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钛钢复合板缺陷修复研究
[ 编辑:admin | 时间:2016-07-03 14:57:11 | 浏览:1417次 | 来源: | 作者: ]
钛钢复合板广泛应用于化工、电力领域,钛、钢二者的连接好坏是其能否得到实际应用的关键。本文就钛与钢焊接的问题作了简要分析,并针对核电凝汽器钛钢复合端管板的缺陷修复做了详细研究。

摘要:钛钢复合板广泛应用于化工、电力领域,钛、钢二者的连接好坏是其能否得到实际应用的关键。本文就钛与钢焊接的问题作了简要分析,并针对核电凝汽器钛钢复合端管板的缺陷修复做了详细研究。

      关键词:钛钢复合板;焊接;缺陷修复

      序言
      钛及钛合金比强度高、耐蚀性好,被广泛的应用于航天、航空、电力、造船、海水淡化、海洋工程等领域。但由于其价格偏高,通常以钛钢复合板的形式应用于构件的关键部位,既能满足产品的特殊性能要求,又能节约成本。为获得良好的致密性,通常选用焊接方式连接钛与钢。但由于钛与钢直接熔焊时,会在焊缝接头中形成脆硬相,显著降低接头塑性,使焊缝变脆,导致焊缝裂纹的产生。目前,世界上大多数国家都采用爆炸成型的方式制造钛钢复合板。

1 钛钢复合板缺陷的产生
采用爆炸焊方式制造钛钢复合板时,根据爆炸焊时产生的碰撞速度和角度不同,两金属材料之间的冶金结合型式不同,大致分三种,如图1所示[1]。
 


 

图1 爆炸焊结合面形态示意图
 
 (a)当碰撞速度低于临界速度时,结合面就呈直线结合状态(见图a),直线结合面上不发生熔化,但结合力较低。当碰撞条件发生微小变化就会引起未结合缺陷。

 (b)当碰撞速度高于临界值时,就形成波状结合(见图b)。这种结合的力学性能比直线状结合好,而且焊接参数选择范围宽。

 (c) 当撞击速度和角度过大,就会形成一个连续的熔化层(见图c)。就钛钢复合板来说,此熔化层会形成脆性的金属间化合物(TiFe、TiFe2、TiC),使接头变脆,而且在其内部常常含有大量缩孔和其他缺陷。

    若钛钢复合板存在以上a、c类结合面形态,则对核电凝汽器端管板钻铰加工制造来说是致命的威胁。钻孔、铰孔过程中,小面积型的a、c类结合面,在加工应力作用下,导致管孔内结合面处产生凹槽缺陷;当a、c类结合面形态面积较大时,则在结合面处产生贯穿性的脱层缺陷。如图2所示。
  
图2 钛钢复合板缺陷示意图

     对于核电凝汽器端管板来说,钛复层的主要作用是防腐,碳钢基层的主要作用是满足结构强度要求。若钛层与碳钢层的结合面存在贯穿性的脱层缺陷,对机组的运行是极大的安全隐患。由于大尺寸钛钢复合板爆炸成形过程不易控制,难免存在a、c类结合面形态,在后续凝汽器管板钻铰加工应力的作用下,诱发结合面凹槽、脱层缺陷产生。钛钢复合板结合面缺陷已给核电项目凝汽器制造带来过巨大的经济损失,若能采用补焊的方式对以上缺陷加以修复,既可避免巨大的经济损失,也是极大的技术进步。

2 钛钢复合板脱层缺陷修复研究
2.1 难点分析
     钛与钢的物理性能和结晶化学性能差异较大,直接熔焊会产生TiFe、TiFe2、TiC等脆性的金属间化合物,导致焊缝开裂[2]。目前,尚无有效方法抑制以上脆性金属间化合物的产生,故只能采取避免钛钢直接相熔的方式解决以上问题。因此,引入中间隔离层填充材料,将钛钢间接焊起来,是目前看来成功率较大的途径。

2.2 填充材料的选择
    填充材料需满足以下要求:①与钛和钢分别有较好的焊接性;②要有一定的连接强度;③对于接触腐蚀性介质的部件,需具备一定的耐腐蚀性[3]。

    目前,还没有找到一种合适的金属分别与钛和钢有较好的可焊性。故考虑采用两种金属作为填充材料。由于纯铌与纯钛的物理化学性能比较接近,尝试采用铌作为靠近钛侧的填充材料。同时,选择铜作为靠近碳钢侧的填充材料。为避免杂质元素对以上材料焊接性的影响,故选取纯铌Nb1和纯铜T3进行材料可焊性试验。

2.3 材料可焊性试验
    采用铜和铌做中间填料,使钛与钢间接地焊起来,这样就形成钛-铌-铜-钢接头。因此,应分别对铜钢、铜铌、铌钛接头进行可焊性试验。

   铜板(T3、抗拉强度为205 MPa)与钢板(Q235-B、抗拉强度为375 MPa)的对接焊试验(板厚均为3mm),见图3。
    纯铜板(T3、抗拉强度为205 MPa)与纯铌板(Nb1、抗拉强度为200MPa)的对接焊试验(板厚均为3mm),见图4。

