Ti-35合金設備的關鍵制造技術

原杰 葉建林 董斌 袁敏哲

（西安優耐特容器制造有限公司)

Ti-35合金設備的關鍵制造技術

原杰*葉建林 董斌 袁敏哲

（西安優耐特容器制造有限公司)

Ti-35合金是后處理設備的新型用料。對Ti-35材料的焊接和機械加工性能進行了試驗研究。采用新工藝、新技術成功地研制出國內首臺Ti-35材料溶解器、蒸發器實驗設備，滿足各項技術要求并順利通過驗收。為Ti－35材料的商業化應用起到了積極的推動作用。

鈦合金 焊接工藝 溶解器 蒸發器 制造技術 脹接

0 前言

Ti-35合金是西北有色金屬研究院對Ti-Ta系合金長期系統的研究，優化出的一種具有優異耐沸騰硝酸溶液腐蝕的新型鈦合金[1]，其已被證明是替代超低碳不銹鋼制造溶解器、蒸發器等后處理關鍵設備的理想用料。Ti-35合金作為一種新型化工設備用材，其在焊接、成形等方面的性能與傳統的鈦合金相比有了一定的改善。Ti－35合金是在傳統的鈦合金基礎上加入了質量分數小于10%的Ta元素。由于Ta的熔點極高，加上Ta與Ti的密度相差極大，這就使得Ti－35合金與傳統的鈦合金在焊接性能等方面有所不同。西安優耐特容器制造有限公司利用長期從事稀有金屬壓力容器制造的豐富經驗，針對Ti-35合金材料的特點，對Ti-35合金在加工、焊接、成形等方面的性能進行了試驗研究，通過控制原材料及制造過程的關鍵環節并采用一些新工藝、新技術，成功地研制出Ti-35合金溶解器、蒸發器實驗設備。經過多種檢測和試驗，該溶解器、蒸發器實驗設備在性能和質量上均能滿足相關標準和客戶的圖紙、技術條件的要求，最終順利通過了客戶的評審驗收。

本次研制的Ti-35合金溶解器、蒸發器實驗設備在材料、結構、關鍵制造工藝等方面均與正式產品相似，這就為后續Ti-35材料的溶解器、蒸發器正式產品的制造提供了成熟的工藝和經驗，同時也為Ti-35材料在后處理關鍵設備中的工業化應用奠定了基礎。

1 制造關鍵技術

1.1 焊接工藝

設備焊縫的質量好壞直接決定了整臺設備的可靠性和安全性，因此在設備制造前，必須進行焊接工藝評定，從而確定正確的焊接方法和焊接參數。研究表明，焊接熱輸入量和熱循環道次是Ti-35合金焊縫性能的關鍵因素[2]。通過長期、大量的焊接工藝試驗，總結優化出了適用于Ti-35合金間焊接以及Ti-35與異種鈦合金間焊接的工藝參數，如表1所示。

Ti-35合金的化學成分和力學性能決定了其焊接特性的復雜性：（1）高溫時，Ti－35合金已與碳、氫、氧等雜質發生反應生成化合物，嚴重影響了焊縫質量和耐腐蝕性能。（2）Ti－35合金作為一種α合金，焊縫若在高于β相變溫度之上的高溫停留時間過長，會導致強度、塑性和沖擊韌性下降。（3）鐵的存在對Ti－35合金的耐腐蝕性影響很大，并且鐵污染會導致加速吸氫，嚴重影響焊縫質量。針對以上特點，除了嚴格按照焊接工藝進行施焊外，還應采取以下有效的措施來確保焊接質量。

表1 焊接工藝參數

（1）焊前準備：所有的坡口應盡量使用機械加工的方式獲得，并且嚴格控制焊縫坡口結構尺寸。焊接前焊縫坡口及焊縫兩側50 mm焊縫熱影響區范圍內用丙酮進行清理去油脂。

（2）焊接保護：焊接時需對熔池、焊縫及溫度超過300℃的熱影響區妥善保護。應針對不同的焊接結構，制作特殊結構的托罩和保護罩，形成均勻穩定的層流，對焊接接頭部位進行良好的保護。

（3）Ti－35焊接區應以快速冷卻為宜，因此在焊接過程中，除了嚴格控制層間溫度外，還應使用銅板等措施加速焊接區域冷卻速度。

（4）焊接環境：焊接均在潔凈環境中進行，要對焊接區域進行“菲繞啉”試驗檢測，在保證無鐵離子污染時方能進行施焊。施焊時相對濕度不大于60%，焊件溫度不低于5℃。焊接平臺、設備及工裝等應清潔，必要時采用丙酮擦拭拖罩及背面保護裝置、壓板等。焊工及裝配工戴潔凈的紗布手套。

通過以上措施對焊接過程嚴格地控制，最終設備焊縫表面均呈銀白色，PT、RT檢測也均符合相關標準、圖紙和技術文件的要求。此外，還對設備焊接試板進行了力學性能試驗，結果均滿足要求。有關試驗結果如表2、表3所示。

