 工业纯钛力学及工艺性能(见表3) 可以看出:1)工业纯钛屈服强度较高,压力加工所需 的变形力较大,需要较大的压制力; 2)屈强比大(在退火状态下o,./a= O.7～O9),允许的塑性变形范围很窄; 3)屈服强度与弹性模量的比值较大,因而 冷加工时具有明显的回弹性,其弯曲回弹量是不 倍,限制了钛不能用于制作复杂的精密度的固件; 工业纯钛的力学性能和工艺性能几}强度规定残余仲长伸长弯ml 板材厚度trJ./MI'al谴jjoln/MIa 碑0t/(牌状态 不小于8/%不小_下 03～2045l40 邀火TAO2I 5.0280～42OI7O3Ol40状态 5.1～lO.()30 0.3—2.040l40 火TAl2 1～5.O370～53025030l3O状态 5.1～IO.030 03～2.035Io0 ll～2.O3Ol00 出火rA22 I～5.044O～62O3202580状态 5l～lO.()25 0l～2502O O3～2(】3O90 遐火ll～202590 TA3540～72O4l0 状态 2.1～5O2O80 5.1～l().O20 4)工业纯钛的常温下伸长率较低,而且具 有明显的冷加工硬化倾向,工业纯钛的硬度和强 度会随冷变形的程度增加而增加,伸长率则迅速 下降,其塑性变形范围狭小,这限制了钛制零件 的弯曲和翻边应采用较大的弯曲半径(其弯曲半 径不得小于4～5 基于以上工业纯钛的特性,钛制封头制作一般采用热成形或预成形后热校形,一般成形后再 进行退火处理.
      2.1 热冲压钛制封头(EHA800x6 一T)制作 流程 封头EHA8006 一TA2,其公称直径 (800ram)比较小,采取整板下料(无拼接焊 缝),热冲压成形.其冲压成形过程如图2 所示, 由于热胀冷缩的原因,热成形后封头会紧贴上 模,需要借助脱模板.经查询得出工业纯钛的热 加工温度定为500～650,最终采用58 680,从图3(回弹角Act与温度t 的关系)可 IIIIIllJllfIII』lfIflJlIIfIIIIIIfIJ1JJf』J1IJIi 以看出处于这个温度段时,工业纯钛的回弹量很 小对成型的尺寸影响可以不考虑,而且此温度也 低于工业纯钛的相变温度(882).加热炉 (退火炉)采用天然气(6 个喷嘴),确保封头 坯件均匀受热,到达温度后保温8～10min 炉.出炉后进行一次性冲压成形,冲压后采用空冷,后进行修边处理(火焰切割). 回弹角与温度t的关系
     2.2 封头成形后的状况及分析 1)封头EHA800X6 一TA2 修边采用火焰 切割(切除多余直边段).切割处显示出各种 颜色.在距离切割处近的显示为灰色或灰白色, 距离切割远些的显示为蓝色,再远距离处显示 为黄铜色与草黄色.一般认为在300以下, 氧化膜颜色不变;在350～400呈草黄色; 450oC 左右呈黄铜色;500～550oC 为紫色; 600～650oC 为蓝色:700～800oC 由灰转为灰 白色:900oC 以上为棕色. 2)冷却后封头内部大圆弧处显示为黄铜 色.过渡小圆弧和直边段处则显示为紫色和蓝 色.后查明原因是没有加热上下模具所致.如图 过程所示加热后的封头坯料大圆弧处在冲压开始时与冷的上模具紧贴后,热传递的原因,先快 速冷却,随冲压的进一步进行,过渡小圆弧和直 中国特种设备安全l39 边段也与上模具紧帖,也快速冷却,这样就出现 了前面所说的情况. 3)封头成形后,封头过渡小圆弧和直边段 外表面出现划痕比较多,内表面沾有比较多的杂 质,这印证了钛与其他金属接触的粘沾力强,摩 擦系数大,压制成型时易被划伤和产生粘结等 现象.
