張良玉，李 華，劉守田

(張家港華裕有色金屬材料有限公司，江蘇 蘇州 215627)

TA2純鈦焊接管無縫化處理及焊縫組織和性能分析

張良玉，李 華，劉守田

(張家港華裕有色金屬材料有限公司，江蘇 蘇州 215627)

以φ23 mm×0.7 mm的TA2純鈦焊接管為原料，研究了不同冷軋加工率對(duì)管材焊縫組織的影響,優(yōu)選出冷加工率達(dá)到34%焊接管材,進(jìn)行了后序的除油酸洗和真空退火處理。對(duì)比分析了經(jīng)冷軋→除油酸洗→真空爐退火處理的焊接管與冷軋無縫管力學(xué)性能及工藝性能的差異。結(jié)果表明，TA2純鈦焊接管經(jīng)過無縫化工藝處理后,焊縫粗大的鑄態(tài)組織和過熱的魏氏組織完全消除，為細(xì)小、均勻的等軸組織，與基體組織趨于一致；與冷軋無縫管相比，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率略高或相當(dāng)；反向展平、擴(kuò)口、壓扁等工藝性能也無明顯差異，有望取代冷軋無縫管。

TA2純鈦焊接管；冷軋無縫隙管；無縫化處理工藝；間隙元素

0 引 言

鈦被譽(yù)為“第三金屬”，是高新技術(shù)領(lǐng)域具有重要戰(zhàn)略意義的新興金屬材料。鈦?zhàn)鳛榻Y(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、無磁性等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于航空航天、核電、造船、石油、化工、冶金、海洋工程等領(lǐng)域[1-5]。

在化工、發(fā)電、海水淡化等工業(yè)領(lǐng)域大量使用的薄壁鈦管材有無縫管和焊接管2種。相對(duì)于焊接管材生產(chǎn)，無縫管生產(chǎn)工序多、周期長(zhǎng)、成材率低、成本高，尤其是生產(chǎn)超薄、超長(zhǎng)管材更加明顯。而焊接管材生產(chǎn)是以冷軋鈦帶為原料，經(jīng)分條、卷焊而成，因此生產(chǎn)工序少，周期短，成材率高，成本低。特別是生產(chǎn)超長(zhǎng)、超薄的管材優(yōu)勢(shì)愈加明顯。

但是由于焊接鈦管材的焊縫及其熱影響區(qū)域組織粗大，呈鑄態(tài)組織，導(dǎo)致焊縫處的性能比基體差[6-7]。另外，焊接管材外表面的焊縫余高，會(huì)影響換熱管與管板脹接的貼合性，貼合不好會(huì)影響管板的使用壽命；而內(nèi)表面的焊縫余高，會(huì)成為內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)沖刷的應(yīng)力集中點(diǎn)，使管材耐沖刷腐蝕性能降低。因此，焊接管材雖然能夠滿足火電廠、海水淡化裝置等熱交換器的使用要求，卻不能夠滿足條件更為苛刻環(huán)境的使用要求。為了解決這一問題，本研究探討了通過冷軋加工及后序的熱處理來消除焊縫對(duì)管材性能影響的可行性，以期進(jìn)一步擴(kuò)大純鈦焊接管材的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 坯料

以進(jìn)口日本住友公司0.7 mm厚的二類純鈦帶作為焊接管材的原料。經(jīng)分條，在張家港華裕有色金屬材料有限公司自動(dòng)化焊管生產(chǎn)線上加工成φ23 mm×0.7 mm的焊接管，切取3 000 mm的定尺3支，經(jīng)渦流探傷、宏觀檢查、尺寸檢查和水壓試驗(yàn)合格后，作為后序無縫化處理的管材坯料。

在焊管坯料上切取高度為5 mm的環(huán)形試樣，觀察管材橫截面上的焊縫組織。在管材焊縫處切削化學(xué)成分分析試樣，分析焊縫處間隙元素的含量。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)切取拉伸、擴(kuò)口、壓扁和反向展平試樣，測(cè)試管材的拉伸性能，進(jìn)行擴(kuò)口、壓扁和反向展平試驗(yàn)。

1.2 無縫化處理

無縫化處理工藝流程為：焊管坯料→不同加工率的冷軋→除油酸洗→真空爐退火。將3支φ23 mm×0.7 mm×3 000 mm的焊接管材在LD30多輥冷軋管機(jī)上分別冷軋成φ22 mm×0.6 mm、φ21 mm×0.55 mm、φ20 mm×0.5 mm，冷加工率分別達(dá)到17%、28%、34%。在冷軋后管材的中間部位，切取高度為5 mm的環(huán)形試樣，觀察冷軋加工率不同的管材橫截面上的焊縫組織。選出其中焊縫組織被完全破碎的管材，進(jìn)行除油酸洗、真空退火(600 ℃×2 h/AC, 升溫速率為15 ℃/min)，完成無縫化處理工藝。在無縫化處理后的管材中間部位切取長(zhǎng)度為5 mm的環(huán)形試樣，觀察管材橫斷面的金相組織。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)切取拉伸、擴(kuò)口、壓扁及反向展平試樣，分別進(jìn)行拉伸性能測(cè)試以及擴(kuò)口、壓扁、反向展平試驗(yàn)，分析管材的力學(xué)性能及工藝性能。在焊縫處切取化學(xué)成分分析試樣，分析無縫化處理后管材的間隙元素含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 冷軋加工率的選擇

