鈦材料在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用較多，這與鈦金屬的優(yōu)勢有著密切關(guān)系，比如鈦的比重較小，具有較好的耐腐蝕、耐磨以及無毒優(yōu)勢。鈦金屬實(shí)際應(yīng)用十分廣泛，如可用于化工行業(yè)、核電行業(yè)、石油行業(yè)等，在上述相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用期間，薄壁鈦管材包含了焊接管與無縫管，無縫管與焊接管相比，在生產(chǎn)加工期間投入大、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)品合格率較低，    特別是在超長管材以及超薄管材加工期間，其實(shí)際投入與產(chǎn)出之間存在較大差異性[1]。焊接管材與無縫管加工相比，其生產(chǎn)效率明顯提高。本研究結(jié)合筆者工作經(jīng)驗(yàn)，探討TA2 純鈦焊接管無縫化處理的相關(guān)問題。

1、問題的提出

鈦管材在焊接過程中雖然較鈦管材無縫化對應(yīng)的生產(chǎn)周期、生產(chǎn)成本下降，且具有較高的成品率，但是焊接過程中由于焊接熱力效應(yīng)以及焊縫的存在，造成焊接區(qū)域組織粗大，表現(xiàn)出鑄態(tài)組織，致使基體與焊縫位置性能差異較大，而焊縫位置也成為了整個鈦管材焊接的薄弱點(diǎn)，對管材的安全使用以及使用壽命產(chǎn)生影響[2]。對于內(nèi)表面存在焊縫余高問題也會引起焊材出現(xiàn)應(yīng)力集中問題，降低管材的耐腐蝕性能，因而一般環(huán)境條件下焊接管材能夠滿足要求且應(yīng)用廣泛，但是對于環(huán)境要求較為復(fù)雜的，焊接管的實(shí)際應(yīng)用受到限制，具體應(yīng)用期間的安全性以及使用壽命均會受到環(huán)境條件影響。基于此，需要通過冷軋加工處理以及相關(guān)熱處理將焊縫對整個基體產(chǎn)生的影響徹底消除或者大幅度降低，便于鈦金屬焊接材料應(yīng)用范圍的延伸。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 坯料

焊機(jī)管材原料選擇進(jìn)口材料，具體為日本住友公司生產(chǎn)的二類純鈦帶，厚度為0.7mm，分條處理后，通過自動化焊管生產(chǎn)線，將其加工成為焊接管，具體規(guī)格為ф23mm×0.7mm，切取3 支3000mm 的定尺，并實(shí)施渦流探傷、尺寸檢查、宏觀檢查、水壓試驗(yàn)等，確保其相關(guān)參數(shù)以及性能達(dá)到合格要求，經(jīng)過上述處理將其作為無縫化處理坯料。

從上述制作的焊管坯料上選取5mm 高度的環(huán)形試樣，細(xì)致的對選取試樣橫截面焊縫組織進(jìn)行觀察，找到管材焊縫位置后對其進(jìn)行切削處理，分析其化學(xué)成分，評價焊縫中化學(xué)元素含量水平；嚴(yán)格按照國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對選取的試樣進(jìn)行拉伸、擴(kuò)口、壓扁以及反向展平等操作，對管材拉伸性能以及相關(guān)參數(shù)做出處理[3]。

