CN105108297B - 一种整体复合法兰及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种整体复合法兰及其制造方法，特别是涉及钛及其合金与钢等容易形成金属间脆性化合物的金属复合材料的法兰连接部件的制造方法。本发明利用爆炸焊接加工复合材料的技术，首先将钛或钛合金金属平板爆炸焊接在钢板上，然后在钛侧和钢侧分别熔化焊接钛或钛合金短管和钢短管，再将焊接了短管的复合板开孔形成法兰孔坯料，最后在坯料孔内爆炸焊接钛或钛合金管，形成整体复合法兰坯料，并采用机械加工的方法将整体复合法兰坯料加工为设计需要的整体复合法兰部件。本发明力学机械性能可靠，有效消除了孔内爆炸焊接的端部不复合效应，保证了钛与钛、钛与钢的整体冶金结合焊接，且焊接结合界面面积多，结合强度大。

Description

一种整体复合法兰及其制造方法
技术领域
本发明属于金属设备部件的加工技术领域，特别涉及到一种整体复合法兰及其制造方法。
背景技术
现代一些工程加工设备装置，尤其是在具有高腐蚀环境、工作介质和工作状况下的反应罐体，其材料需要具备抗各种复杂腐蚀介质的能力。这对设备材料的选择提出了很高的要求。而往往这些满足抗复杂腐蚀介质能力的金属材料，都是一些昂贵金属材料，甚至是稀有有色金属材料。如果设备整体全部采用这种抗腐蚀的材料，不仅设备的制造成本高的难以接受，而且在工艺上有时也难以实现。目前，针对强腐蚀工作介质条件下的设备，均采用双金属复合材料加工。根据设备的使用要求以及腐蚀介质的特征，选用不同双金属组合的复合材料板和不同的双金属材料加工方法。双金属复合材料的加工方法一般有直接轧制、爆炸轧制、钎焊、堆焊和爆炸复合等。对于不同的材料组合，双金属复合板材料的加工工艺选择也不同，比如对于钛和钢的复合材料，由于容易形成脆性金属间化合物FenTim和脆性碳钛化合物TiC，因此，一般只能采用爆炸轧制或者直接爆炸复合的方法，不能采用熔化堆焊的工艺。而采用钎焊的工艺，不但需要大量的昂贵含银成分钎料，成本高昂，而且钛和钢之间的连接强度也不高。有鉴于此，大多数的设备用复合材料，尤其是钛和钢的复合材料，均采用爆炸焊接和或者爆炸轧制的复合板材。众所周知，大多数的设备均需要设计一些与外部连接的接口,这些接口通常设计为短管法兰结构。由于结构较平板复杂，对于钛和钢的材料组合部件，又不能进行堆焊复合，目前的加工方式一般均采用含银钎料钎焊的工艺方法。由于钎焊材料自身不抗腐蚀，钎焊后复合材料的结合强度较低，因此导致短管法兰结构部件在使用过程中寿命较短，从而导致整个设备不能继续使用，造成很大的浪费。
发明内容
本发明的目的是为了解决由钛或钛合金与钢双金属复合设备制造中，由工艺需要设计的管路接口，人孔接口等功能部件的加工技术问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种整体复合法兰，其特征在于，包括钛钢复合法兰盘和同轴焊接的钢制连接端；所述钢制连接端焊接于所述钛钢复合法兰盘的钢层2；所述钛钢复合法兰盘及所述钢制连接端内部爆破焊接钛或钛合金内衬3。
优选方式下，所述钛钢复合法兰盘的钛层4形成有圆环形钛密封面，所述钛密封面外径小于法兰盘外径；所述密封面上设有密封槽6。
优选方式下，所述钛钢复合法兰盘的钢层2设置有法兰螺栓孔7。
本发明还提供了上述法兰的制作方法，具体制作过程如下：
S1、以钛钢复合板制作法兰盘，在所述钛钢复合板的钛层4同心焊接钛环5；在所述钛钢复合板的钢层2同心焊接钢环1；所述钢环与所述钛环5内径相同；
S2、加工法兰内孔，将钛环-钛钢复合板-钢环工件加工成复合法兰坯料；所述内孔与所述钛环5同心，且内径相同；
S3、向所述复合法兰坯料内孔中插入钛或钛合金管30，所述钛或钛合金管30与内孔孔壁之间留有缝隙；所述钛或钛合金管30内填装用于爆炸焊接的材料，内部爆炸焊接，形成钛或钛合金内衬3；
