CN103231218B - 一种钛合金管材的快速制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及管材成型技术领域，尤其是一种钛合金管材的快速制备方法，其特征是基于焊接堆焊技术以及熔焊快速成形的基础之下，使用自行设计的熔焊快速成形保护设备，进行钛及钛合金管材堆焊快速成形制备，制备方法包括如下步骤：保护设备外罩的制作；预通保护气；进行焊道的焊接；机械清理及定径和精整处理，本发明采用 CMT焊接技术是用电弧热为热源，熔化金属材料， 在设计的轨迹上逐层堆积熔融金属材料的工艺， 实现钛及钛合金管材的快速成形制备，并同样适用于钢铁， 铝合金等常用金属材料，通过调节配套的保护罩可以实现管件大小的调节，以适应对不同尺寸的钛合金管材成形需求，具有操作方法简单，成形效率高，设备简便，成本低，使用范围广等优点。
Description
技术领域
本发明涉及管材成型技术领域，尤其是一种新型钛合金管状材料的快速制备方法。
背景技术
众所周知，钛合金作为20世纪50年代发展起来的一种重要金属，因其密度小，比强度高和耐腐蚀性高等优良特性，已经广泛地应用于石油、化工、冶金、生物医学等各大领域，并一直是航空航天工业的 “脊柱” 材料之一。我国钛资源丰富，随着国民经济和科学技术的不断发展、工艺装备的不断改进、生产效率的提高，钛及钛合金管材应用的领域将不断扩大，采用高效的钛及钛合金管材制备方法将成为必然。
目前钛合金管材可分为无缝管和有缝管两种，其中 ：
（1） 无缝管材：无缝管材因其制造工艺不同，又分为热轧（挤压）无缝管材和冷拔（轧）无缝管材两种；
热轧（挤压）无缝管材的工艺流程概述是 ：圆管坯→加热→穿孔→三辊斜轧、连轧或挤压→脱管→定径 （或减径）→冷却→坯管→矫直→水压试验（或探伤）→标记→入库；热轧无缝管一般在自动轧管机组上生产，实心管坯经检查并清除表面缺陷，截成所需长度，在管坯穿孔端端面上定心，然后送往加热炉加热，在穿孔机上穿孔，在穿孔同时不断旋转和前进，在轧辊和顶头的作用下，管坯内部逐渐形成空腔，称毛管，再送至自动轧管机上继续轧制，最后经均整机均整壁厚，经定径机定径，达到规格要求，利用连续式轧管机组生产热轧无缝管材是较先进的方法；
冷拔（轧）无缝管：圆管坯→加热→穿孔→打头→退火→酸洗→涂油（镀铜）→多道次冷拔（冷轧）→坯管→热处理→矫直→水压试验（探伤）→标记→入库，若欲获得尺寸更小和质量更好的无缝管， 必须采用冷轧、冷拔或者两者联合的方法。冷轧通常在二辊式轧机上进行，管材在变断面圆孔槽和不动的锥形顶头所组成的环形孔型中轧制，冷拔通常在0.5～100T的单链式或双链式冷拔机上进行；挤压法即将加热好的管坯放在密闭的挤压圆筒内，穿孔棒与挤压杆一起运动，使挤压件从较小的模孔中挤出；
（2）焊接管材
焊接管材一般将板材通过冷轧卷边后形成对接焊缝，通过内外焊接形成管状坯料，经过后续塑形加工手段形成管材，常用的焊接管材的制备流程：板材→检测→铣边→预弯→J成形→C成形→O成形→预焊→焊引弧板→内焊→外焊→去引弧板→吸渣→整圆→退火→空冷→矫直→修端→水压测试→标记→入库。
从上述可以看出，管材制备流程过于繁杂，需要大量的人力和物力的投入，不仅能耗较大，而且无法实现在短时间内生产所需的异形管材，另外，钛是活性金属，高温下极易氧化污染，在钛合金管材的制备过程中，还必须时刻注意对钛合金的保护。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的钛及钛合金管材制备工艺流程过于复杂以及成本较高的不足，提供一种生产效率高、在自行设计的保护装置配合下的钛合金管材的快速制备方法。
本发明可以通过如下措施达到：
一种钛合金管材的快速制备方法，其特征是基于焊接堆焊技术以及熔焊快速成形的基础之下，使用自行设计的熔焊快速成形保护设备，进行钛及钛合金管材堆焊快速成形制备，制备方法包括如下步骤 ：