表2 拉伸試驗結果

表3 彎曲試驗結果

1.2 封頭成形工藝

Ti－35合金具有強度高、變形抗力較大、回彈較大以及大量冷變形后會產生晶格畸變等特點[3]。鑒于Ti－35合金在一定的溫度下其塑性得到明顯改善，同時其變形抗力和回彈減小，成形性能顯著改善，因此Ti－35封頭成形宜采用熱成形工藝。考慮其變形抗力和回彈因素，應保證一定的終壓溫度，且終壓溫度應盡量高。通過模擬試沖和試樣分析，確定了封頭加熱工藝如圖1所示。同時，還應對下料尺寸、壓制方案、模具結構和預熱溫度等方面進行嚴格控制。成形后的封頭不僅形狀尺寸嚴格符合標準要求，還具有較好的力學性能。成形后封頭力學性能如表4所示。

圖1 封頭加熱工藝

表4 封頭力學性能

1.3 脹接工藝

為了保證管頭與管板接頭的質量，管頭與管板接頭采用脹接加強度焊的方式以保證連接強度和密封性，從而提高接頭的抗疲勞性能，延長設備的使用壽命[4]。針對Ti－35合金的特點，應采用柔性脹接。與其他脹接方法相比，液壓脹接具有管壁受壓均勻、換熱管軸向伸長率小、脹接段過渡光滑等諸多優點，因此本設備脹接方法采用液壓脹接。

換熱管發生屈服而管板發生彈性變形是最理想的脹管狀態，因此采用下式進行脹接力的計算：

式中σs1——管材屈服極限，為438 MPa；

σs2——管板屈服極限，為441 MPa；

do——管子外徑；

di——管子內徑；

Di——管板上管孔直徑；

B——孔橋尺寸。

由上式計算得到本設備所需的脹接力ps=391 MPa。根據計算的脹接壓力并通過試脹接對脹接力進行修正，最終確定脹接力為400 MPa，此時脹接效果滿足要求。由于管板上分布的管孔較多，在進行脹接時，采用從管板周邊向內對稱交替脹接的順序進行脹接，嚴格控制管子伸出長度，同時避免多次反復脹接。脹接前和更換脹管器后必須檢查脹接長度，防止管板背面殼體內換熱管脹出，從而保證了脹接質量，也有效地控制了由于脹接引起的管板變形。

2 無損檢測

無損檢測是確保產品安全質量的重要技術手段。針對該類產品結構與Ti－35材料特點，除了嚴格按照標準、圖紙技術要求進行無損檢測外，還應制定針對性的無損檢測策略。由于Ti與Ta原子排序相差較大，傳統的像質計無法保證探傷的靈敏度和探傷底片的清晰度，因此通過研制Ti－35專用像質計、增加無損檢測方法和次數、提高無損檢測靈敏度與缺陷檢出率等技術手段，確保了無損檢測的質量。

3 結論

Ti－35作為一種新型化工設備用材，如何利用其制造出高質量的設備，并沒有可借鑒的先例和經驗。本公司依托多年的研究成果和經驗數據，通過對Ti－35材料成形、焊接、脹接等關鍵工藝的大量試驗研究，并對整個制造、檢驗環節進行嚴格控制，成功研制出國內首臺Ti－35合金溶解器、蒸發器實驗設備。該設備最終檢測合格并順利通過驗收。目前該設備的中試階段一切良好。該Ti－35合金設備的成功研制，為Ti－35材料的推廣和工業化應用奠定了良好的基礎。

[1]吳金平，楊英麗，趙彬，等.后處理設備用Ti-35合金材料研究[C].北京：中國核學會，2006：302-304.

[2]吳金平，楊英麗，趙恒章，等.焊接熱循環對Ti35鈦合金組織性能的影響[J].中國有色金屬學報，2010，20(1)：650-653.

[3]楊英麗，趙彬，林橋，等.冷加工率對Ti-35合金組織性能的影響[J].鈦工業進展，2004，21(6)：22-23.

[4]陸怡，顏惠庚，宋瑞宏，等.換熱管與管板液壓脹接接頭疲勞性能[J].化工機械，2003，30(4)：198-201.

Key Manufacturing Technology of Ti-35 Alloy Equipment

Yuan JieYe JianlinDong BinYuan Minzhe

Ti-35 alloy is a new-type material for the post processing equipment.Thus,the welding performance and the machining property of the Ti-35 alloy is studied.Then the first dissolver and evaporator laboratory equipment of the Ti-35 material in China，which meets all the technical requirements and passes the acceptance，is successfully developed by applying new technology.Meanwhile,it has played an active role in promoting the commercial application of the Ti-35 material.

Titanium alloy;Welding technology;Dissolver;Evaporator;Manufacturing technology;Expanded connections

TQ 050.6

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.08.014

2015-12-20）

*原杰，男，1989年生，碩士研究生，助理工程師。西安市，710201。