S4、去除钛环5、去除全部钢环1或钢环1上的未复合边界效应区，按照法兰的设计参数加工为整体复合法兰。
优选方式下，步骤S1所述钛钢复合板采用爆炸焊接方法制造；所述在钛层4焊接的钛环5为长20～50mm、厚20～30mm的钛管，或以堆焊的方法在法兰盘坯料钛层4堆焊高10～20mm、厚10～30mm环形钛复层；所述在钢层2焊接的钢环1为高20～50mm、厚20～30mm的环状结构；或高50～300mm、厚度大于10mm的短管状结构。最优方式下，所述短管状结构高50mm。
优选方式下，步骤S3所述钛或钛合金管30与内孔孔壁之间缝隙为2～4mm；所述用于爆炸焊接的材料为炸药及雷管。
优选方式下，步骤S4将所述整体复合法兰的钛层4加工为密封面，所述密封面上加工有密封槽6；在所述钛钢复合法兰盘的钢层2加工有法兰螺栓孔7。
由于这种整体复合法兰是采用爆炸焊接方法制造，所以在所有钛钢结合面上均显示有爆炸焊接特有的波状界面。
本发明的效果和益处是：
1、采用爆炸焊接技术制备出了钛或钛合金与钢的冶金结合的复合材料作为法兰面，复合材料的力学性能可靠。
2、在钛或钛合金侧采用氩弧焊焊接钛环或增厚钛或钛合金层，工艺成熟可靠，操作方便，焊接的钛环或增厚的钛或钛合金层作为法兰孔内爆炸复合时的边界延伸效应，可以有效克服爆炸复合时的末端不复合效应。
3、在复合板钢侧增加50mm钢质短管，焊接工艺要求不高，操作方便。增加的50mm钢质短管作为法兰内爆炸复合时的边界延伸效应，可以有效克服爆炸复合时的末端不复合效应。
4、由于法兰面材料已经有了钛或钛合金层，且厚度再增加了20～50mm(钛环)或10～20mm(堆焊增厚)，因此，在法兰孔内爆炸复合钛或钛合金管时，使得钛或钛合金管与法兰面的钛和钛合金材料更容易发生冶金焊接。
5、由于法兰钢侧增加了50mm长的钢质短管，钛或钛合金管与带孔的钛或钛合金/钢复合板爆炸复合后，增加的50mm长钢质短管可以作为边界效应加工去除，因此，可以保证法兰孔内钛或钛合金管与钛或钛合金/钢复合板的整体冶金焊接。
6、整体复合法兰的所有结合界面都具有爆炸焊接特有的波状结合界面，这使得焊接结合界面面积更多，结合强度更大。
本发明与现有的法兰加工技术相比具有以下优点：采用爆炸焊接技术使得钛或钛合金与钢达到了冶金焊接，金属间的结合力可达到或超过钛或钛合金的强度。法兰内孔的钛或钛合金层也能保证完全与钢达到冶金结合，并且保证了法兰面上的钛或钛合金与法兰孔内的钛或钛合金冶金结合，保证了构成法兰的两种材料之间的整体冶金结合特性。
附图说明
图1是钛或钛合金管与带孔钛或钛合金复合板钢爆炸复合为整体的剖面示意图；
图2是经机械加工为整体复合法兰的剖面示意图；
图3是钛或钛合金管内爆炸焊接的示意图。
图中，钢环1；钛钢复合板的钢层2；钛或钛合金内衬3；钛或钛合金管30；钛钢复合板的钛或钛合金层4；钛环5；密封槽6；法兰螺栓孔7；炸药8；雷管9；钛或钛合金板与钛或钛合金管的熔合线10。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对发明作进一步技术详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对发明保护范围的限定。
污水处理反应釜采用钛钢复合材料制造罐体，罐体的投料口、人孔和出料口均需要设置工艺短管接口。然而，钛钢复合板制造的罐体与这些短管接口的连接需要焊接连接，只能采取钛和钢的复合材料短管。
采用本发明的方法制造带法兰的短管工艺如下：
S1、采用12mm厚SB265Gr.1钛板4与100mm厚16MnIII锻件2进行爆炸复合，复合板的尺寸规格为(12+100)mm×500mm×600mm，对复合板进行消应力热处理。经UT探伤无缺陷后，将钛钢复合板加工成胚料。
