馮泉

（南京碧盾環(huán)?？萍加邢薰?，南京 210061）

0 引言

鈦及鈦合金是極其重要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，具有兩大優(yōu)異特性：比強(qiáng)度高，抗蝕性優(yōu)異，這也是航空航天工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、醫(yī)藥工程和休閑行業(yè)優(yōu)先選用鈦及鈦合金的原因［1］。鈦金屬正在各個(gè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，被材料科學(xué)家稱之為21 世紀(jì)金屬。鈦金屬的加工可以參照不銹鋼或碳鋼等常見金屬的加工方法，但由于其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，因此，其加工方法和常見金屬材料有所不同。

前不久，我公司接到某客戶定單，制作一批厚壁鈦管，規(guī)格分別為φ219 mm×18 mm×2 000 mm、φ273 mm×20 mm×2 000 mm、φ324 mm×24 mm×2 000 mm。尺寸精度要求高，橢圓度誤差不大于1.5 mm，整體直線度誤差不大于1.5 mm。這批厚壁鈦管將被用于制作攪拌軸，攪拌軸是化工反應(yīng)釜內(nèi)的動(dòng)力元件，在材料的選用上，首先要能耐腐蝕；其次，材料強(qiáng)度要高，能抗扭曲變形。由于鈦金屬耐腐蝕能力強(qiáng)、抗拉強(qiáng)度高，攪拌軸的材料采用工業(yè)純鈦。

接到任務(wù)后，我公司迅速召開專項(xiàng)會(huì)議，制定具體制作方案。在加工方法上，先是考慮用卷板機(jī)卷制鈦管，但經(jīng)過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)由于鈦管壁厚較厚，超出了卷板機(jī)的加工能力，因此必須采用其他方法加工。由于我公司擁有壓制噸位為500 t 的油壓機(jī)，經(jīng)討論，決定在油壓機(jī)上用模具壓制鈦管，即先壓制長度為1 m 的半圓管，再組對焊接成長度為2 m 的整管。具體工藝路線為：材料準(zhǔn)備→下料→壓制半管→組對→焊接→成品檢驗(yàn)→包裝交貨。

1 原材料

鈦板選用工業(yè)純鈦，牌號(hào)TA2，符合GB/T3621-2007《鈦及鈦合金板材》標(biāo)準(zhǔn)，厚度允許偏差±0.50 mm；抗拉強(qiáng)度≥440 MPa；板材表面不允許有裂紋、起皮、氧化皮、壓折、金屬與非金屬夾渣、堿洗痕跡［2］。

2 下 料

下料前須確認(rèn)材質(zhì)，經(jīng)檢驗(yàn)人員確認(rèn)無誤后方可下料。劃線使用記號(hào)筆，按工藝卡的要求在鈦板表面劃線。記號(hào)筆不能含硫、磷等元素，防止在高溫狀態(tài)下這些元素和鈦產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，降低鈦板的耐腐蝕性能。采用半自動(dòng)氣割或水刀下料，單邊留3 mm 余量。下料后應(yīng)標(biāo)注材料的移植號(hào)、軋制方向、規(guī)格。用刨邊機(jī)加工焊接坡口并去除坡口及兩側(cè)表面的氧化皮和浮渣。刨后尺寸公差：長度、寬度方向公差±1 mm；兩對角線公差小于±1.5 mm。刨后對待壓制的鈦板表面進(jìn)行拋光處理，進(jìn)一步降低鈦板表面粗糙度，去除表面缺陷，防止在壓制時(shí)產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。要注意的是，拋光方向應(yīng)與鈦管軸線方向垂直。

3 壓制成型

由于鈦板的室溫強(qiáng)度高，必須采用加熱的方法提高塑性，降低材料在壓制時(shí)的強(qiáng)度。但加熱時(shí)必須嚴(yán)格控制溫度。溫度過低，則壓不動(dòng)；溫度過高，則容易造成材料表面氧化，產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。我們把溫度范圍定為600～650 ℃。在這個(gè)溫度區(qū)間，鈦材強(qiáng)度低，塑性高，易成型。加熱前先在鈦板表面涂刷防護(hù)潤滑劑，防護(hù)劑可以有效防止鈦板在高溫下表面氧化，同時(shí)能夠減少脫模阻力。防護(hù)劑要能耐高溫。通過比較，我們選擇石墨潤滑劑，它的使用溫度達(dá)到1 000 ℃，而且石墨與鈦的摩擦因數(shù)低，非常有利于脫模。當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到1 h，就可以壓制鈦管了。這里要注意：由于鈦材的硬化傾向大，如果單位時(shí)間內(nèi)的材料變形量大，會(huì)產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。因此，在壓制時(shí)，油壓機(jī)的下行速度要盡可能慢。經(jīng)測量，壓制的鈦管橢圓度誤差1～1.5 mm，整體直線度誤差1～1.5 mm，符合技術(shù)要求。

4 組對焊接

壓制好的半圓管要先組對焊接成1 m 長的整管。在組對時(shí)要控制錯(cuò)邊量不大于1 mm。鈦的焊接采用氬弧焊。焊前，坡口表面及兩側(cè)各25 mm 范圍內(nèi)應(yīng)進(jìn)行表面清理，去除油污、氮化物、氧化皮、水分、有機(jī)雜質(zhì)等［3］。焊接場地應(yīng)無污染、無灰塵、無煙、無金屬粉塵和無鐵離子污染。在保證環(huán)境保護(hù)良好、熔深足夠的情況下，焊接工藝參數(shù)應(yīng)盡量采用小線能量施焊。焊接時(shí)為防止金屬氧化，可從焊槍、拖罩及背面三個(gè)方向同時(shí)用氬氣進(jìn)行保護(hù)。縱縫焊好后，用校圓模校圓，保證橢圓度不大于1.5 mm。校圓后，再把兩支1 m 長的鈦管組對焊接成2 m 長的鈦管。為保證組對后鈦管的整體直線度誤差不大于2 mm，我們采用熱套的方法組對環(huán)縫。具體方法如下：先在待組對的鈦管端車加工一個(gè)止口，長度30～40 mm，直徑見圓即可。然后再配制一個(gè)鈦環(huán)，長度60～80 mm，直徑比鈦管止口直徑大0.2 mm。之后，用氧槍加熱鈦管組對端，再把鈦環(huán)熱套組對。冷卻后，鈦管和鈦環(huán)之間自然形成過盈配合。熱套后，再焊接環(huán)焊縫成形。經(jīng)測量，整體直線度誤差約為1～1.5 mm，符合工藝要求。

5 結(jié)論

1）用模具在壓力機(jī)上加工鈦厚壁管的方法是可行的。2）從原材料的準(zhǔn)備開始，就應(yīng)該嚴(yán)格控制每道工序的加工質(zhì)量，避免產(chǎn)生任何不利于壓制的缺陷。3）加熱鈦時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制溫度范圍，推薦采用600～650 ℃。4）壓制鈦時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制油壓機(jī)的下行速度，盡量減少單位時(shí)間的變形量。

［1］萊因斯C，皮特爾斯M.鈦與鈦合金［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：3.

［2］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T3621-200 鈦及鈦合金板材［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［3］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)檢驗(yàn)檢疫總局.NB/T47015-2011壓力容器焊接規(guī)程［S］.北京：原子能出版社，2011.