管路焊接接頭對(duì)管路系統(tǒng)建造精度有較大影響，特別是含隔振設(shè)備的大通徑管路系統(tǒng)[1]，其管路安裝偏差將傳遞至設(shè)備，影響設(shè)備姿態(tài)和隔振器受力狀態(tài)，從而降低隔振效果，進(jìn)而影響到管路系統(tǒng)的聲學(xué)指標(biāo)[2]。鈦合金因較高的比強(qiáng)度及優(yōu)良的耐熱、耐腐蝕性和斷裂韌性等優(yōu)點(diǎn)，在船舶管路建造中得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。但在鈦合金管路焊接過程中，無保護(hù)措施或保護(hù)不良會(huì)導(dǎo)致空氣進(jìn)入焊接區(qū)域，焊絲、焊件清理不干凈，在其表面留有水分、油污、氧化物等有害雜質(zhì)會(huì)改變鈦的力學(xué)性能，這些都將對(duì)鈦復(fù)層接頭的力學(xué)性能造成負(fù)面影響[5-6]，導(dǎo)致鈦復(fù)層接頭變脆，塑性和韌性急劇下降，同時(shí)極易產(chǎn)生裂紋和氣孔，嚴(yán)重影響到鈦復(fù)層接頭的耐蝕性[7]。因此，有必要開展鈦合金管路焊接技術(shù)研究，進(jìn)而提升船舶的管路安裝精度，確保管路安裝質(zhì)量和安裝效率。

一、研究內(nèi)容

針對(duì)鈦合金管路焊接過程中存在的一些技術(shù)問題，開展鈦合金管路焊接技術(shù)研究，具體研究內(nèi)容如下：

（1）焊接工藝參數(shù)對(duì)管路焊接接頭性能影響分析

通過開展不同焊接速度和氬氣流量下的管路焊接試驗(yàn)，檢查管路焊接接頭的宏觀和微觀成型情況，測(cè)試焊接接頭的拉伸和彎曲性能。

（2）焊接順序?qū)苈钒惭b精度影響分析

選取典型管路為研究對(duì)象，在同一焊接工藝參數(shù)下，采用不同焊接順序進(jìn)行管路焊接，并在焊接前后分別檢查管路焊接變形情況，從而得出管路的優(yōu)化焊接順序。

二、焊接工藝參數(shù)對(duì)管路焊接接頭性能影響研究

1、焊接試驗(yàn)

選取TA2鈦管和TA2管對(duì)接接頭為研究對(duì)象，如圖1所示。管與管對(duì)接時(shí)的坡口型式、坡口間隙，如圖2所示。其中t=7mm，c=3mm。

結(jié)合TA2管材料物理性能特點(diǎn)，確定采用手工鎢極氬弧焊（TIG）、直流正接法焊接圖1中對(duì)接接頭的環(huán)焊縫。氬氣純度為99.99%；焊絲牌號(hào)為TA2焊絲，直徑為φ3mm。本試驗(yàn)分3組進(jìn)行，具體的焊接工藝參數(shù)如表1所示。

焊接試驗(yàn)工藝要求如下：

①焊前應(yīng)認(rèn)真清除坡口內(nèi)及其兩側(cè)各30~50mm范圍內(nèi)的油漆、毛刺、油污、鐵銹等雜物。管段點(diǎn)焊固定，點(diǎn)焊間距為100~150mm。

②焊接前，將管路兩端進(jìn)行封堵，填充氬氣。

③焊接時(shí)，兩名操作工同時(shí)作業(yè)，一名手持焊槍和焊絲進(jìn)行焊接，另一名移動(dòng)氬氣輸送管子，及時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行氬氣保護(hù)。

④焊接后，繼續(xù)采用氬氣對(duì)焊縫進(jìn)行保護(hù)3~5min。

2、宏觀和微觀焊縫成型質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)

3組對(duì)接管子焊接試驗(yàn)完畢后，分別進(jìn)行焊縫宏觀和微觀質(zhì)量檢測(cè)，具體檢測(cè)內(nèi)容如下：

①目測(cè)觀察焊縫表面成型情況，是否有氣孔、裂紋、溝槽等缺陷，尤其注意觀察焊縫顏色。

②分別采用滲透（PT）和X射線（RT）檢測(cè)法檢測(cè)焊縫內(nèi)部成型情況。

3、拉伸試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用縱向弧形試樣進(jìn)行拉伸力學(xué)性能分析，圓管的拉伸縱向試樣取樣位置見圖3，焊縫位于試樣中部。