步骤一、保护设备外罩的制作，采用1mm厚的5系铝合金板材在底板上制作圆柱形保护设备外罩，保护设备外罩上覆以1mm厚5系铝合金圆形盖板形成封闭的空间，通过10mm直径的不锈钢棒材配以相应螺纹夹具制作保护设备外罩支架，根据所制备的钛及钛合金管材的尺寸，调节保护设备外罩的大小和高度，通过保护设备外罩，可以解决及钛合金管材制备时的氧化问题，以适应不同尺寸（直径50-400mm，高度50-300mm）的钛及钛合金管材制备，
步骤二、预通保护气，保护气为氩气，预通气15s，氩气流量为7-12L/min，使保护设备外罩内充满保护气体，
步骤三、进行焊道的焊接，将焊枪放在保护设备外罩内的焊接机器人上，通过焊接机器人将焊枪端部调整至距底板12mm-15mm处，焊接电源为Fronius CMT Advanced焊接电源，调整电源相应焊接参数：采用CMT焊接技术，电流选择90-110A，焊接速度为10mm/s，在底板上堆敷第一道圆形焊道之后熄弧，通过焊接机器人将焊枪抬升1.5mm, 熄弧后 30s 进行第二焊道的堆敷, 堆敷第二道圆形焊道之后熄弧，并通过焊接机器人将焊枪抬升1.5mm, 熄弧后30s进行第三、四至第N道焊道的堆敷，达到所需管材的尺寸之后，熄灭电弧，并保持保护气体继续送气，待管材冷却至室温后，停止送气，
步骤四、当管坯冷却后取出管坯，利用机械清理的方式，除去表面的熔渣，在保证尺寸的前提下，通过车床，铣床等机加设备除去管材表面毛刺，步骤五、通过定径机或者成形机设备对管材进行定径处理， 使管材达到所需的尺寸要求，管材放入热处理炉内进行真空热处理 （850℃保温1.5小时，随炉冷却至室温），
步骤六、管材精整处理，包括：管材矫直、端面平头、内外径打磨后再经水压检验，测试管材的水密性后得成品管材。
本发明可以在保护设备外罩内根据管材的形状和尺寸设置内套， 内套与保护设备外罩间形成管材成型腔。
本发明所述的保护设备外罩和内套采用铝合金材质，以在管材成形的过程中提供有效的保护气氛，有效的解决钛合金管材成形时发生的氧化问题。
本发明所述的使保护设备外罩横向和纵向调节范围处于50mm至400mm,高度上调节范围为50mm至300mm。
本发明所述的CMT焊接技术是用电弧热为热源，熔化金属材料，在设计的轨迹上逐层堆积熔融金属材料的工艺，实现钛及钛合金管材的快速成形制备，并同样适用于钢铁，铝合金等常用金属材料， 通过调节配套的保护罩可以实现管件大小的调节，以适应对不同尺寸的钛合金管材成形需求，具有操作方法简单，成形效率高，设备简便， 成本低，使用范围广等优点。
附图说明
图1是本发明的管材制备原理示意图。
图2是图1中 A-A 制管阶段剖面图。
图3是图1中 A-A 成管阶段剖面图。
图4是图1中 A-A 成管脱模后的剖面图。
具体实施方式
一种钛合金管材的快速制备方法，其特征是基于 CMT 焊接技术焊接堆焊技术以及熔焊快速成形的基础之下，使用自行设计的熔焊快速成形保护设备，进行钛及钛合金管材堆焊快速成形制备， 制备方法包括如下步骤：
步骤一、保护设备外罩1的制作，采用1mm厚的5系铝合金板材在底板3上制作圆柱形保护设备外罩1，保护设备外罩 1 上覆以 1mm厚5系铝合金圆形盖板形成封闭的空间，保护设备外罩1和内套1采用铝合金材质，以在管材成形的过程中提供有效的保护气氛，有效的解决钛合金管材成形时发生的氧化问题，保护设备外罩1横向和纵向调节范围处于50mm至400mm, 高度上调节范围为 50mm 至 500mm， 通过 10mm 直径的不锈钢棒材配以相应螺纹夹具制作保护设备外罩支架， 保护设备外罩 1 内根据管材的形状和尺寸设置内套 1， 内套 1 与保护设备外罩 1 间形成管材成型腔， 本发明根据所制备的钛及钛合金管材的尺寸， 调节保护设备外罩 1 的大小和高度， 通过保护设备外罩， 可以解决及钛合金管材制备时的氧化问题，以适应不同尺寸直径 50-400mm， 高度 50m-300mm 的钛及钛合金管材制备，
步骤二、 预通保护气， 保护气为氩气， 预通气 15s， 氩气流量为 7-12L/min， 使保护设备外罩内充满保护气体，
