大直径SB-265 Gr.16钛-钯合金封头焊接及成形工艺

2022-02-12刘玉祥熊荣国袁世东

大型铸锻件 2022年1期

刘玉祥熊荣国袁世东

(森松(江苏)重工有限公司上海分公司，上海201323)

我公司某国外项目制造阳极液罐按ASME VIII-1卷2019版标准设计制造，设计选材SB-265 Gr.16，设备直径4000 mm，筒体壁厚14 mm，封头最小厚度16 mm，封头为椭圆形封头，封头投料厚度18 mm，封头具体结构型式及规格尺寸如图1所示。

图1 封头结构尺寸Figure 1 Head structure dimensions

1 SB-265 Gr.16性能介绍

SB-265 Gr.16为Ti-Pd合金，是Gr.1(一级工业纯钛)+(0.04%～0.08%)Pd组成的合金，属于α型钛合金，Pd属于慢共析型β稳定元素，提高Pd的含量，可减少氢脆的敏感性[1]。Pd改善了钛在中等还原性工况下以及缝隙腐蚀条件下的腐蚀，在氯化物的腐蚀环境中，具有良好的抗局部腐蚀的能力，SB-265 Gr.16化学成分及力学性能如表1及表2所示。

表1 化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition(mass fraction,%)

表2 力学性能Table 2 Mechanical properties

2 封头拼缝的焊接

封头直径4000 mm，封头展开投料尺寸为∅4940 mm，受材料板幅所限，封头采取三张板拼接，共两条焊缝，如图2所示。

图2 封头拼缝Figure 2 Head patchwork

2.1 焊接方法选用

钛合金目前主要的焊接方法有手工GTAW、机械GTAW、GMAW焊接方法。GMAW焊接方法虽然效率高，但焊接保护效果差，虽然目前已经有GMAW专家系统的专机，但依然存在轻微飞溅的问题，对于钛的焊接是不利的。GTAW焊接方法具有电弧稳定、能量集中、保护效果好、热影响区窄、熔池可见性好等优点。机械GTAW焊接方法比手工GTAW焊接成形更漂亮美观，焊接质量稳定，此次封头焊接采用机械GTAW焊接方法。

2.2 施焊环境

钛材焊接厂区要保证洁净，满足菲绕啉试验的检测要求。钛材焊接厂区不能有碳钢以及其它铁基材料，避免钛被铁离子污染，形成Ti-Fe硬脆相，影响焊接质量，降低材料的耐蚀性。

2.3 封头组对

封头三张拼板整体组对，放在专用的钛封头组对平台上组对，组对时须控制好纵向错边量和厚度方向的错边。封头组对好后，在封头板上安装防变形工装，防止封头拼缝焊后形成翘曲变形。封头焊接试板点焊在拼缝的前端，与封头拼缝一起焊接。

2.4 拼缝焊接

焊前坡口及其两侧25 mm范围采用丙酮清洗去除油污，机械GTAW焊接时，焊枪宜选用大口径的透镜喷嘴，加强对焊接熔池的保护，背面及尾部均须采用氩气保护，背面氩气保护盒长度与焊缝长度一致，焊枪尾部氩气保护盒长度不小于200 mm，焊缝未冷却300℃以下时，禁止与空气接触，防止焊缝在高温下氧化和吸收空气中的氢、氧、氮，导致焊缝及热影响区脆化，以及焊缝硬度升高。SB-265 Gr.16相匹配的焊材为ERTi-16，但由于该焊材生产厂家少，订货周期长，此次封头拼缝采用Pd含量更高的ERTi-7焊材，具体焊接规范参数如表3所示。

表3 焊接规范参数Table 3 Welding specification parameters

2.5 焊缝质量要求

焊缝焊后进行外观检测，焊缝应为银白色，允许有少量的麦秆黄色，禁止出现发蓝、发黑现象。外观检测合格后进行FULL-PT-APP.8及FULL-RT-UW-51检测。

3 封头压制方案的确定

钛材具有较高的屈强比，加工过程中回弹量较大，加工硬化程度高，钛在常温下，延伸率比较低，这些因素都给钛封头冷成形工艺提高了难度，因此钛封头采用热冲压是一个比较可靠的选择。通常材料随温度升高，抗拉强度、屈服强度下降，延伸率升高，但钛随加热温度升高，抗拉强度和屈服强度下降，延伸率先随温度升高而上升，温度到了200℃以后，延伸率出现下降的态势，温度到了400～500℃时，延伸率降至材料的最低，然后再随温度的升高而升高，因此钛封头热冲压的终压温度控制是钛封头热冲压的关键点之一。温度高于650℃后，钛会发生再结晶，在该温度下加热时间过长，钛的晶粒组织会变的粗大，影响材料的强度。基于上述的考虑以及原有的焊接工艺评定试验的结果，封头压制加热温度按620℃执行，终压温度原则上尽可能高于500℃。钛具有较低的冲击韧性，裂纹扩展阻碍能力差，具有较高的缺口效应。钛封头板面质量的好坏，以及封头模具表面的光洁程度均会影响封头压制的质量，在封头压制前应去除板面的划伤性缺口，对封头的模具进行抛光。

4 封头的压制

4.1 压制前准备

封头板装炉前进行检查，是否存在磕碰性划伤、下料切割氧化物等，封头板边缘打磨成小R圆滑过渡，降低边缘缺口效应。封头拼缝余高采用机械抛磨的方式去除，抛磨过程中须注意不能将焊缝打磨得低于母材厚度，抛磨后再采用百洁布轮对焊缝位置精抛。以上事情处理好后，对整个封头板采用洗洁精清洗，保证整个板面清洁。封头压机的上模、下模、压边圈进行除锈及光洁抛光，抛光度不低于80#。

4.2 封头装炉加热

封头板采用天然气炉加热，封头板放置于炉子正中央，每次加热一片封头板，封头板在炉中用耐火砖垫高，垫高高度大于300 mm，垫高使用的耐火砖为镂空摆放，保证封头板底部的空气可以实现有效的对流，保证封头板升温的均匀性。耐火砖支撑封头板的位置用保温棉铺上，防止封头板被耐火砖磕伤。封头板距离炉子火嘴的距离大于300 mm，避免炉嘴火焰直接烧到封头板上，造成过渡氧化。封头拼缝焊接试板随炉加热，垫高要求与封头相同。封头板上布置3支热电偶，正中心1支热电偶，边缘均匀布置2支热电偶，焊接试板布置1支热电偶。封头板加热温度为620℃±10℃，保温时间20～30 min。

4.3 封头冲压

封头板保温后，出炉进行冲压，将封头板放置在压机上，快速调整与压机对中，防止封头板温度下降过多，影响封头终压温度。对中后，压边圈将封头板压紧，压机上模下压，完成首次冲压。首次冲压选择小规格的模具冲压，后续冲压逐渐加大封头冲压模具规格，压机每次冲压需要控制上模下压量，不可以冲压深度过深，造成封头变形量一次性过大，增加封头压裂的风险。该封头直径4000 mm，共进行4次炉内加热，经4次冲压后最终成形，每次加热过程，封头拼缝焊接试板均随炉加热。冲压的过程中采用红外测温枪监测封头终压温度，4次冲压的终压温度依次为516℃、520℃、485℃、473℃。