CN114406622A - 高强合金焊管生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强合金焊管生产方法，包括以下步骤：使开卷后的带材加热后再进入管坯成型机组中渐进成形为管坯；采用激光主焊接电弧辅助焊接的方式，使进入焊合室的管坯焊接成型为焊管；使焊管预定径再进行在线退火热处理以获得低应力焊管；对低应力焊管进行二次定径、矫直及检测处理。本发明的生产方法，设计了热辅助钛合金渐进成形管坯技术，通过加热带材降低高强钛合金的强度、增加其塑性和变形能力，同时采用激光主焊接电弧辅助焊接的方式，可以显著降低钛合金焊缝熔化区域的面积和晶粒尺寸，利用低应力激光焊接和在线热处理工艺，可以有效降低焊管的应力，获得成形、组织、应力、性能的综合调控，最终获得高质量的高强钛合金焊管。

Description

高强合金焊管生产方法

技术领域

本发明涉及高强度合金焊管生产领域，特别地，涉及一种高强合金焊管生产方法。

背景技术

目前的纯钛、低强度钛合金、不锈钢等焊管生产线的机架强度大约在600MPa左右，难以适应高强钛合金(抗拉强度大于1000MPa)且厚度为3～5mm的生产，从而造成机架磨损严重、焊管成形不稳定、焊管质量不可靠等问题，而高强钛合金焊管由于其高强度、耐压性能等，在航天装备油路系统、武器装备等领域具有广泛的需求，因此，如何通过优化改造现有产线设备以适应高强度钛合金焊管的生产具有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种高强合金焊管生产方法，以解决采用现有纯钛、低强度钛合金或不锈钢等焊管生产线生产高强钛合金时存在的“机架磨损严重、焊管成形不稳定、焊管质量不可靠”等的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种高强合金焊管生产方法，包括以下步骤：使开卷后的带材加热后再进入管坯成型机组中渐进成形为管坯；采用激光主焊接电弧辅助焊接的方式，使进入焊合室的管坯焊接成型为焊管；使焊管预定径再进行在线退火热处理以获得低应力焊管；对低应力焊管进行二次定径、矫直及检测处理。

进一步地，步骤“使开卷后的带材加热后再进入管坯成型机组中渐进成形为管坯”中，采用电磁感应加热方式或电弧加热方式将带材加热至400～700℃。

进一步地，步骤“使开卷后的带材加热后再进入管坯成型机组中渐进成形为管坯”中，带材渐进成形为管坯具体包括以下阶段：初成型段：采用过弯成型形式，使带材边缘成型到位；多辊成型段：使带材逐渐成型为管坯；封闭孔型段：使管坯稳定进入焊合室。

进一步地，初成型段中，采用3～5组平辊和立辊，且平辊和立辊依次间隔排布，并相邻两者之间间距为50～150mm，平辊由电机驱动主动转动；多辊成型段中，采用4～6组立辊依次间隔排布，且相邻两者之间间距为40～100mm，并立辊为无驱动力的被动辊；封闭孔型段中，采用4～6组平辊和立辊，且平辊和立辊依次间隔排布，并相邻两者之间间距为50～150mm，平辊由电机驱动主动转动，且最后三组平辊均带有导向片。

进一步地，步骤“采用激光主焊接电弧辅助焊接的方式，使进入焊合室的管坯焊接成型为焊管”中，焊合室包括焊接挤压辊、焊接设备、冷却装置及充填于焊合室内的保护气；焊接挤压辊包括2～4组平辊和立辊，平辊和立辊依次间隔设置，且相邻两者之间间距为100～150mm；焊接设备为激光电弧复合焊接设备；冷却装置用于对焊接挤压辊和焊接设备的焊接处进行冷却。