2.2 無縫化處理

整個無縫化處理需要按照以下流程進(jìn)行：選取焊管坯料，對不同加工率管材實(shí)施冷軋?zhí)幚恚秃笏嵯?，真空條件下退火。使用LD30 多輥冷軋管機(jī)對選取的3 支ф23mm×0.7mm×3000mm 焊接管材進(jìn)行處理，冷軋?zhí)幚砗笫蛊溥_(dá)到ф22mm×0.6mm、ф21mm×0.55mm 以及ф20mm×0.5mm 要求，對應(yīng)的冷加工率為17.00%、 28.00% 以及34.00%，完成冷軋?zhí)幚砗螅瑥牟煌?guī)格成品中選取試樣，要求從不同產(chǎn)品中間區(qū)域選取，環(huán)形試樣的高度為5mm，獲取試樣后觀察橫截面焊縫組織，并對比不同冷軋率條件下觀察結(jié)果的差異性；研究焊縫組織中完全破碎管材，并進(jìn)行如下操作，包括除油酸洗與真空退火，真空退火條件為600℃ ×2h/AC，將升溫速率控制在每分鐘15℃。通 過上述操作完成無縫化處理。無縫化處理完成后繼續(xù)選取試樣，同樣從處理后的試樣中間位置選取環(huán)形試樣，高度仍然為5mm。仔細(xì)觀察管材橫斷面金相組織，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)操作方法實(shí)施拉伸、擴(kuò)口操作、壓扁操作以及反向展平操作，通過上述相關(guān)操作試驗(yàn)了解試樣的力學(xué)性能以及加工處理工藝。從焊縫位置獲取化學(xué)成分，然后進(jìn)行試樣分析，了解無縫化處理后管材焊縫區(qū)域中間隙元素情況以及含量水平等。

上述操作均由專業(yè)人員嚴(yán)格按照國家現(xiàn)有的行業(yè)法規(guī)進(jìn)行處理。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 冷軋加工率的選擇

圖1 所示為TA2 純鈦焊管以及采取不同加工措施后冷軋焊管顯微組織，a、b、c、d 對應(yīng)的冷加工率分別為0.00%、17.00%、28.00% 以及34.00%。觀察圖片，冷加工率為0 的情 況下，基體組織與焊管管材焊縫區(qū)域組織差異性明顯，兩者之間有著較為清晰的分界線，其中基體組織表現(xiàn)出等軸組織，較為細(xì)小且均勻，但是焊縫區(qū)域包含了過熱的魏氏組織以及鑄態(tài)組織?？拷砻娴膮^(qū)域，晶粒較小，有針狀α 相存在且數(shù)量較多，有細(xì)小的等軸顆粒存在于粗大組織區(qū)域。出現(xiàn)這一結(jié)果與實(shí)際焊接有關(guān)，鈦管材的焊接期間，焊縫表面暴露在空氣中，而焊縫中間區(qū)域受到保護(hù)，兩者在焊接后冷卻速率方面存在差異，這種差異造成上述焊縫區(qū)域與基體之間存在不同。金屬焊接過程中的問題較高，對應(yīng)的熔化以及冷卻過程較為迅速，致使熔池中存在未完全液態(tài)化的排列組織，冷卻后這些未完全液態(tài)化的排列組織可稱為形核中心，表現(xiàn)出細(xì)小的等軸組織。

在冷加工率為17.00% 的條件下，通過冷軋變形，原有焊縫組織中的粗大組織發(fā)生了改變，盡管如此，焊縫區(qū)域和基體之間仍然存在較為清晰的分界線。在冷加工率為28.00% 的條件下，焊縫中的粗大組織變化明顯，部分粗大晶粒發(fā)生破碎，此時基體和焊縫中間的分界線逐漸變得模糊，雖然已經(jīng)發(fā)生了改變，但是仍然有粗大鑄態(tài)組織的存在，局部區(qū)域 仍然有清晰的分界線，后期退火處理后，焊縫組織沒有完全消除。當(dāng)冷加工率達(dá)到34.00% 的時候，由于冷加工率較大，焊縫中間的魏氏組織以及鑄態(tài)組織得到有效破碎，焊接過程中溫度所產(chǎn)生的熱效應(yīng)得到消除，焊縫區(qū)域和基體之間融為一體，無法分辨出焊縫所在位置。也就是說通過對管壁實(shí)施減壁冷軋?zhí)幚?，焊接期間形成的焊縫得到了有效處理，有效的實(shí)現(xiàn)了焊縫消除。通過對不同冷軋率基體和焊縫關(guān)系的分析，冷軋率為34.00% 的退火處理后有焊縫完全消除的可能。

