TA2純鈦焊接管無縫化處理

裴穎脫，張金明

（1 天津工業職業學院，天津 300400；2 東北特殊鋼集團股份有限公司，遼寧 大連116105）

鈦材料在高新技術產業中應用較多，這與鈦金屬的優勢有著密切關系，比如鈦的比重較小，具有較好的耐腐蝕、耐磨以及無毒優勢。鈦金屬實際應用十分廣泛，如可用于化工行業、核電行業、石油行業等，在上述相關行業領域應用期間，薄壁鈦管材包含了焊接管與無縫管，無縫管與焊接管相比，在生產加工期間投入大、生產周期長、產品合格率較低，特別是在超長管材以及超薄管材加工期間，其實際投入與產出之間存在較大差異性[1]。焊接管材與無縫管加工相比，其生產效率明顯提高。本研究結合筆者工作經驗，探討TA2純鈦焊接管無縫化處理的相關問題。

1 問題的提出

鈦管材在焊接過程中雖然較鈦管材無縫化對應的生產周期、生產成本下降，且具有較高的成品率，但是焊接過程中由于焊接熱力效應以及焊縫的存在，造成焊接區域組織粗大，表現出鑄態組織，致使基體與焊縫位置性能差異較大，而焊縫位置也成為了整個鈦管材焊接的薄弱點，對管材的安全使用以及使用壽命產生影響[2]。對于內表面存在焊縫余高問題也會引起焊材出現應力集中問題，降低管材的耐腐蝕性能，因而一般環境條件下焊接管材能夠滿足要求且應用廣泛，但是對于環境要求較為復雜的，焊接管的實際應用受到限制，具體應用期間的安全性以及使用壽命均會受到環境條件影響?；诖耍枰ㄟ^冷軋加工處理以及相關熱處理將焊縫對整個基體產生的影響徹底消除或者大幅度降低，便于鈦金屬焊接材料應用范圍的延伸。

2 實驗過程

2.1 坯料

焊機管材原料選擇進口材料，具體為日本住友公司生產的二類純鈦帶，厚度為0.7mm，分條處理后，通過自動化焊管生產線，將其加工成為焊接管，具體規格為ф23mm×0.7mm，切取3支3000mm的定尺，并實施渦流探傷、尺寸檢查、宏觀檢查、水壓試驗等，確保其相關參數以及性能達到合格要求，經過上述處理將其作為無縫化處理坯料。

從上述制作的焊管坯料上選取5mm高度的環形試樣，細致的對選取試樣橫截面焊縫組織進行觀察，找到管材焊縫位置后對其進行切削處理，分析其化學成分，評價焊縫中化學元素含量水平；嚴格按照國家行業標準，對選取的試樣進行拉伸、擴口、壓扁以及反向展平等操作，對管材拉伸性能以及相關參數做出處理[3]。

2.2 無縫化處理

整個無縫化處理需要按照以下流程進行：選取焊管坯料，對不同加工率管材實施冷軋處理，除油后酸洗，真空條件下退火。使用LD30多輥冷軋管機對選取的3支ф23mm×0.7mm×3000mm焊接管材進行處理，冷軋處理后使其達到ф22mm×0.6mm、ф21mm×0.55mm以及ф20mm×0.5mm要求，對應的冷加工率為17.00%、28.00%以及34.00%，完成冷軋處理后，從不同規格成品中選取試樣，要求從不同產品中間區域選取，環形試樣的高度為5mm，獲取試樣后觀察橫截面焊縫組織，并對比不同冷軋率條件下觀察結果的差異性；研究焊縫組織中完全破碎管材，并進行如下操作，包括除油酸洗與真空退火，真空退火條件為600℃×2h/AC，將升溫速率控制在每分鐘15℃。通過上述操作完成無縫化處理。無縫化處理完成后繼續選取試樣，同樣從處理后的試樣中間位置選取環形試樣，高度仍然為5mm。仔細觀察管材橫斷面金相組織，依據標準操作方法實施拉伸、擴口操作、壓扁操作以及反向展平操作，通過上述相關操作試驗了解試樣的力學性能以及加工處理工藝。從焊縫位置獲取化學成分，然后進行試樣分析，了解無縫化處理后管材焊縫區域中間隙元素情況以及含量水平等。

上述操作均由專業人員嚴格按照國家現有的行業法規進行處理。

3 實驗結果分析

3.1 冷軋加工率的選擇

圖1所示為TA2純鈦焊管以及采取不同加工措施后冷軋焊管顯微組織，a、b、c、d對應的冷加工率分別為0.00%、17.00%、28.00%以及34.00%。觀察圖片，冷加工率為0的情況下，基體組織與焊管管材焊縫區域組織差異性明顯，兩者之間有著較為清晰的分界線，其中基體組織表現出等軸組織，較為細小且均勻，但是焊縫區域包含了過熱的魏氏組織以及鑄態組織?？拷砻娴膮^域，晶粒較小，有針狀α相存在且數量較多，有細小的等軸顆粒存在于粗大組織區域。出現這一結果與實際焊接有關，鈦管材的焊接期間，焊縫表面暴露在空氣中，而焊縫中間區域受到保護，兩者在焊接后冷卻速率方面存在差異，這種差異造成上述焊縫區域與基體之間存在不同。金屬焊接過程中的問題較高，對應的熔化以及冷卻過程較為迅速，致使熔池中存在未完全液態化的排列組織，冷卻后這些未完全液態化的排列組織可稱為形核中心，表現出細小的等軸組織。