进一步地，焊合室还包括用于对管坯进行加热的加热装置，加热装置设置于焊接挤压辊之前，以用于将管坯在焊接之前加热至100℃～500℃。

进一步地，步骤“使焊管预定径再进行在线退火热处理以获得低应力焊管”中，“预定径”采用多组平辊和立辊，且平辊和立辊依次间隔设置，并相邻两者之间间距为50～150mm，定径量为需要定径的60～80％；步骤“使焊管预定径再进行在线退火热处理以获得低应力焊管”中，焊接完毕的焊管首先在在线热处理炉中加热到指定温度，然后再采用石墨和冷却水循环系统对加热后段的焊管进行冷却。

进一步地，步骤“对低应力焊管进行二次定径、矫直及检测处理”中，“二次定径”采用多组平辊和立辊，且平辊和立辊依次间隔设置，并相邻两者之间间距为50～150mm，定径量为需要定径的20～40％；步骤“对低应力焊管进行二次定径、矫直及检测处理”中，“矫直”采用多组平辊和立辊，且平辊和立辊依次间隔设置。

进一步地，步骤“对低应力焊管进行二次定径、矫直及检测处理”中，“检测”包括在线涡流检测、激光测径、在线定尺切断、离线超声检测、水压气密检测。

进一步地，步骤“对低应力焊管进行二次定径、矫直及检测处理”之后，还包括步骤：酸洗：对低应力焊管内外表面进行酸洗处理，以获得高质量高强度合金焊管。

本发明具有以下有益效果：

本发明的高强合金焊管生产方法中，采用加热带材的形式，用以降低高强合金变形的抗力，同时降低其变形回弹，提高管坯的成型质量，使其成型稳定，还可有效降低对管坯成型机组的损耗，提高其使用寿命及工作稳定性；采用激光焊接热源作为主热源、电弧热源作为辅助热源的方式，能够极大的降低焊接热输入量，从而改善焊管组织性能，提高焊管成型质量；由于板材向管坯成型时，既存在变形应力又存在焊接应力，故而对焊管进行在线退火热处理以去应力获得低应力焊管，从而保持焊管的直线度。本发明提供了一种利用现有低强度焊管生产线制备合金焊管的生产方法，尤其适应于高强钛合金焊管的制备，本发明针对高强钛合金的特点，设计了热辅助钛合金渐进成形管坯技术，通过加热带材降低高强钛合金的强度、增加其塑性和变形能力，同时采用激光主焊接电弧辅助焊接的方式，可以显著降低钛合金焊缝熔化区域的面积和晶粒尺寸，利用低应力激光焊接和在线热处理工艺，可以有效降低焊管的应力，获得成形、组织、应力、性能的综合调控，最终获得高质量的高强钛合金焊管。本发明生产方法相比于常规纯钛及不锈钢焊管生产，特征在于高强钛合金采用热成形技术、电弧辅助激光主焊接技术、在线精确热处理技术，通过上述关键工艺，可以实现高强钛合金板材稳定成形、焊缝成形、晶粒度、及焊管残余应力等有效控制，进而成功制备出抗拉强度大于1000MPa、壁厚大于1.0mm、管径大于25mm的高强钛合金管材。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的高强合金焊管生产方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