圖1給出了經(jīng)過不同加工率冷軋的TA2純鈦焊接管焊縫處的橫截面顯微組織照片。由圖1a可以看到，焊接管材焊縫處組織與基體組織存在很大差異，兩種組織的界限也很明顯?；w組織為均勻細(xì)小的等軸組織，而焊縫組織由晶粒粗大的鑄態(tài)組織和過熱的魏氏組織組成，接近表面的部位晶粒相對(duì)較小，且存在很多針狀α相，中間的粗大組織中還夾雜有細(xì)小的等軸顆粒。這是由于在焊接過程中，焊縫表面的金屬比中間的冷卻速度快所致，另外金屬的焊接過程屬快速熔化和快速冷卻的熔焊過程，熔池中存在沒有完全液態(tài)化的近程有序排列組織，這種組織在冷卻凝固過程中成為形核中心，并長(zhǎng)大成為細(xì)小的等軸組織。

圖1 TA2純鈦焊管及經(jīng)過不同加工率冷軋的TA2純鈦焊管顯微組織的照片F(xiàn)ig.1 Microstructures of TA2 pure titanium welded tube and welded tubes with different cold working rates

經(jīng)過17%冷軋變形的焊縫組織(圖1b)與原始的焊縫組織相比，雖然粗大組織有所改變，但是焊接組織與基體組織的差異依然清晰可辨。經(jīng)過28%冷軋變形的焊縫組織(圖1c)與原始的焊縫組織相比，粗大晶粒得到了一定程度的破碎，焊縫和基體的界限模糊，但依然存在變形的粗大鑄態(tài)組織，仍與基體組織存在一定的差異，通過后續(xù)的退火無法完全消除焊縫組織。管材經(jīng)過34%的冷加工變形后，其焊縫組織(圖1d)與原始的焊縫組織相比,粗大的鑄態(tài)組織和過熱的魏氏組織被徹底破碎，熱影響區(qū)消除，基體和焊縫無法分辨。說明管材經(jīng)過0.2 mm的減壁冷軋，焊縫組織與基體組織趨于一致，同為冷加工變形組織。預(yù)計(jì)通過后續(xù)的退火處理會(huì)基本消除焊接組織對(duì)管材性能的影響。因此，只選擇了冷軋加工率為34%的TA2純鈦焊接管(φ20 mm×0.5 mm)進(jìn)行后序的熱處理，完成了無縫化處理的全過程，并與未經(jīng)處理的焊管進(jìn)行了化學(xué)成分、組織和性能的分析對(duì)比。

2.2 無縫化處理的焊接管的組織與性能分析

2.2.1 TA2純鈦焊接管無縫化處理前后的化學(xué)成分

考慮到焊接和真空熱處理工序?qū)ζ渌氐挠绊懖淮?，因此僅分析了無縫化處理前后TA2純鈦焊接管的間隙元素含量，結(jié)果見表1。由表1可以看出，無縫化處理前后焊接管材焊縫處的間隙元素成分均符GB/T 3625—2007標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。無縫化處理后，氫含量由0.002%降到了0.001%，氧含量由0.10%升至0.11%，而C、N沒有變化。氫含量之所以下降其原因可能是焊管在真空退火過程中，焊縫處的氫隨著溫度的升高逸出所致。

表1 無縫化處理前后TA2純鈦焊接管焊縫處的間隙元素含量(w/%)

Table 1 Interstitial element contents of TA2 welded titanium tube before and after seamless processing

2.2.2 無縫化處理前后TA2純鈦焊管的顯微組織

圖2為無縫化處理前后TA2純鈦焊接管焊縫處的顯微組織照片。對(duì)比圖2a、b可以看出，經(jīng)過無縫化處理后，TA2純鈦焊接管材焊縫及熱影響區(qū)粗大的鑄態(tài)組織和過熱的魏氏組織已經(jīng)完全消除，焊縫組織與基體組織趨于一致，均為細(xì)小、均勻的等軸組織，平均粒徑接近20 μm。

圖2 TA2純鈦焊接管無縫化處理前后焊縫處顯微組織的照片F(xiàn)ig.2 Microstructures of welded joint of TA2 welded titanium tube before and after seamless processing

2.2.3 無縫化處理的TA2純鈦焊接管的拉伸性能

表2給出了TA2純鈦帶、無縫化處理的TA2純鈦焊管及TA2純鈦冷軋管的拉伸性能。與TA2純鈦帶原料相比，無縫化處理的焊接管焊縫處的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率均略有提高或相當(dāng)。這與前面的組織觀察結(jié)果非常吻合，表明焊接管材經(jīng)無縫化處理后，焊縫和熱影響區(qū)組織被完全消除，拉伸性能得到了恢復(fù)或提高；與φ20 mm×0.5 mm的TA2純鈦冷軋無縫管相比，無縫化處理的焊接管材抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也略高，延伸率相當(dāng)。