在冷加工率為17.00%的條件下，通過冷軋變形，原有焊縫組織中的粗大組織發生了改變，盡管如此，焊縫區域和基體之間仍然存在較為清晰的分界線。在冷加工率為28.00%的條件下，焊縫中的粗大組織變化明顯，部分粗大晶粒發生破碎，此時基體和焊縫中間的分界線逐漸變得模糊，雖然已經發生了改變，但是仍然有粗大鑄態組織的存在，局部區域仍然有清晰的分界線，后期退火處理后，焊縫組織沒有完全消除。當冷加工率達到34.00%的時候，由于冷加工率較大，焊縫中間的魏氏組織以及鑄態組織得到有效破碎，焊接過程中溫度所產生的熱效應得到消除，焊縫區域和基體之間融為一體，無法分辨出焊縫所在位置。也就是說通過對管壁實施減壁冷軋處理，焊接期間形成的焊縫得到了有效處理，有效的實現了焊縫消除。通過對不同冷軋率基體和焊縫關系的分析，冷軋率為34.00%的退火處理后有焊縫完全消除的可能。

圖1 TA2純鈦焊管以及采取不同加工措施后冷軋焊管顯微組織

3.2 無縫化處理焊接管組織和性能

表1 無縫化處理前后焊接管材焊縫區域元素成分

（1）無縫化處理前后間隙元素改變情況。鈦管材在焊接過程中，焊接操作、真空熱處理可能會造成管材中元素含量的變化，其中以焊接管間隙區域元素含量變化可能性更大，表1所示為無縫化處理前后焊接管材焊縫區域元素成分變化情況。從國內表中數據可以看出，無縫化處理前后間隙元素含量基本沒有發生改變，且符合國標要求。分析其中氫元素含量水平下降可能是在真空退火期間，焊縫位置的氫會隨著溫度升高出現流失，造成氫元素含量下降。

（2）無縫化處理前后顯微組織變化。圖2所示為無縫化處理前后焊管顯微組織表現，通過觀察圖中顯微組織，在無縫化處理后，純鈦焊接管材對應的焊縫、熱影響區、鑄態組織、魏氏組織等均完全消除，基體與焊縫組織保持一致，均呈現出等軸組織，較為均勻且細小，其中粒徑大小約為20μm。

圖2 無縫化處理前后焊管顯微組織表現

（3）無縫化處理前后拉伸性能對比。表2所示為無縫化處理前后焊接管材拉伸性能相關參數，主要是抗拉強度、屈服強度以及延伸率。通過對焊接管實施無縫化處理，處理后的上述參數有所提高，而經過冷軋無縫化處理后，上述參數出現較大幅度的改變，但是均符合國標中的相關要求。拉伸性能的改變與處理過程有著密切關系，通過無無縫化處理，焊縫中間的熱影響區、鑄態組織、魏氏組織等均被消除，粒徑均勻度較高，因而總體拉伸性能提高。

表2 無縫化處理前后焊接管材拉伸性能分析

（4）無縫化處理工藝性能分析。根據規范要求，對無縫化處理后的管材進行了多項實驗操作，反向展平過程中，冷軋無縫處理后的管材沒有出現裂縫；展平實驗過程中通過冷軋無縫化處理，管材在展平期間同樣沒有出現裂縫，焊縫區域與基體均為裂縫，表明經過無縫化處理以及冷軋無縫化處理，管材的總體性能得到改善，焊縫薄弱點的應用現狀得到改善。無縫化處理以及冷軋無縫化處理后，選取試樣同時進行擴口試驗和壓扁試驗，擴口后的外徑超過24mm，而壓扁距小于5.6mm，上述試驗中，無縫化處理、冷軋無縫化處理結果較為接近，且均符合國標要求。表明采取的上述相關措施能夠保證鈦管材的相關性能，提高了對復雜環境下的適應能力。

4 研究結論

本研究中通過實驗方法分析了鈦管材、無縫化處理、冷軋無縫化處理后的相關質量，具體為焊縫區域的顯微組織圖以及拉伸性能。研究結果顯示通過無縫化處理以及冷軋無縫化處理，在冷軋率為34.00%的情況下，鈦焊接管材對應的焊縫、熱影響區、鑄態組織、魏氏組織等均消除，且拉伸性能符合要求，存在替代無縫管的可能性。