参照图1，本发明的优选实施例提供了一种高强合金焊管生产方法，包括以下步骤：

使开卷后的带材加热后再进入管坯成型机组中渐进成形为管坯；

采用激光主焊接电弧辅助焊接的方式，使进入焊合室的管坯焊接成型为焊管；

使焊管预定径再进行在线退火热处理以获得低应力焊管；

对低应力焊管进行二次定径、矫直及检测处理。

本发明的高强合金焊管生产方法中，采用加热带材的形式，用以降低高强合金变形的抗力，同时降低其变形回弹，提高管坯的成型质量，使其成型稳定，还可有效降低对管坯成型机组的损耗，提高其使用寿命及工作稳定性；采用激光焊接热源作为主热源、电弧热源作为辅助热源的方式，能够极大的降低焊接热输入量，从而改善焊管组织性能，提高焊管成型质量；由于板材向管坯成型时，既存在变形应力又存在焊接应力，故而对焊管进行在线退火热处理以去应力获得低应力焊管，从而保持焊管的直线度。本发明提供了一种利用现有低强度焊管生产线制备合金焊管的生产方法，尤其适应于高强钛合金焊管的制备，本发明针对高强钛合金的特点，设计了热辅助钛合金渐进成形管坯技术，通过加热带材降低高强钛合金的强度、增加其塑性和变形能力，同时采用激光主焊接电弧辅助焊接的方式，可以显著降低钛合金焊缝熔化区域的面积和晶粒尺寸，利用低应力激光焊接和在线热处理工艺，可以有效降低焊管的应力，获得成形、组织、应力、性能的综合调控，最终获得高质量的高强钛合金焊管。本发明生产方法相比于常规纯钛及不锈钢焊管生产，特征在于高强钛合金采用热成形技术、电弧辅助激光主焊接技术、在线精确热处理技术，通过上述关键工艺，可以实现高强钛合金板材稳定成形、焊缝成形、晶粒度、及焊管残余应力等有效控制，进而成功制备出抗拉强度大于1000MPa、壁厚大于1.0mm、管径大于25mm的高强钛合金管材。

可选地，如图1所示，步骤“使开卷后的带材加热后再进入管坯成型机组中渐进成形为管坯”中，采用电磁感应加热方式或电弧加热方式将带材加热至400～700℃。

具体地，电磁感应加热采用感应加热线圈的形式，因为是对带材进行加热，因此将感应加热线圈制备成长方形，使带材从其中间穿过，在电磁场的作用下，合金带材中的电子交互运动、相互碰撞，使其整体温度升高，且整个高温区域(＞200℃)放置于氩气的保护氛围中，避免合金带材氧化影响焊接，且通过调节交变电流大小或者电弧电流大小，将合金表面加热至指定温度，感应加热线圈或者电弧焊枪距离管坯成型机组100～500mm。该步骤中，采用加热带材的形式，以降低高强钛合金变形的抗力，同时降低其变形回弹，提高管坯的成型质量，使其成型稳定，还可有效降低对管坯成型机组的损耗，提高其使用寿命及工作稳定性；带材热成型相比于冷成型，能够极大的降低合金强度、增强塑性，因此在机架不变的前提下，能够制备成高强合金焊管。

可选地，如图1所示，步骤“使开卷后的带材加热后再进入管坯成型机组中渐进成形为管坯”中，带材渐进成形为管坯具体包括以下阶段：

初成型段：采用过弯成型形式，使带材边缘成型到位；

多辊成型段：使带材逐渐成型为管坯；

封闭孔型段：使管坯稳定进入焊合室。

具体地，加热后的带材再依次经过初成型段、多辊成型段及封闭孔型段后，成型为质量稳定的管坯，以提高后续管坯焊接成型质量。

本可选方案中，如图1所示，初成型段中，采用3～5组平辊和立辊，且平辊和立辊依次间隔排布，并相邻两者之间间距为50～150mm，平辊由电机驱动主动转动；多辊成型段中，采用4～6组立辊依次间隔排布，且相邻两者之间间距为40～100mm，并立辊为无驱动力的被动辊；封闭孔型段中，采用4～6组平辊和立辊，且平辊和立辊依次间隔排布，并相邻两者之间间距为50～150mm，平辊由电机驱动主动转动，且最后三组平辊均带有导向片。本可选方案的具体实施方式中，整个管坯成型机组处于氩气保护罩范围内，对高温合金进行保护，同时管坯成型机组采用窄间隙排布方式来抑制带材的回弹，即：初成型段中，采用3～5组平辊和立辊，且平辊和立辊依次间隔排布，并相邻两者之间间距为50～150mm，平辊由电机驱动主动转动；多辊成型段中，采用4～6组立辊依次间隔排布，且相邻两者之间间距为40～100mm，并立辊为无驱动力的被动辊；封闭孔型段中，采用4～6组平辊和立辊，且平辊和立辊依次间隔排布，并相邻两者之间间距为50～150mm，平辊由电机驱动主动转动，且最后三组平辊均带有导向片。成型阶段的轧辊均具有冷却水循环系统，以提高轧辊和轴承的使用寿命。该步骤中，采用密集窄间隙排布的形式，可以进一步抑制板材成圆坯过程中的回弹量和波动性，保持成型稳定性，提高后续管坯的焊接成型质量。