S2、以坯料的中心为圆心，画出直径为100和直径为150的圆，在两圆之间的圆环上采用氩弧焊进行填丝焊补，使钛环5增高20mm。
S3、将复合板的钢面按照附图1中所示，焊接50mm长，管壁厚20mm，内径100mm的钢环1。要求钢环1和坯料同心并焊透，以上钛环5和钢环1均需全焊透。
S4、以坯料中心为圆心加工出一直径为100mm的通孔。将加工好的工件的孔内壁清理干净。
S5、采用内爆炸复合的方式，将壁厚为4mm，长为200mm，材料为SB265Gr.1外径为95mm的钛管30爆炸复合在上述的工件孔内壁上。
由于采用了钛复层加厚20mm，钢基层加厚50mm的措施，并且钛管加长了30mm，因此，内爆炸复合后，SB265Gr.1/16MnIII复合板厚度方向的孔内的钛、钢之间的结合强度和复合率均得到了保证。另外，一旦出现SB265Gr.1钛管与复合板复层SB265Gr.1钛板存在漏点的复合缺陷，完全可以通过氩弧焊的方式对其进行修复。爆炸焊接后，法兰面上的钛板与法兰短接中的钛管熔合线10，在爆炸焊接良好的情况下，一般是很难从金相显微镜下观察到的。
S6、孔内爆炸复合结束后，将复合材料按照图纸尺寸机械加工为图2所示整体复合法兰。
本发明所述整体复合法兰复合板的钛侧加工为设有密封槽6的密封面；钢侧加工法兰螺栓孔7，如图2所示。法兰面上的钛板在螺栓孔附近车削加工是法兰密封面凸台的一般表现形式，其目的是提高法兰的压紧力，减少螺栓压紧面的不必要的部分，即减少密封面凸凹不平导致的法兰连接周期失效问题。目的是使得法兰面上的密封槽中的密封在螺栓的压紧力下更有效。减少法兰面存在对螺栓预紧力的影响。当螺栓对法兰钛层部分压紧时，根据力学的力矩原理，被车去钛的部分存在着压紧后的弹性变形，使得螺栓压紧力存在余量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种整体复合法兰的制造方法，包括钛钢复合法兰盘和同轴焊接的钢制连接端；所述钢制连接端焊接于所述钛钢复合法兰盘的钢层；所述钛钢复合法兰盘及所述钢制连接端内部爆破焊接钛或钛合金内衬，其特征在于，步骤如下：
S1、以钛钢复合板制作法兰盘，在所述钛钢复合板的钛层(4)同心焊接钛环(5)；在所述钛钢复合板的钢层(2)同心焊接钢环(1)；所述钢环与所述钛环(5)内径相同；
所述钛钢复合板采用爆炸焊接方法制造；
在钛层(4)焊接的钛环(5)为长20～50mm、厚20～30mm的钛管，或以堆焊的方法在法兰盘坯料钛层(4)堆焊高10～20mm、厚10～30mm环形钛复层；
在钢层(2)焊接的钢环(1)为高20～50mm、厚20～30mm的环状结构；或高50～300mm、厚度大于10mm的短管状结构；
S2、加工法兰内孔，将钛环-钛钢复合板-钢环工件加工成复合法兰坯料；所述内孔与所述钛环(5)同心，且内径相同；
S3、向所述复合法兰坯料内孔中插入钛或钛合金管(30)，所述钛或钛合金管(30)与内孔孔壁之间留有缝隙；所述钛或钛合金管(30)内填装用于爆炸焊接的材料，内部爆炸焊接，形成钛或钛合金内衬(3)；
S4、去除钛环(5)、去除全部钢环(1)或钢环(1)上的未复合边界效应区，按照法兰的设计参数加工为整体复合法兰。
2.根据权利要求1所述整体复合法兰的制造方法，其特征在于，所述短管状结构高50mm。
3.根据权利要求1所述整体复合法兰的制造方法，其特征在于，
步骤S3所述钛或钛合金管(30)与内孔孔壁之间缝隙为2～4mm；
所述用于爆炸焊接的材料为炸药及雷管。
4.根据权利要求1所述整体复合法兰的制造方法，其特征在于，步骤S4将所述整体复合法兰的钛层(4)加工为密封面，所述密封面上加工有密封槽(6)；在所述钛钢复合法兰盘的钢层(2)加工有法兰螺栓孔(7)。
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