步骤三、 进行焊道的焊接， 将焊枪 2 放在保护设备外罩 1 内的焊接机器人上， 通过焊接机器人将焊枪 2 端部调整至距底板 12mm-15mm 处， 焊接电源为 Fronius CMT Advanced 焊接电源， 调整电源相应焊接参数 ： 采用 CMT 焊接技术， 电流选择 90A-110A， 焊接速度为 10mm/s， 在底板 3 上堆敷第一道圆形焊道之后熄弧， 通过焊接机器人将焊枪抬升 1.5mm, 熄弧后30s 进行第二焊道的堆敷 , 堆敷第二道圆形焊道之后熄弧， 并通过焊接机器人将焊枪抬升1.5mm, 熄弧后 30s 进行第三、 四至第 N 道焊道的堆敷， 达到所需管材的尺寸之后， 熄灭电弧， 并保持保护气体继续送气， 待管材 5 冷却至室温后， 停止送气，
步骤四、 当管材 5 冷却后取出， 利用机械清理的方式， 除去表面的熔渣， 在保证尺寸的前提下， 通过车床， 铣床等机加设备除去管材表面毛刺，
步骤五、 通过定径机或者成形机设备对管材5进行定径处理， 使管材5达到所需的尺寸要求， 管材放入热处理炉内进行真空热处理 （850℃保温 1.5 小时， 随炉冷却至室温） ，
步骤六、 管材 5 精整处理， 包括 ： 管材矫直、 端面平头、 内外径打磨后再经水压检验， 测试管材的水密性后得成品管材。
本发明所述的 CMT 焊接技术是用电弧热为热源， 熔化金属材料， 在设计的轨迹上逐层堆积熔融金属材料的工艺， 实现钛及钛合金管材的快速成形制备， 并同样适用于钢铁，铝合金等常用金属材料， 通过调节配套的保护罩可以实现管件大小的调节， 以适应对不同尺寸的钛合金管材成形需求， 具有操作方法简单， 成形效率高， 设备简便， 成本低， 使用范围广等优点。
Claims (5)
1.一种钛合金管材的快速制备方法，其特征是基于焊接堆焊技术以及熔焊快速成形的基础之下，使用自行设计的熔焊快速成形保护设备， 进行钛及钛合金管材堆焊快速成形制备，制备方法包括如下步骤 ：
步骤一、保护设备外罩的制作，在底板上制作圆柱形保护设备外罩，保护设备外罩上覆有盖板形成封闭的空间，
步骤二、预通保护气，保护气为氩气，预通气 10-20s，氩气流量为 7-12L/min，
步骤三、进行焊道的焊接，将焊枪放在保护设备外罩内的焊接机器人上，通过焊接机器人将焊枪端部调整至距底板12mm-15mm处，在底板上堆敷第一道圆形焊道之后熄弧，通过焊接机器人将焊枪抬升1.5mm, 熄弧后30s进行第二焊道的堆敷, 堆敷第二道圆形焊道之后熄弧，并通过焊接机器人将焊枪抬升1.5mm, 熄弧后30s进行第三、四至第N道焊道的堆敷，达到所需管材的尺寸之后，熄灭电弧，并保持保护气体继续送气，待管材冷却至室温后，停止送气，
步骤四、当管材冷却后取出管材，利用机械清理的方式，除去表面的熔渣，
步骤五、通过定径机或者成形机设备对管材进行定径处理，使管材达到所需的尺寸要求，管材放入热处理炉内进行真空热处理，850℃保温 1.5 小时，随炉冷却至室温，
步骤六、管材精整处理，包括：管材矫直、端面平头、内外径打磨后再经水压检验，测试管材的水密性后得成品管材。
2. 根据权利要求1所述的一种钛合金管材的快速制备方法，其特征是保护设备外罩内设置内套，内套与保护设备外罩间形成焊接管材成型腔。
3. 根据权利要求1或2所述的一种钛合金管材的快速制备方法，其特征是保护设备外罩和内套采用 1mm 厚的5系铝合金材质，保护设备外罩横向和纵向调节范围处于50mm至400mm, 高度上调节范围为 50mm至300mm。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金管材的快速制备方法，其特征是保护设备外罩通过10mm直径的不锈钢棒材配以相应螺纹夹具制作保护设备外罩支架支撑。
5. 根据权利要求1所述的一种钛合金管材的快速制备方法，其特征是采用CMT焊接技术，焊接电源为 Fronius CMT Advanced 焊接电源，调整电源相应焊接参数：电流选择90A-110A，焊接速度为10mm/s。
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