可选地，如图1所示，步骤“采用激光主焊接电弧辅助焊接的方式，使进入焊合室的管坯焊接成型为焊管”中，焊合室包括焊接挤压辊、焊接设备、冷却装置及充填于焊合室内的保护气。焊接挤压辊包括2～4组平辊和立辊，平辊和立辊依次间隔设置，且相邻两者之间间距为100～150mm。焊接设备为激光电弧复合焊接设备。冷却装置用于对焊接挤压辊和焊接设备的焊接处进行冷却。本可选方案中，如图1所示，激光电弧复合焊接中，激光输出功率为2000～6000W，TIG电弧焊接电流为60～150A，焊接速度为0.6～1.5m/min，具体数据根据管材壁厚决定。该步骤中，由于钛合金回弹大，若焊接采用单一焊接辊形式，极易导致焊缝开裂，因此采用多组平辊和立辊组合形式，保持焊接熔池在凝固之前稳定；同时采用激光焊接热源作为主热源，进行管坯的熔化，TIG电弧热源作为辅助热源，对焊缝表面进行重熔处理，提高焊管的表面质量，极大降低焊接热输入量，改善焊管组织性能。

优选地，如图1所示，当采用上述步骤“采用激光主焊接电弧辅助焊接的方式，使进入焊合室的管坯焊接成型为焊管”仍然导致焊接效果不稳定时，还可附加措施为：焊合室还包括用于对管坯进行加热的加热装置，加热装置设置于焊接挤压辊之前，以用于将管坯在焊接之前加热至100℃～500℃，从而一定程度上抑制带材的回弹，维持良好的焊缝质量。本优选方案中，加热装置为感应线圈。

可选地，如图1所示，步骤“使焊管预定径再进行在线退火热处理以获得低应力焊管”中，“预定径”采用多组平辊和立辊，且平辊和立辊依次间隔设置，并相邻两者之间间距为50～150mm，定径量为需要定径的60～80％。

可选地，如图1所示，步骤“使焊管预定径再进行在线退火热处理以获得低应力焊管”中，焊接完毕的焊管首先在在线热处理炉中加热到指定温度，然后再采用石墨和冷却水循环系统对加热后段的焊管进行冷却。本可选方案中，焊接完毕的钛合金焊管进入到在线感应加热线圈内，采用交流电的螺旋线圈对钛合金焊管加热到指定温度，加热温度低于相变点100℃～200℃范围，整个区域处于氩气保护氛围，并采用石墨管和冷却水循环系统对加热后段的焊管进行冷却，使得出口处的钛合金焊管成银白色。该步骤中，因为在板材向管坯成型时，既存在变形应力又有焊接应力的存在，因此，需要对焊管进行在线去应力处理，保持管材的直线度。

可选地，如图1所示，步骤“对低应力焊管进行二次定径、矫直及检测处理”中，“二次定径”采用多组平辊和立辊，且平辊和立辊依次间隔设置，并相邻两者之间间距为50～150mm，定径量为需要定径的20～40％。该步骤中，采用多定径组(多组平辊和立辊)、每组小缩径量(定径量为需要定径的20～40％)的形式，并且前后定径机组之间存在速度差，以实现合金管管型精确控制，提高低应力焊管的质量。

可选地，如图1所示，步骤“对低应力焊管进行二次定径、矫直及检测处理”中，“矫直”采用多组平辊和立辊，且平辊和立辊依次间隔设置。

可选地，如图1所示，步骤“对低应力焊管进行二次定径、矫直及检测处理”中，“检测”包括在线涡流检测、激光测径、在线定尺切断、离线超声检测、水压气密检测。本可选方案中，焊管在切断前还要经过在线涡流检测，主要检测是否有未熔透、裂纹等缺陷，经过激光测径后进行在线定尺切断，之后还需经过离线超声检测及水压气密检测等，提高焊管质量。该步骤中，合金管由于强度、硬度高，相比于纯钛或不锈钢，其在线锯切对锯片的要求更大，故而采用镶嵌合金锯片进行切断。