     2.3 处理方法
       1)考虑到模具与封头坯料一起加热后,安 装上下模具及上下模具的定位会比较困难.公司 采用加热过的厚钢板圆坯(其直径建议大于压边 圈外圆直径,厚度12～20mm),置于上下模之 间,然后施加压力,使圆坯变形,变形一定程 度,使坯料紧贴上下模,然后停止施加压力,停 留(10～15min),使上下模具及压边圈受热均 匀,也起到上下模及压边圈的定位作用.卸下厚 钢板,装上加热后的钛封头坯料,进行冲压.这 样可以有效的防止出现坯料冲压时因热传递原因 温度急剧下降,大圆弧和过渡小圆弧和直边段的 温差减少,其二者颜色比较接近,后来也证实这 种方法可行.
       2)封头内表面粘有比较多的杂质,而且存 在较多的划痕,我们最后对成型后的封头进行里 外全面的抛光处理,抛光先要粗抛把表面粘沾的 杂质给去除,再细抛进行表面的划痕的清除.
       3)建议在压制前对上下模具进行涂润滑 剂,这样有利减少表面的划痕,防止杂质的 沾粘. 由于TA2 是由客户提供原材料,其钛板板 宽为1500mm,所以封头EHA38008 一TA2 的坯料需拼接而成.根据客户要求,其坯料拼 接示意图如图4 所示.图5 口角度为80.,钝边05～1mm,与不锈钢和碳素结构钢相比采用的大坡口角度,小钝边. 这样有效防止气孔的产生,利于焊缝底部的熔 透.此次坡口加工先采用火焰切割机割成大概 60.左右的坡口角度,再用磨光机人工打磨成 所示坡口形式.焊丝由客户提供,焊丝是用板厚3mm的 TA2 钛板剪切而成,与坯料同材质.在焊接前应 nU 40l第26 坡口形式图对焊丝做焊前清理工作:
       1)焊丝先用细砂纸(也可以用不锈钢金属 丝)进行抛光处理,去除表面的氧化膜等,露出 金属光泽;
       2)用丙酮或酒精溶液擦洗抛光过的焊丝.
     3.1 焊接工艺规范 1)焊接采用钨极手工氩弧焊,其焊接工艺 参数见表4. 2】焊接采用直流正接; 3)避免焊接开始处保护效果差,需在起弧 处加入引弧板(钛板或不锈钢板).上次操作没 有采用引弧板,焊缝呈现出不同的颜色,翻边工 序中因此而产生裂纹; 焊接工艺参数焊接焊缝材炳材r 乜流/AI 位置层数牌?规格L1]Jill?min)平位4TA23x3J3O～】5OJ2～J6l】0～J2O "径//喷嘴孔径/气体枪体背面保 mn1mn1 拖喷嘴护装置 4)为了使焊接过程中热影响区温度快速冷却,保证焊接质量(防止该区域晶粒粗大),也 防止坯件因焊接而发生变形,采用紫铜压板(主 要是紫铜导热性能好,条件局限也可以采用不锈 钢压板),其保护装置示意图如图6 所示,拖罩 采用紫铜材质; 5)为了使拖罩及不锈钢管内的空气排除 (见图6),需预先送保护气; 6)焊炬与工件应尽可能垂直; 7)焊接熄弧后,应延时送保护气,确保工 件冷至25OuC 以下; 钛板焊接保护装置示意图8)焊缝表面颜色以银白色和金黄色,有关 焊缝是否合格见表5. 仍合格判断处理方法表|fii 颜色fI=『,h 不HJ其他处婵 金黄色(敛惭)尚女f 合,ffl 可彳川处理 只盯川于篮包g-去除蓝色 鼠I1rJ}J=女除紫色,去紫色较/-常压容器不摊处应返修 灰色篾不合格返修 睛灰色差合格返修 灰ij 色很箍合格返修 螗色粉状物搬茇合格返修
