CN102581062B

CN102581062B - 一种无缝化钛及钛合金焊接管的生产方法

Info

Publication number: CN102581062B
Application number: CN 201210034904
Authority: CN
Inventors: 路开; 路金林
Original assignee: ZHANGJIAGANG HUAYU NONFERROUS METAL MATERIAL CO Ltd
Current assignee: ZHANGJIAGANG HUAYU NONFERROUS METAL MATERIAL CO Ltd
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-02-16
Also published as: CN102581062A

Abstract

本发明涉及一种无缝化钛及钛合金焊接管的生产方法，其包括在精密自动焊管生产线上完成焊接管材，得到焊接管，特别是，所述生产方法还包括对所得焊接管进行一次或多次冷轧 - 热处理加工，该冷轧 - 热处理加工包括如下步骤：（ 1 ）、采用多辊轧管机对焊接管进行冷轧，冷轧时，管材内外表面均经过润滑处理，冷轧成品总加工率控制在 50%~70% 之间，道次加工率控制在 15%~50% 之间，冷轧道次为 2~3 次；（ 2 ）、冷轧后，对管材进行除油清洗；（ 3 ）、使除油清洗后的管材在真空退火炉中进行退火。本发明方法获得无缝化焊接管，且生产效率高、成本低，环境污染小。

Description

一种无缝化钛及钛合金焊接管的生产方法

技术领域

本发明涉及一种钛及钛合金焊接管的生产方法，特别是该方法能够实现焊接管的无缝化效果。

背景技术

钛及钛合金管材主要有焊接管与无缝管二种。无缝管加工工艺复杂，需多道次重复，成材率低，生产周期长，生产效率低，占地面积大，操作人员多，除油、酸洗对环境产生污染，真空热处理次数多、能耗高，不能连续生产，尤其是生产薄壁、超长管材较困难，成本高。无缝管适用于高温高压腐蚀环境等要求较高的场合用管。

焊接管的生产方法目前一般为冷轧钛带挤压成型再焊接成管，在一条生产线行可连续生产完成制管，生产效率高，原材料利用率高（带至管成材率大于95%），占地面积小，操作人员少，对环境无污染，可生产长达25米的管材，焊接管用带经高度变形加工，其晶粒细，故加工的焊管壁厚均匀，晶粒细小。然而，冷轧带材技术难度大，其高端精密的热-冷轧机组投资高。我国在长达四十余年受制于国外封锁、垄断，成为“无米之炊”，不得不大量进口焊接管。近几年，国内大型企业不断消化吸收，引进先进技术，已形成批量生产能力，带材质量已接近或达到国外同类产品水平高质量钛带，为焊接管生产奠定了基础。焊接管的焊缝及其热影响区域呈铸态组织，晶粒粗大，与基体金属不同，焊接管能满足电厂凝汽器、海水淡化装置中多种热交换要求，但对于环境要求较高的场合不适用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无缝化钛及钛合金焊接管的生产方法，该方法加工得到的焊接管的性能符合无缝管性能要求。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种无缝化钛及钛合金焊接管的生产方法，其包括在精密自动焊管生产线上完成焊接管材，得到焊接管，特别是，所述生产方法还包括对所得焊接管进行一次或多次冷轧-热处理加工，该冷轧-热处理加工包括如下步骤：

（1）、采用多辊轧管机对焊接管进行冷轧，冷轧时，管材内外表面均经过润滑处理，冷轧成品总加工率控制在50%~70%之间，道次加工率控制在15%~50%之间，冷轧道次为2~3次；

（2）、冷轧后，对管材进行除油清洗；

（3）、使除油清洗后的管材在真空退火炉中进行退火。

优选地，在进行冷轧前，将焊接管分切成具有适于多辊轧管机要求的尺寸的坯管。多辊轧管机的型号可以为LD30型、LD40型或其它型号。

优选地，冷轧时，管材外表面采用40℃下运动粘度为10~20mm ² /s、最大无卡咬负荷PB≥800N的金属轧制油润滑，管材内表面采用工业氯化石蜡-52润滑。冷轧轧制操作时，送进量为2~4mm/次，转数50~80次/min。