在每組對(duì)接管子上分別取2個(gè)拉伸樣件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)按照《GB/T2651-2008》規(guī)定執(zhí)行。

4、彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)分為正彎和反彎兩種。每個(gè)焊接管子分別取2個(gè)正彎樣件和2個(gè)反彎樣件進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，彎曲角度為90°，彎曲直徑為100mm，試驗(yàn)按照《GB/T2653-2008》規(guī)定執(zhí)行。

三、焊接順序?qū)苈钒惭b精度影響研究

選取典型TA2鈦合金管路為研究對(duì)象，該管段中含有法蘭、直管、彎管三部分，具體如圖4所示。

現(xiàn)確定3種管路焊接順序，具體如表2所示。利用表1中的第2組焊接工藝參數(shù)，分別開展3種焊接順序下的管路焊接變形試驗(yàn)。

分別針對(duì)三種方案下的管路焊接變形情況進(jìn)行測(cè)量，分析管段焊接前后的焊接變形情況。管路變形測(cè)量分焊接前和焊接后兩個(gè)階段，重點(diǎn)關(guān)注圖5及圖6中的特征點(diǎn)。

四、研究結(jié)果分析

1、焊接工藝參數(shù)對(duì)管路焊接接頭性能影響分析

①焊縫成型分析

通過觀察宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)第一組管子的焊縫成型較好，焊縫表面沒有咬邊、未熔合、焊瘤、燒穿等缺陷，如圖7所示。第二組管子，焊縫寬度略微偏大。但是焊縫表面仍沒有燒穿、焊瘤等缺陷，如圖8所示。第三組管子，說明焊縫表面已氧化。焊縫表面無未熔合、焊瘤等缺陷，如圖9所示。

經(jīng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)三組管子接頭處無損檢測(cè)等級(jí)均為Ⅰ級(jí)合格，焊縫表面無任何焊接缺陷，焊縫內(nèi)部僅有一個(gè)圓形缺陷。

對(duì)比不同焊接工藝參數(shù)下的焊縫層數(shù)和道數(shù)，如表3所示。

②拉伸和彎曲性能結(jié)果分析

不同焊接工藝參數(shù)下管子接頭的拉伸性能結(jié)果，如表4所示。可知三種焊接工藝參數(shù)下管子接頭的抗拉強(qiáng)度均較好，均斷裂在母材處。

由表5和圖10可知，當(dāng)管子彎曲90°后，三種焊接工藝參數(shù)下管子焊接接頭的彎曲性能均較好，管子焊接接頭彎曲性能均合格。

2、管路焊接順序?qū)ζ浒惭b精度影響研究

通過測(cè)量管路在焊接前后的變形值，得出三種焊接順序下典型測(cè)點(diǎn)的焊接變形數(shù)據(jù)，如圖11所示。

由圖11可知，在三種焊接順序下，管路的焊接變形趨勢(shì)大致相同，相對(duì)于測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)來說，越靠近測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，管路的焊接變形越小。從整體上看，管路1的焊接變形較小，故管路1對(duì)應(yīng)的焊接順序較優(yōu)。

五、結(jié)論

文中通過開展鈦合金管路焊接技術(shù)研究，明確了不同焊接工藝參數(shù)對(duì)管路焊接接頭性能的影響情況，掌握了焊接順序?qū)Φ湫凸苈钒惭b精度的影響，可有效解決鈦合金管路焊接技術(shù)難題，保證鈦合金管路焊接接頭力學(xué)性能，達(dá)到提升工廠鈦合金管路焊接水平，提高管路安裝質(zhì)量的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]顧紀(jì)清，陽代軍.管道焊接技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]劉洋，陳健等.艦艇管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲控制探討[J].機(jī)電工程技術(shù)，2022，51（11）.

[3]宋德軍，牛龍，楊勝利.船舶海水管路鈦合金應(yīng)用技術(shù)研究[J].稀有金屬材料與工程，2020，49（3）.

[4]楊萬國，董彩常等.鈦合金海水管路系統(tǒng)材料腐蝕特性研究[J].裝備環(huán)境工程，2019，16（11）.

[5]何磊.鈦合金海水管路腐蝕與污損防護(hù)研究進(jìn)展[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2017，32（3）.

[6]厲文墨，蔣健博等.鈦鋼復(fù)合板TA2鈦復(fù)層表面潔凈處理工藝[J].材料與冶金學(xué)報(bào)，2022，21（5）.

[7]劉播.鈦鋼復(fù)合板焊接接頭應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)有限元分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

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