可选地，如图1所示，步骤“对低应力焊管进行二次定径、矫直及检测处理”之后，还包括步骤：

酸洗：对低应力焊管内外表面进行酸洗处理，去除表面氧化膜，以获得高质量高强度合金焊管。

本发明中，高强钛合金焊管规格：抗拉强度：700～1200MPa；壁厚：0.5～2.0mm；管径：20～80mm；热辅助成形温度：400～700℃；成形速度：1.2～4.0m/min；激光功率：1000～6000W；辅助电弧电流：40～150A；在线热处理温度：600～900℃。

具体实施例：一种高强钛合金焊管的制备方法，具体步骤如下：

步骤1)高强钛合金带材热辅助成形，获得钛合金管坯。

针对双相钛合金TC4，根据国标GB/T 3621，TC4钛合金带材其屈服强度大于830MPa，抗拉强度大于895MPa，延伸率为10％左右，杨氏模量109～112GPa，熔点1630～1650℃，相变点995±15℃。

钛合金带材从开卷机送出，首先经过剪切对焊机组后进入储料架，然后经过导向轮约束带材的前进方向，并对带材表面进行在线清洗，去除带材表面污垢。经过导向轮后进入热辅助成形机组，提前将带材表面温度加热至400～700℃，并采用红外射线对带材表面温度进行检测，整个高温成形过程带材两端处于氩气保护氛围下，以便于后续管材的焊接。

钛合金带材到管坯采用渐进成形的形式，成形速度为1.2～4.0m/min，机组采用平辊和立辊组合，分为初成型段、多辊成型段、封闭孔型段，最终形成钛合金管坯进入到焊合室。

步骤2)高强钛合金管坯激光焊接，获得钛合金焊管。

钛合金管坯进入到焊合室，焊合室整体处于氩气保护氛围下，并且管坯背部采用内保护气管装置进行焊缝背面保护。电弧辅助激光焊接过程中，激光是主热源，电弧是辅助热源，其中，激光功率和电弧焊接电流根据成形速度而定，保证焊缝熔透且成形良好。其中激光倾斜角度为5～15°，离较量-5～+20mm，TIG焊枪倾斜角度为45～70°，激光-钨极间距为5～15mm。经过激光焊接之后，形成钛合金直缝焊管。

步骤3)预定径后高强钛合金焊管在线热处理。

经过成形、焊接的钛合金焊管具有较大的内应力，因此焊管进入在线退火炉进行在线高温退火处理，采用电磁感应线圈对钛合金焊管进行加热，并采用氩气进行保护，加热温度采用红外射线实施反馈，加热温度保持在600～900℃，加热后通过石墨进行保温冷却。

步骤4)焊管二次定径、锯切、平头。

经过成形焊接热处理的焊管管径、圆度尚不能满足要求，因此需要对钛合金焊管进行二次定径、激光测径和矫直处理，以确保满足生产规格要求。

之后进入在线锯切机组，按照设定好的钛合金焊管长度喷码精切，并对焊管切割毛刺进行去毛刺处理。

步骤5)钛合金焊管性能检测。

钛合金焊管还要经过在线涡流检测、离线超声、水压气密检测，确保生产的钛合金焊管质量。

同时对于每一班组生产的钛合金焊管，每隔两小时进行取样送检，分别进行微观组织、拉伸、正向弯曲、背向弯曲、冲击、扩孔、硬度、压扁、耐压性能检测，保证产品质量稳定性。

步骤6)钛合金焊管酸洗。

由于钛合金在成形时会有部分氧化，因此对生产出的钛合金焊管进行酸洗，去除表面氧化膜和杂质。并二次处理，去除表面酸洗液，进行烘干处理。

步骤7)钛合金焊管包装入库。

经过上述工序的钛合金焊管成品进行包装。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强合金焊管生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

