原杰 葉建林 董斌 袁敏哲

（西安優(yōu)耐特容器制造有限公司)

Ti-35合金設(shè)備的關(guān)鍵制造技術(shù)

原杰*葉建林 董斌 袁敏哲

（西安優(yōu)耐特容器制造有限公司)

Ti-35合金是后處理設(shè)備的新型用料。對Ti-35材料的焊接和機(jī)械加工性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。采用新工藝、新技術(shù)成功地研制出國內(nèi)首臺Ti-35材料溶解器、蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)設(shè)備，滿足各項(xiàng)技術(shù)要求并順利通過驗(yàn)收。為Ti－35材料的商業(yè)化應(yīng)用起到了積極的推動作用。

鈦合金 焊接工藝 溶解器 蒸發(fā)器 制造技術(shù) 脹接

0 前言

Ti-35合金是西北有色金屬研究院對Ti-Ta系合金長期系統(tǒng)的研究，優(yōu)化出的一種具有優(yōu)異耐沸騰硝酸溶液腐蝕的新型鈦合金[1]，其已被證明是替代超低碳不銹鋼制造溶解器、蒸發(fā)器等后處理關(guān)鍵設(shè)備的理想用料。Ti-35合金作為一種新型化工設(shè)備用材，其在焊接、成形等方面的性能與傳統(tǒng)的鈦合金相比有了一定的改善。Ti－35合金是在傳統(tǒng)的鈦合金基礎(chǔ)上加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%的Ta元素。由于Ta的熔點(diǎn)極高，加上Ta與Ti的密度相差極大，這就使得Ti－35合金與傳統(tǒng)的鈦合金在焊接性能等方面有所不同。西安優(yōu)耐特容器制造有限公司利用長期從事稀有金屬壓力容器制造的豐富經(jīng)驗(yàn)，針對Ti-35合金材料的特點(diǎn)，對Ti-35合金在加工、焊接、成形等方面的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過控制原材料及制造過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)并采用一些新工藝、新技術(shù)，成功地研制出Ti-35合金溶解器、蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)設(shè)備。經(jīng)過多種檢測和試驗(yàn)，該溶解器、蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)設(shè)備在性能和質(zhì)量上均能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和客戶的圖紙、技術(shù)條件的要求，最終順利通過了客戶的評審驗(yàn)收。

本次研制的Ti-35合金溶解器、蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)設(shè)備在材料、結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵制造工藝等方面均與正式產(chǎn)品相似，這就為后續(xù)Ti-35材料的溶解器、蒸發(fā)器正式產(chǎn)品的制造提供了成熟的工藝和經(jīng)驗(yàn)，同時也為Ti-35材料在后處理關(guān)鍵設(shè)備中的工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 制造關(guān)鍵技術(shù)

1.1 焊接工藝

設(shè)備焊縫的質(zhì)量好壞直接決定了整臺設(shè)備的可靠性和安全性，因此在設(shè)備制造前，必須進(jìn)行焊接工藝評定，從而確定正確的焊接方法和焊接參數(shù)。研究表明，焊接熱輸入量和熱循環(huán)道次是Ti-35合金焊縫性能的關(guān)鍵因素[2]。通過長期、大量的焊接工藝試驗(yàn)，總結(jié)優(yōu)化出了適用于Ti-35合金間焊接以及Ti-35與異種鈦合金間焊接的工藝參數(shù)，如表1所示。

Ti-35合金的化學(xué)成分和力學(xué)性能決定了其焊接特性的復(fù)雜性：（1）高溫時，Ti－35合金已與碳、氫、氧等雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成化合物，嚴(yán)重影響了焊縫質(zhì)量和耐腐蝕性能。（2）Ti－35合金作為一種α合金，焊縫若在高于β相變溫度之上的高溫停留時間過長，會導(dǎo)致強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性下降。（3）鐵的存在對Ti－35合金的耐腐蝕性影響很大，并且鐵污染會導(dǎo)致加速吸氫，嚴(yán)重影響焊縫質(zhì)量。針對以上特點(diǎn)，除了嚴(yán)格按照焊接工藝進(jìn)行施焊外，還應(yīng)采取以下有效的措施來確保焊接質(zhì)量。

表1 焊接工藝參數(shù)

（1）焊前準(zhǔn)備：所有的坡口應(yīng)盡量使用機(jī)械加工的方式獲得，并且嚴(yán)格控制焊縫坡口結(jié)構(gòu)尺寸。焊接前焊縫坡口及焊縫兩側(cè)50 mm焊縫熱影響區(qū)范圍內(nèi)用丙酮進(jìn)行清理去油脂。

（2）焊接保護(hù)：焊接時需對熔池、焊縫及溫度超過300℃的熱影響區(qū)妥善保護(hù)。應(yīng)針對不同的焊接結(jié)構(gòu)，制作特殊結(jié)構(gòu)的托罩和保護(hù)罩，形成均勻穩(wěn)定的層流，對焊接接頭部位進(jìn)行良好的保護(hù)。

（3）Ti－35焊接區(qū)應(yīng)以快速冷卻為宜，因此在焊接過程中，除了嚴(yán)格控制層間溫度外，還應(yīng)使用銅板等措施加速焊接區(qū)域冷卻速度。

（4）焊接環(huán)境：焊接均在潔凈環(huán)境中進(jìn)行，要對焊接區(qū)域進(jìn)行“菲繞啉”試驗(yàn)檢測，在保證無鐵離子污染時方能進(jìn)行施焊。施焊時相對濕度不大于60%，焊件溫度不低于5℃。焊接平臺、設(shè)備及工裝等應(yīng)清潔，必要時采用丙酮擦拭拖罩及背面保護(hù)裝置、壓板等。焊工及裝配工戴潔凈的紗布手套。