3.2 無縫化處理焊接管組織和性能

（1）無縫化處理前后間隙元素改變情況。鈦管材在焊接過程中，焊接操作、真空熱處理可能會造成管材中元素含量的變化，其中以焊接管間隙區(qū)域元素含量變化可能性更大， 表1 所示為無縫化處理前后焊接管材焊縫區(qū)域元素成分變化情況。從國內(nèi)表中數(shù)據(jù)可以看出，無縫化處理前后間隙元素含量基本沒有發(fā)生改變，且符合國標(biāo)要求。分析其中氫元 素含量水平下降可能是在真空退火期間，焊縫位置的氫會隨著溫度升高出現(xiàn)流失，造成氫元素含量下降。

（2）無縫化處理前后顯微組織變化。圖2 所示為無縫化處理前后焊管顯微組織表現(xiàn)，通過觀察圖中顯微組織，在無縫化處理后，純鈦焊接管材對應(yīng)的焊縫、熱影響區(qū)、鑄態(tài)組織、魏氏組織等均完全消除，基體與焊縫組織保持一致，均呈現(xiàn)出等軸組織，較為均勻且細(xì)小，其中粒徑大小約為20μm。

（3）無縫化處理前后拉伸性能對比。表2 所示為無縫化處理前后焊接管材拉伸性能相關(guān)參數(shù)，主要是抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及延伸率。通過對焊接管實(shí)施無縫化處理，處理后 的上述參數(shù)有所提高，而經(jīng)過冷軋無縫化處理后，上述參數(shù)出現(xiàn)較大幅度的改變，但是均符合國標(biāo)中的相關(guān)要求。拉伸性能的改變與處理過程有著密切關(guān)系，通過無無縫化處理， 焊縫中間的熱影響區(qū)、鑄態(tài)組織、魏氏組織等均被消除，粒徑均勻度較高，因而總體拉伸性能提高。

（4）無縫化處理工藝性能分析。根據(jù)規(guī)范要求，對無縫化處理后的管材進(jìn)行了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作，反向展平過程中，冷軋無縫處理后的管材沒有出現(xiàn)裂縫；展平實(shí)驗(yàn)過程中通過冷軋 無縫化處理，管材在展平期間同樣沒有出現(xiàn)裂縫，焊縫區(qū)域與基體均為裂縫，表明經(jīng)過無縫化處理以及冷軋無縫化處理，管材的總體性能得到改善，焊縫薄弱點(diǎn)的應(yīng)用現(xiàn)狀得到改善。無縫化處理以及冷軋無縫化處理后，選取試樣同時進(jìn)行擴(kuò)口試驗(yàn)和壓扁試驗(yàn)，擴(kuò)口后的外徑超過24mm，而壓扁距小于5.6mm，上述試驗(yàn)中，無縫化處理、冷軋無縫化處理結(jié)果較為接近，且均符合國標(biāo)要求。表明采取的上述相關(guān)措施能夠保證鈦管材的相關(guān)性能，提高了對復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)能力。

4、研究結(jié)論

本研究中通過實(shí)驗(yàn)方法分析了鈦管材、無縫化處理、冷軋無縫化處理后的相關(guān)質(zhì)量，具體為焊縫區(qū)域的顯微組織圖以及拉伸性能。研究結(jié)果顯示通過無縫化處理以及冷軋無縫 化處理，在冷軋率為34.00% 的情況下，鈦焊接管材對應(yīng)的焊縫、熱影響區(qū)、鑄態(tài)組織、魏氏組織等均消除，且拉伸性能符合要求，存在替代無縫管的可能性。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳火根. 無縫化技術(shù)在錦浦中橋改造中的應(yīng)用[J]. 四川建材,2018,44(07):132-133.

[2] 孟梁. 談既有線道岔無縫化施工與維修[J]. 山西建筑,2017,43(18):146-147.

[3] 張良玉, 李華, 劉守田.TA2 純鈦焊接管無縫化處理及焊縫組織和性能分析[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展,2016,33(06):32-35.

相關(guān)鏈接