表2 TA2純鈦帶、無縫化處理的TA2純鈦焊管及TA2純鈦冷軋無縫管的拉伸性能

Table 2 Tensile properties of titanium strip, welded tube and tubes after seamless processing

2.2.4 無縫化處理的TA2純鈦焊接管的工藝性能

按照GB/T 3625—2007《換熱器及冷凝器用鈦及鈦合金管》要求，在無縫化處理的TA2純鈦焊接管上取樣進(jìn)行反向展平試驗(yàn)，并與φ20 mm×0.5 mm的冷軋無縫管反向展平試樣進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見圖3。展平試驗(yàn)是將102 mm的管材沿直徑縱向剖開，焊接管要保證焊縫位于180°弧的1/2處，然后反向展平。由圖3可見，冷軋無縫管反向展平試樣未見有裂紋，而無縫化處理的焊接管反向展平試樣在焊縫處也未見有裂紋產(chǎn)生。

圖3 TA2純鈦冷軋無縫管及無縫化處理的焊接管反向展平試樣的宏觀照片F(xiàn)ig.3 Photos of reverse flattening specimens of TA2 welded titanium tube before and after seamless processing

按照GB/T 242—2007和GB/T 246—2007標(biāo)準(zhǔn)在無縫化處理的TA2純鈦焊接管上及φ20 mm×0.5 mm的TA2純鈦冷軋無縫管上取樣，進(jìn)行了壓扁和擴(kuò)口試驗(yàn)，擴(kuò)口外徑>24 mm，壓扁距<5.6 mm，結(jié)果示于圖4和圖5。從圖4和圖5可以看出，無縫化處理的焊接管與冷軋無縫管的壓扁試驗(yàn)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，兩者沒有顯著的差異，擴(kuò)口達(dá)到30%以上，兩者均未發(fā)現(xiàn)有裂紋存在。

圖4 TA2純鈦冷軋無縫管及無縫化處理的焊接管壓扁試樣的宏觀照片F(xiàn)ig.4 Photos of flaring specimens of TA2 welded titanium tube before and after seamless processing

圖5 TA2純鈦冷軋無縫管及無縫化處理的焊接管擴(kuò)口試樣的宏觀照片F(xiàn)ig.5 Photos of flattening specimens of TA2 welded titanium tube before and after seamless processing

對(duì)比無縫化處理的TA2純鈦焊接管和冷軋無縫管反展平、壓扁和擴(kuò)口試驗(yàn)的結(jié)果，表明無縫化處理的焊接管材的工藝性能與冷軋無縫管的相當(dāng)，有望取代冷軋無縫管。無縫化處理的焊接管的耐腐蝕性能否達(dá)到冷軋無縫管的水平有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 論

(1)TA2純鈦焊接管的冷軋加工率達(dá)到34%,可完全破碎焊縫粗大的鑄態(tài)組織和過熱的魏氏組織。

(2)TA2純鈦焊接管經(jīng)過無縫化處理后,焊縫粗大的鑄態(tài)組織和過熱的魏氏組織完全消除，為細(xì)小、均勻的等軸組織，與基體組織基本趨于一致；與冷軋無縫管相比，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率略高于或相當(dāng)；反向展平、擴(kuò)口、壓扁等工藝性能也無明顯差異，有望取代無縫管。

[1] 文九巴.材料科學(xué)與工程[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2007:375-377．

[2] 錢九紅．航空航天用新型鈦合金的研究發(fā)展及應(yīng)用[J].稀有金屬，2000,24(3):218-213.

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Seamless Processing of TA2 Welded Tube and Analyzing of its Microstructure and Properties

Zhang Liangyu, Li Hua, Liu Shoutian

(Zhangjiagang Huayu Nonferrous Metal Material Co.，Ltd.，Suzhou 215627，China)

The effects of cold rolling process on microstructure of welded joint were studied, takingφ23 mm×0.7 mm TA2 pure titanium welded tube as experimental material.The optimal cold working rate was 34%, and the subsequent pickling and vacuum annealing treatment were carried out.The mechanical properties and process performance of cold-rolled seamless tube and welded tube after seamless processing were compared.The results show that, the coarse cast structure and Widmanstatten structure are completely eliminated,while fine and uniform equiaxed grain consistent with matrix structure can be obtained. The tensile strength, yield strength and elongation are slightly higher or equivalent compared with cold-rolled seamless tubes, and no obvious difference are found on reverse flattening, flaring and flattening performance. TA2 welded tube after seamless processing is expected to replace cold-rolled seamless tube.

TA2 pure titanium welded tube; cold-rolled seamless tube; seamless processing; interstitial element

2016-08-21

張良玉(1981—)，女，工程師。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)06-0032-04