通過以上措施對焊接過程嚴(yán)格地控制，最終設(shè)備焊縫表面均呈銀白色，PT、RT檢測也均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、圖紙和技術(shù)文件的要求。此外，還對設(shè)備焊接試板進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果均滿足要求。有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表3 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

1.2 封頭成形工藝

Ti－35合金具有強(qiáng)度高、變形抗力較大、回彈較大以及大量冷變形后會產(chǎn)生晶格畸變等特點(diǎn)[3]。鑒于Ti－35合金在一定的溫度下其塑性得到明顯改善，同時其變形抗力和回彈減小，成形性能顯著改善，因此Ti－35封頭成形宜采用熱成形工藝?？紤]其變形抗力和回彈因素，應(yīng)保證一定的終壓溫度，且終壓溫度應(yīng)盡量高。通過模擬試沖和試樣分析，確定了封頭加熱工藝如圖1所示。同時，還應(yīng)對下料尺寸、壓制方案、模具結(jié)構(gòu)和預(yù)熱溫度等方面進(jìn)行嚴(yán)格控制。成形后的封頭不僅形狀尺寸嚴(yán)格符合標(biāo)準(zhǔn)要求，還具有較好的力學(xué)性能。成形后封頭力學(xué)性能如表4所示。

圖1 封頭加熱工藝

表4 封頭力學(xué)性能

1.3 脹接工藝

為了保證管頭與管板接頭的質(zhì)量，管頭與管板接頭采用脹接加強(qiáng)度焊的方式以保證連接強(qiáng)度和密封性，從而提高接頭的抗疲勞性能，延長設(shè)備的使用壽命[4]。針對Ti－35合金的特點(diǎn)，應(yīng)采用柔性脹接。與其他脹接方法相比，液壓脹接具有管壁受壓均勻、換熱管軸向伸長率小、脹接段過渡光滑等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此本設(shè)備脹接方法采用液壓脹接。

換熱管發(fā)生屈服而管板發(fā)生彈性變形是最理想的脹管狀態(tài)，因此采用下式進(jìn)行脹接力的計(jì)算：

式中σs1——管材屈服極限，為438 MPa；

σs2——管板屈服極限，為441 MPa；

do——管子外徑；

di——管子內(nèi)徑；

Di——管板上管孔直徑；

B——孔橋尺寸。

由上式計(jì)算得到本設(shè)備所需的脹接力ps=391 MPa。根據(jù)計(jì)算的脹接壓力并通過試脹接對脹接力進(jìn)行修正，最終確定脹接力為400 MPa，此時脹接效果滿足要求。由于管板上分布的管孔較多，在進(jìn)行脹接時，采用從管板周邊向內(nèi)對稱交替脹接的順序進(jìn)行脹接，嚴(yán)格控制管子伸出長度，同時避免多次反復(fù)脹接。脹接前和更換脹管器后必須檢查脹接長度，防止管板背面殼體內(nèi)換熱管脹出，從而保證了脹接質(zhì)量，也有效地控制了由于脹接引起的管板變形。

2 無損檢測

無損檢測是確保產(chǎn)品安全質(zhì)量的重要技術(shù)手段。針對該類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與Ti－35材料特點(diǎn)，除了嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)、圖紙技術(shù)要求進(jìn)行無損檢測外，還應(yīng)制定針對性的無損檢測策略。由于Ti與Ta原子排序相差較大，傳統(tǒng)的像質(zhì)計(jì)無法保證探傷的靈敏度和探傷底片的清晰度，因此通過研制Ti－35專用像質(zhì)計(jì)、增加無損檢測方法和次數(shù)、提高無損檢測靈敏度與缺陷檢出率等技術(shù)手段，確保了無損檢測的質(zhì)量。

3 結(jié)論

Ti－35作為一種新型化工設(shè)備用材，如何利用其制造出高質(zhì)量的設(shè)備，并沒有可借鑒的先例和經(jīng)驗(yàn)。本公司依托多年的研究成果和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對Ti－35材料成形、焊接、脹接等關(guān)鍵工藝的大量試驗(yàn)研究，并對整個制造、檢驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制，成功研制出國內(nèi)首臺Ti－35合金溶解器、蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該設(shè)備最終檢測合格并順利通過驗(yàn)收。目前該設(shè)備的中試階段一切良好。該Ti－35合金設(shè)備的成功研制，為Ti－35材料的推廣和工業(yè)化應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1]吳金平，楊英麗，趙彬，等.后處理設(shè)備用Ti-35合金材料研究[C].北京：中國核學(xué)會，2006：302-304.

[2]吳金平，楊英麗，趙恒章，等.焊接熱循環(huán)對Ti35鈦合金組織性能的影響[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20(1)：650-653.

[3]楊英麗，趙彬，林橋，等.冷加工率對Ti-35合金組織性能的影響[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2004，21(6)：22-23.

[4]陸怡，顏惠庚，宋瑞宏，等.換熱管與管板液壓脹接接頭疲勞性能[J].化工機(jī)械，2003，30(4)：198-201.

Key Manufacturing Technology of Ti-35 Alloy Equipment

Yuan JieYe JianlinDong BinYuan Minzhe

Ti-35 alloy is a new-type material for the post processing equipment.Thus,the welding performance and the machining property of the Ti-35 alloy is studied.Then the first dissolver and evaporator laboratory equipment of the Ti-35 material in China，which meets all the technical requirements and passes the acceptance，is successfully developed by applying new technology.Meanwhile,it has played an active role in promoting the commercial application of the Ti-35 material.

Titanium alloy;Welding technology;Dissolver;Evaporator;Manufacturing technology;Expanded connections

TQ 050.6

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.08.014

2015-12-20）

*原杰，男，1989年生，碩士研究生，助理工程師。西安市，710201。