     3.2 焊接完成后,吸取以前的教训,对焊接坯件先进行一次退火(消除应力退火),退火温度为 550～600,保温15～30rain 左右,然后空冷. 然后进行压鼓操作,有了上面一道退火工序,压 鼓出现裂纹的机率会大大减小.压鼓工序应采取 先用比大圆弧段半径大的模具压制,压制一定的 深度之后,换上与大圆弧段半径相同或接近的模 具压带I,采用点压制作,深度不宜太深.如出现 裂纹应进行返,re: 1)先用磨光机打磨裂纹,开出一道U 形状 2)用软毛刷刷干净槽表面,为了清除打磨后的灰尘等杂质,也可用保护气吹; 3)对于保护装置,考虑到压鼓工序时,坯 (下转第49 不同F值能探测封头半径mm 502537703552 904567 l206O89 l5()75ll2 2001O0148 250l25l85 灵敏度校验与检测 在钢管检测时,由于管壁是连续的,因此按 不同管径选用对应的F,X,H 值就能确保内, 外壁缺陷同时可检测而不漏检,但由于封头的两 端是开孔,此时的检测工艺仍采用钢管的工艺参 数,是否能达到检测目的,是否会造成漏检,结 合超声原理一起讨论: 1)见图4 和图5,在封头检测时,靠近(b3O 小孔端因边角反射,此点处如有沟槽存在则缺陷波 会被边角反射波所掩盖,而外壁存在着超过人工缺 陷试块当量的缺陷,可以用MT 和目测发现和弥补, 离开边角区域的外壁以内的缺陷,则可以被内壁和 孔壁的反射波所接收,就不会造成漏检. 所示的缺陷试块,当外壁缺陷处在封头曲率开始到孔端的1/2 弧面上,调整X 件已变形,不需用压板,这里可以直接采用上下拖罩进行保护焊接. 压鼓之后,为了保证翻边工序的质量,不出现 裂纹,对压鼓之后的半成品再进行一轮退火处理, 采用与消应力退火一样工艺.退火之后,翻边应采 用多道次,每道次翻边量不宜过大,以防出现翻边 裂纹.过程中如出现多处裂纹而且长度比较长,应 返修后再增加一次退火处理,其工艺与消应力退火 样.整个翻边完成之后,进行1%射线探伤,其质量不低于ll 级.上面的工序都完成后需进行最 终的退火处理,其工艺与消应力退火一样,最后, 进行修边和抛光处理同热冲压工序. i4j 经过这次钛制封头制作实践,公司对钛制封中国特种设备安全1.49 则可清晰判别缺陷的位置和波幅当量,说明缺陷沟槽只要不处在孔端边角位置这一点上,其他 位置上的缺陷是不会漏检的. 3)为了确保不漏检,根据152 产品的小 孔端其弧长为1OOmm,(152-n-一90Tr),/4=1O0 因为声束的入射点在1/4 球面的弧面上不到 1/5 的位置上,参考图5 的声束走向1/5 以上的 部位可以一次检测到,而入射点图4 点的部位则没有检测到,采用调整偏心距的方法,即X:0251 尺+0458r,一次和X 次,这样向直管端位移3mm,重新检测一次,观察缺陷试块上的缺陷波与原来一致. |05I 结束语j 综上所述,在某蓄能器制造厂的配合下,抽检了对内壁绉折较严重,打磨后仍有沟槽存在的30 件成形产品进行检测,发现沟槽最深的有近2mm (用端点6dB 法测得)有3 只,近1mm有5 (这些产品厂方已报废),分析原因,属端部加热温度不均所致.从检测实践中证实了上述检测工艺能 适用于球形封头的液浸法超声检测,为确保承压设 备的安全运行提供一次可行的实践经验. (收稿L】期20l0—03—31) 头制作有了比较全面的了解.钛制封头的制作最 大难点出在焊接,应尽量减少焊缝数量.焊接时 需要很好的保护及表面的清理工作,以保证焊缝 的质量.其次工业纯钛冷加工硬化趋势大,如焊 缝存在缺陷,很可能会在制作过程中出现裂纹. 其间的退火处理采用合适的热处理工艺要选择合 适的保温温度.另外,对于直径比较大的封头, 其翻边工序钛板的变形量比较大,反弹量也较 大,每道次翻边量不宜过大.现在随着冲压机冲 压能力的提高,对于直径比较大的封头,也可以 采用热冲压制作,其成形外形比较美观(翻边之 后工件外表面会有一道道比较明显的印痕),表 面质量也比较好,但其冲压模具成本比较高,而且不同直径需要相应的冲压模具.