优选地，步骤（2）中，除油清洗为使用酸洗液的酸洗，按体积比计，酸洗液由30%~40%HNO ₃ 、5%~7%HF以及余量水组成，酸洗在温度20~55℃下进行。

步骤（3）中，退火的温度为600℃~780℃，时间为40min~150min，工作真空度保持在10 ^-2 pa水平。

根据本发明，所述焊接管可采取常规的焊接管加工工艺获得。更具体地说，焊接管以冷轧钛带为原材，按如下工艺流程获得：上卷→开卷→接带→活套储料→成型→焊接→粗整形→加热退火、冷却→精整定径→定尺→检测，只有检测合格的焊接管进行后续的冷轧-热处理加工。

显然，所用的冷轧钛带应是符合焊接管用料要求的钛带。

优选地，所述焊接采用水冷式高脉冲氩弧焊接装置。

进一步地，在精密自动焊管生产线上建立有中频感应退火冷却装置用以进行所述的加热退火、冷却。所述中频感应退火冷却装置包括退火炉、与退火炉紧密相连的冷却装置，所述退火炉包括炉体、中频加热线圈以及能够在精度±5℃范围内连续测定显示退火温度的红外测温仪，炉体内温度可控范围为0~1200℃，根据钛及钛合金不同材质牌号，选取580~820℃或特定温度范围。所述加热退火、冷却过程均处于高纯氩气的保护之中以避免管材产生氧化。

优选地，冷却装置包括内设冷却水套的冷却体、设置在冷却体内的两个截面为半圆形的石墨块以及用于将所述两个石墨块顶靠在管材外表面上的顶紧装置，通过向冷却水套内通入冷却水，对管材进行冷却。

由于采用以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

采用本发明的生产方法所生产的钛及钛合金焊接管，其焊缝及热影响区的粗大晶粒组织经冷轧-热处理加工后，得到破粹，而与金属基体组织相同，晶粒进一步细化，达到无缝化效果，符合无缝管性能要求，可以替代无缝管应用于环境要求较高的应用场合。此外，与已有的无缝钛管材生产方法比较，本发明方法还具有可以获得超薄壁、超高径厚比的钛管材，以及由于吸取了焊接管能连续自动生产、生产效率高、工艺简单、成材率高、不污染环境等优点，还具有显著的成本优势。

附图说明

图1为本发明方法所采用的精密自动焊管生产线的示意图；

图2为图1中A-A向剖视示意图；

图3 为现有的TA ₂ 焊接管金相组织图（包括焊缝及其热影响区、基体金属）；

图4为图3中基体金属的金相组织图；

图5为图3中TA ₂ 焊接管焊缝的金相组织图；

图6为图3中TA ₂ 焊接管焊缝热影响区的金相组织图；

图7为按照本发明的生产方法所得无缝化TA ₂ 焊接管的金相组织图；

其中：1、开卷机；2、接带机；3、储料活套；4、成型机；5、焊接装置；6、感应退火冷却装置；60、退火炉；60a、炉体；60b、中频加热线圈；61、冷却装置；61a、冷却体；61b、石墨块；61c、冷却水；7、定型机；8、切断机；9、涡流探伤装置；12、管材。

具体实施方式

本发明的钛及钛合金管的生产方法主要思路在于：首先在精密自动焊接生产线上高质量完成焊接管材步骤获得钛或钛合金的焊接管，然后进一步对焊接管进行一次或多次的冷轧-热处理加工，使焊接管的焊缝及其热影响区的铸态粗大晶粒得到破粹、细化，与基体组织无异，从而达到无缝化效果，满足工程的需要。此外，采用本发明方法，可将焊接管冷轧至φ25×0.3×8000mm、φ25.3×0.15×6000mm等超薄壁、超高径厚比（径厚比=外径/壁厚）钛管材。

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细的说明，但本发明不限于以下实施例。

一、生产焊接管

参见图1，其显示了本发明用于生产焊接管的精密自动焊管生产线。该生产线包括依次设置的开卷机1、接带机2、储料活套3、成型机4、焊接装置5、感应退火冷却装置6、定型机7以及切断机8，此外，该生产线上还设有二处涡流探伤装置9，用以跟踪检测所有焊缝质量，并在不符合要求时自动报警、停车，及时调整。此外，还配有激光测径仪。采取该生产线生产焊接管的一般流程如下：冷轧钛带上卷→开卷→接带→活套储料→成型→焊接→粗整形→加热退火、冷却→精整定径→定尺→检测。生产过程具体如下：