使开卷后的带材加热后再进入管坯成型机组中渐进成形为管坯；

采用激光主焊接电弧辅助焊接的方式，使进入焊合室的管坯焊接成型为焊管；

使焊管预定径再进行在线退火热处理以获得低应力焊管；

对低应力焊管进行二次定径、矫直及检测处理。

2.根据权利要求1所述的高强合金焊管生产方法，其特征在于，

步骤“使开卷后的带材加热后再进入管坯成型机组中渐进成形为管坯”中，采用电磁感应加热方式或电弧加热方式将带材加热至400～700℃。

3.根据权利要求1所述的高强合金焊管生产方法，其特征在于，步骤“使开卷后的带材加热后再进入管坯成型机组中渐进成形为管坯”中，带材渐进成形为管坯具体包括以下阶段：

初成型段：采用过弯成型形式，使带材边缘成型到位；

多辊成型段：使带材逐渐成型为管坯；

封闭孔型段：使管坯稳定进入所述焊合室。

4.根据权利要求3所述的高强合金焊管生产方法，其特征在于，

初成型段中，采用3～5组平辊和立辊，且所述平辊和所述立辊依次间隔排布，并相邻两者之间间距为50～150mm，所述平辊由电机驱动主动转动；

多辊成型段中，采用4～6组立辊依次间隔排布，且相邻两者之间间距为40～100mm，并所述立辊为无驱动力的被动辊；

封闭孔型段中，采用4～6组平辊和立辊，且所述平辊和所述立辊依次间隔排布，并相邻两者之间间距为50～150mm，所述平辊由电机驱动主动转动，且最后三组所述平辊均带有导向片。

5.根据权利要求1所述的高强合金焊管生产方法，其特征在于，步骤“采用激光主焊接电弧辅助焊接的方式，使进入焊合室的管坯焊接成型为焊管”中，所述焊合室包括焊接挤压辊、焊接设备、冷却装置及充填于所述焊合室内的保护气；

所述焊接挤压辊包括2～4组平辊和立辊，所述平辊和所述立辊依次间隔设置，且相邻两者之间间距为100～150mm；

所述焊接设备为激光电弧复合焊接设备；

所述冷却装置用于对所述焊接挤压辊和所述焊接设备的焊接处进行冷却。

6.根据权利要求5所述的高强合金焊管生产方法，其特征在于，

所述焊合室还包括用于对管坯进行加热的加热装置，所述加热装置设置于所述焊接挤压辊之前，以用于将所述管坯在焊接之前加热至100℃～500℃。

7.根据权利要求1所述的高强合金焊管生产方法，其特征在于，

步骤“使焊管预定径再进行在线退火热处理以获得低应力焊管”中，“预定径”采用多组平辊和立辊，且所述平辊和所述立辊依次间隔设置，并相邻两者之间间距为50～150mm，定径量为需要定径的60～80％；

步骤“使焊管预定径再进行在线退火热处理以获得低应力焊管”中，焊接完毕的焊管首先在在线热处理炉中加热到指定温度，然后再采用石墨和冷却水循环系统对加热后段的焊管进行冷却。

8.根据权利要求1所述的高强合金焊管生产方法，其特征在于，

步骤“对低应力焊管进行二次定径、矫直及检测处理”中，“二次定径”采用多组平辊和立辊，且所述平辊和所述立辊依次间隔设置，并相邻两者之间间距为50～150mm，定径量为需要定径的20～40％；

步骤“对低应力焊管进行二次定径、矫直及检测处理”中，“矫直”采用多组平辊和立辊，且所述平辊和所述立辊依次间隔设置。

9.根据权利要求1所述的高强合金焊管生产方法，其特征在于，

步骤“对低应力焊管进行二次定径、矫直及检测处理”中，“检测”包括在线涡流检测、激光测径、在线定尺切断、离线超声检测、水压气密检测。

10.根据权利要求1所述的高强合金焊管生产方法，其特征在于，步骤“对低应力焊管进行二次定径、矫直及检测处理”之后，还包括步骤：

酸洗：对低应力焊管内外表面进行酸洗处理，以获得高质量高强度合金焊管。

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