 图3 铜钢对接焊试板                        图4 铜铌对接焊试板


   纯钛板(TA1、抗拉强度为240 MPa)与纯铌板(Nb1、抗拉强度为200MPa)的对接焊试验(板厚均为3mm),见图5。

 图5 铌钛对接焊试板
     所有试板按JB/T4730-2005,PT检验Ⅰ级合格,RT检验Ⅰ级合格。拉升试验数据见表1。所有试样的抗拉强度值均大于母材最低抗拉强度值,都呈明显的韧性断裂。由此可见,铜钢、铜铌、铌钛焊缝接头中未形成脆性的金属间化合物,这也是保证材料具备可焊性的有利条件。
表 1 对接接头拉伸试验数据
 
铜钢接头
铜铌接头
铌钛接头
试件编号
1
2
3
4
5
6
抗拉强度(MPa)
229
229
223
219
370
382
断裂部位
铜侧母材
铜侧母材
铜侧母材
铜侧母材
钛侧母材
钛侧母材

     由于纯铜母材的抗拉强度值较低,与纯铜对接焊的试样断裂部位均在铜母材侧。因此,接头抗拉强度的大小,取决于其中抗拉强度值最小的铜。欲提高接头的抗拉强度,可考虑引入铜合金作为填充材料,但合金元素的加入是否在接头中产生脆性相有待试验验证。

 
    在确认以上材料具备可焊性的前提条件下,进行钢-铜-铌-钛的堆焊试验(如图6所示)。以Q235-B钢板为基材,在其上面依次堆焊铜、铌、钛。堆焊试板经PT检验合格。

 图6 钢-铜-铌-钛堆焊试板
     由于铌的耐腐蚀性能较钛好,且铌与钛具备良好的可焊性,为降低工艺难度,在钛钢复合板的脱层缺陷修复过程中可考虑省略最后一层钛的堆焊。
表 2 铌的耐腐蚀性能[2]
介质
试验条件
反映情况
介质
试验条件
反映情况
空气或氧气
230℃
明显氧化
盐酸
稀、100℃
不腐蚀
400℃
快速氧化
浓、100℃
微腐蚀
氮气
600℃
开始反应
硝酸
稀或浓、100℃
不腐蚀
磷酸
浓度85%、20℃
极微腐蚀
硫酸
稀、100℃
极微腐蚀
氢氟酸
浓、20~100℃
急剧腐蚀
浓、100℃
急剧腐蚀

3 钛钢复合板管孔内凹槽缺陷修复研究
核电凝汽器端管板管孔内凹槽缺陷修复的主要目的是恢复管孔外形尺寸,确保冷却管胀接质量。因此,缺陷区域在补焊修复后,填充金属与母材必须有良好的结合力,在胀接以后也必须保证管孔内壁的外形尺寸,补焊填充金属不因受挤压而形变。

3.1 模拟管孔内凹槽缺陷进行补焊修复试验。
3.1.1 采用与产品同材质的钛钢复合板,并以某核电项目凝汽器端管板为依据,制作模拟试板。此时,管孔钻削加工到底孔尺寸Φ21.5mm(绞孔后最终尺寸为Φ22.225mm)。
 

图7 模拟试板


3.1.2 在模拟试板的管孔内,钛与钢的结合层处人为制造凹槽缺陷。
3.1.3 采用纯铜T3作为焊接填充材料,对凹槽缺陷进行补焊(见图8)。焊点抛磨平滑后,按JB/T4730作PT检验,无显示。

图8 凹槽缺陷补焊后形貌
 
3.1.4 铰孔至最终尺寸Φ22.225mm,铰孔后焊点不得脱落(见图9),按JB/T4730作PT检验,无显示。即填充金属与母材结合良好。

图9 铰孔后焊点形貌
3.2 对凹槽缺陷修复后的模拟试板做拉脱力试验。
3.2.1 采用与产品同规格的钛管和钛堵头焊接,制作拉脱试验盲管。
3.2.2 按产品工艺要求进行胀管后做拉脱力试验(见图10),要求将盲管堆出10mm,露出补焊区域。由图11所示,熔敷金属受挤压后仍然保持原有管孔内壁形貌。拉脱力试验结果(见表3)均满足核电产品制造规范要求:F≥2.943kN。

图10 试板拉脱力试验

图11 盲管拉出后焊点形貌
表3 拉脱力试验数据
编号
尺寸
(mm)
(kN)
编号
尺寸
(mm)
(kN)
编号
尺寸
(mm)
(kN)
1
Φ22.225×0.5
5.530
6
Φ22.225×0.5
5.125
11
Φ22.225×0.5
4.575
2
Φ22.225×0.5
5.615
7
Φ22.225×0.5
5.330
12
Φ22.225×0.5
5.100
3
Φ22.225×0.5
5.220
8
Φ22.225×0.5
5.595
13
Φ22.225×0.5
5.310
4
Φ22.225×0.5
4.905
9
Φ22.225×0.5
4.365
14
Φ22.225×0.5
6.685
5
Φ22.225×0.5
5.110
10
Φ22.225×0.5
4.720
15
Φ22.225×0.5
5.770

4 结论
4.1以纯铜T3、纯铌Nb1作为过渡填充金属,可有效连接钛和钢,且接头中无明显脆性第二相产生迹象。

4.2以纯铜T3、纯铌Nb1作为过渡填充金属焊接钛与钢,应被视为目前较为可行的钛钢复合板脱层缺陷修复方案。

4.3纯铜T3可作为填充金属,修复核电凝汽器钛钢复合板管孔内的小面积凹槽缺陷。
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