1.冷轧钛带的选择。高质量钛带应从铸锭配料，熔炼开始，确保锻造、热冷轧制、表面处理、热处理等整个带材生产过程多工序质量。本发明科学选择，控制合金元素，优化组分，降低间隙元素含量，例如对于工业二级纯钛(TA ₂ )，本发明要求氧(O)含量控制在0.10%~0.13%范围，铁(Fe)含量控制在≤0.06%(或0.10%~0.12%范围，区别不同要求)，碳(C)含量≤0.03%，氢(H)含量≤0.03%，氮(N)含量≤0.08%。在熔化、锻造、热轧、酸洗，热处理中，注意不增加间隙元素含量或在可控范围内。酸洗防止“氢脆”。热处理必须在真空或氩气保护气氛下进行，严格细微进行脱脂除油、喷砂、磨修等。这些都必须在供货技术要求中明确规定，确保带材尺寸，拉伸等性能符合国内外标准，符合焊接管用料要求。

2.成卷钛带需在精密分切装置上进行，其分切精度±0.05mm，切口无毛刺、飞边，以保证焊接后的管材尺寸准确，壁厚均匀，焊缝平整。钛带通过模具连续成型，连续自动焊接成管，感应加热连续退火(高纯氩气保护)、冷却，经精整，定尺切断后送至检测工序。生产线上有两处涡流探伤装置，随时跟踪检测所有焊缝质量。不符合要求时可自动报警、停车，及时调整。激光测径仪，连续显示焊接管上相互垂直两个方向的直径尺寸。钛带由导向辊通入20座不同间隙排布的成型轧辊进行成型。轧辊由国外高端Skd11工具钢、研磨精度0.02mm构成，以保证管材尺寸精确，表面光洁，不受损伤。

3.焊接装置为水冷式高脉冲氩弧焊接装置，高频IGBT模块设计，高效节能。高脉冲焊接电流可提高焊接速度，稳定内焊缝；电弧控制系统可解决电弧干扰问题。焊接附有缺水保护装置。水冷密封式箱体可避免粉尘及酸气污染。装置配有监视器及显示屏，可直接观察焊接情况。多焊接参数，如电流、电压、氩气流量及焊接电流调节等均置于同一操作箱内。具体操作实例，如φ20mm~φ30mm纯钛焊接管，当成型速度为6m/min时，焊接电压8.0~8.3V，焊接电流105~112A。焊接用钨电材选用钍钨材质，头部呈约60°圆锥状，端部应露出3.0mm左右。

4.为在自动焊管生产线上完成管材退火，建立了中频感应退火冷却装置。参见图1和2，中频感应退火冷却装置包括退火炉60、与退火炉60紧密相连的冷却装置61。退火炉60包括炉体60a、中频加热线圈60b以及能够在精度±5℃范围内连续测定显示退火温度的红外测温仪。炉体60a长1000mm，内温度可控范围为0~1200℃，根据钛及钛合金不同材质牌号，选取580~820℃或特定温度范围。加热线圈60b选用100kw IGBT中频加热线圈，线圈内冷使用纯净水，外冷使用自来水。冷却装置61采用冷却效率高的石墨-水冷系统，具体包括内设冷却水套的冷却体61a、设置在冷却体61a内的两个截面为半圆形的石墨块61b以及用于将两个石墨块61b顶靠在管材12外表面上的顶紧装置，通过向冷却水套内通入冷却水61c，对管材12进行冷却，其冷却效果比通常效率高，使得以3~6m/min速度行进的高温管材在出口处温度低于60℃。整个系统处于高纯氩气（99.99%以上纯度）保护之中，以避免管材产生氧化。

5．经检验合格的焊接管，分切后，作为后续冷轧-热处理处理加工的坯管。

二、对焊接管进行冷轧-热处理处理加工

冷轧-热处理加工按如下流程进行：焊接管→冷轧→酸洗→真空炉内退火。优选地，按照上述流程进行多次冷轧-热处理处理加工。

1.根据管材尺寸，一般选用LD30(40)型或其它型号多辊轧管机，冷轧2~3道次即可。总加工率控制在50%~70%，道次加工率控制在15%~50%之间。

此外，轧辊、滑道、芯棒的设计，材质选择也很重要。

轧辊应保证辊环最佳厚度，辊颈足够强度，轧制厚壁管时开口度10°左右，轧制薄壁管时适当小些。滑道应注意最大有效长度，道进回转数及工作曲线设计，并在实际操作中确定最佳工作曲线。管材规格变化时，通常仅改变轧辊与芯棒，材质大都采用GCr15，热处理淬火，回火后硬度H _RC =58~62，工作表面应磨光、精抛。

冷轧制管时，管材外表面采用金属轧制油润滑(运动粘度40℃，10~20mm ² /s，最大无卡咬负荷PB≥800N）。管材内表面采用工业氯化石蜡-52润滑。轧制操作时送进量2~4mm/次，转速50~80次/分。

2.酸洗：30~40%HNO ₃ +5~7%HF+余量水，50℃，3~10分钟。为减少环境污染，建议尽量采用超声波清洗或少用酸，用稀酸洗。

3.中间退火温度600℃~780℃，时间40min~2.5h，工作真空度保持在10 ^-2 Pa水平。成品退火应根据使用要求，标准，合金牌号，选择消除应力退火或完全再结晶退火的适当工艺参数。

经过上述冷轧-热处理处理加工后的成品钛或钛合金管材，经过尺寸、水压实验、力学性能测试、无损检测以及金相组织检验合格后，最后定尺，包装。

按照本发明，冷轧-热处理处理加工中，采取了最优化的轧制工艺，不会产生开裂，粘结，波节等缺陷，使得管材尺寸精确，表面光洁如镜。从图7可见，按照本发明方法所生产的φ12.7×0.6 TA ₂ 管材，其焊缝及其热影响区与基体组织无异，达到了无缝化效果，并且晶粒度大于10级。而普通的TA ₂ 焊接管，参见图3至6，焊接管的焊缝及其热影响区域呈铸态组织，晶粒粗大，与基体金属不同，且基体金属的晶粒度仅达到8.0级。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1. 一种无缝化钛及钛合金焊接管的生产方法，其包括在精密自动焊管生产线上完成焊接管材，得到焊接管，其特征在于：

所述焊接管以冷轧钛带为原材，按如下工艺流程获得：上卷→开卷→接带→活套储料→成型→焊接→粗整形→加热退火、冷却→精整定径→定尺→检测；

在所述精密自动焊管生产线上建立有中频感应退火冷却装置用以进行所述的加热退火、冷却，所述中频感应退火冷却装置包括退火炉、与退火炉紧密相连的冷却装置，所述退火炉包括炉体、中频加热线圈以及能够在精度±5℃范围内连续测定显示退火温度的红外测温仪，炉体内温度可控范围为0~1200℃，所述加热退火、冷却过程均处于高纯氩气的保护之中以避免管材产生氧化；所述冷却装置包括内设冷却水套的冷却体、设置在所述冷却体内的两个截面为半圆形的石墨块以及用于将所述两个石墨块顶靠在管材外表面上的顶紧装置，通过向冷却水套内通入冷却水，对管材进行冷却；

所述生产方法还包括对检测合格的焊接管进行多次冷轧-热处理加工，所述冷轧-热处理加工包括如下步骤：

（1）、采用多辊轧管机对焊接管进行冷轧，冷轧时，管材内外表面均经过润滑处理，冷轧成品总加工率控制在50%~70%之间，道次加工率控制在15%~50%之间，冷轧道次为2~3次，冷轧时，管材外表面采用40℃下运动粘度为10~20mm²/s、最大无卡咬负荷PB≥800N的金属轧制油润滑，管材内表面采用工业氯化石蜡-52润滑；冷轧轧制操作时，送进量为2~4mm/次，转数50~80次/min ；

（2）、冷轧后，对管材进行除油清洗，其中除油清洗为使用酸洗液的酸洗，按体积比计，酸洗液由30%~40%HNO₃、5%~7%HF以及余量水组成，酸洗在温度20~55℃下进行；

（3）、使除油清洗后的管材在真空退火炉中进行退火，其中，当退火为中间退火时，其温度为600℃~780℃，时间为40min~150min，工作真空度保持在10^-2pa水平。

2. 根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于：在进行冷轧前，将焊接管分切成具有适于多辊轧管机要求的尺寸的坯管。

3. 根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于：所述焊接采用水冷式高脉冲氩弧焊接装置。