本发明涉及一种利用薄壁大直径钛焊管生产钛质杯/壶的方法。
背景技术：
钛杯、钛壶等生活用品的抗腐蚀性是不锈钢的数倍，完全没有金属异味、经久耐用；钛用品耐高温、耐低温，可在600℃以下长期使用而不会产生变形等，在低温-196~-253℃环境下仍能保持较好的延性及韧性，并且不会有冰冷的感觉。钛金属在生理上对人体几乎都是惰性的、是唯一对人的植物神经和味觉神经没有作用的金属，钛杯、钛壶等生活用品安全无毒，还有质轻、牢固、比热小、导热率低、无毒无害及无过敏性等特点，在食品和生活用品领域有巨大潜力。
钛无缝管的常规壁厚≥0.9mm，壁厚较厚，存在壁厚不均匀和成品率低等问题，而选用壁厚0.4~0.9mm的钛焊管，经济效益比用无缝管更好，但加工壁厚小于0.9mm的无缝管难度大，投入成本较多。由于钛具有优良的耐蚀性等特性，美国、日本和法国等在大型电力和核电站的热交换器和冷凝器中，大量应用钛薄壁焊接管，我国从20世纪80年代起，逐步引进了多条钛焊管生产线，能够生产壁厚0.5~2mm的不同外径规格的钛焊管。随着我国电力、核电、海水淡化和热交换行业的发展，薄壁焊管的应用越来越多、发展也越来越快，如今我国钛焊管的年生产能力已经超过了1万吨，规格和性能满足相关的国际标准，而且开始向法国、挪威等国出口钛焊管。
由于成品率高、优点突出，薄壁焊管成为当今管材生产的一种趋势，薄壁大直径钛焊管的壁厚一般为0.4~0.8mm、直径50~120mm，但是制约我国钛焊管发展的主要因素是钛带质量不过关和大直径焊管的焊接不良，利用钛焊管生产零部件时，经常会出现开裂现象，且开裂部位多数在焊缝附件；钛带和钛管的力学性能和可加工性等指标主要由O和N含量（或O当量）等杂质决定，O含量增加、加工变形的难度就会增加。特别是TA1钛管材质软，若成型时速度和模具不匹配，容易造成压痕和划伤等缺陷，焊接时会出现咬边、台阶、焊漏和焊缝氧化等缺陷而造成焊接不良。为了获得良好的利用薄壁钛焊管制备的零部件，需要针对不同的用途选择不同的钛带材，同时要控制好成型、焊接和退火过程，获得良好的焊缝质量。
技术实现要素：
本发明的目的是通过成型和焊接，获得焊缝良好的薄壁大直径钛焊管，并提供一种利用该薄壁大直径钛焊管生产钛质杯/壶的方法，钛焊管的壁厚0.4~0.8mm、直径50~120mm。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种利用薄壁大直径钛焊管生产钛质杯/壶的方法，包括以下步骤：
（1）、钛带材生产：取钛板坯，采用热轧与冷轧卷带式方法将钛板坯制成卷带材后，将卷带材置于真空罩式炉退火，制得的成品钛带材的厚度为0.4~0.8mm，备用；
（2）、钛焊管生产：根据目标尺寸选用的钛焊管的规格需求，将步骤（1）制得的成品钛带材分条裁切，分条裁切的宽度与钛焊管目标直径尺寸相匹配，采用辊式冷弯成型机，将分条裁切的成品钛带材弯制成钛管，然后采用氩气保护气氛下的自动钨极氩弧焊，将弯折的钛管纵焊焊接成钛焊管，退火后酸洗、分切，制得钛焊管，备用；
（3）、钛质杯/壶生产：根据目标的钛质杯/壶的形状尺寸，将步骤（3）制得的钛焊管分切为目标尺寸的长度，选择与目标钛质杯/壶形状尺寸相匹配的橡胶模具，利用胀形法制备钛质杯/壶。
其中，步骤（1）中的钛板坯采用Ⅰ级TA1纯钛，钛板坯成分的控制是氧含量≤0.07%。氮含量≤0.01%。
其中，步骤（1）中的钛板坯采用Ⅱ级TA1纯钛，钛板坯成分的控制是氧含量≤0.06%。氮含量≤0.008%。
进一步地，步骤（3）利用胀形法制备钛质杯/壶时，钛焊管的胀形率不超过20%。
进一步地，步骤（3）利用胀形法制备钛质杯/壶时，钛焊管的胀形率为20~40%。
其中，步骤（1）将卷带材置于真空罩式炉退火，退火工艺为：微正压氩气保护，在600~700℃保温1~10h。
其中，步骤（1）中热轧方法采用可逆式炉卷轧机轧制，卷材每轧制一道次后进入温度为800℃的高温炉内收卷，然后再轧制下一道次；步骤（1）中冷轧卷带式方法采用可逆轧机冷轧，其中，冷轧卷带式方法中的卷带材的轧程变形量不低于50%；其中，轧程变形量是指轧制减薄量与轧前厚度之比。
其中，步骤（1）制得的成品钛带材的晶粒度4~9级，规格为500mm×500mm的成品钛带材的晶粒度级别差异不超过0.5级。
其中，将弯折的钛管纵焊焊接成钛焊管，焊接时，从钛管的外侧向内侧进行焊接，实现单面焊接双面成型，其中，焊接的焊缝与钛管基材交界处的最小厚度＞90%钛管基材的厚度，外焊缝余高≤0.05mm，内焊缝余高≤0.1mm，焊缝区的硬度比钛管基体硬度高，二者的差值＜30HV。
其中，步骤（2）钛焊管的退火工艺步骤为：将钛焊管装入真空感应炉，真空感应炉温度为550~700℃，在该温度下保温0.1~3min，并在氩气保护气氛下强制降温至室温，然后出炉，进行检验。
其中，步骤（3）利用胀形法制备钛质杯/壶的方法为：使用与钛质杯/壶外形一致的弹性模具在水压机中水胀成型，水压为0~100MPa。
本发明的步骤（1）所用的钛板坯：依据GB/T 2524-2010，Ⅰ级TA1纯钛使用不低于0级的海绵钛熔炼，钛板坯成分的控制是氧含量≤0.07%、氮含量≤0.01%，其它成分满足GB/T 3620.1-2007；Ⅱ级TA1纯钛使用不低于0A级的海绵钛熔炼，板坯成分的控制是氧含量≤0.06%、氮含量≤0.008%，其它成分满足GB/T 3620.1-2007。
本发明的步骤（2）制得的成品钛带材的尺寸精度和性能等满足GB/T 3621-2007和GB/T 3622-2012。本发明步骤（2）将弯折的钛管纵焊焊接成钛焊管，焊缝的宽度不超过整个钛焊管端面外径的10%。
本发明中，使用性能符合ASTM B265或GB/T 3621、具有再结晶组织的钛带材制作钛焊管，步骤（2）的工序为：分条→成型→焊接→整形→退火→矫直→酸洗→探伤检测→分切→检查→包装，制得的钛焊管的规格为：0.4~0.8mm壁厚，直径50~120mm，每根长度≤15m；根据钛焊管的规格需求而将钛带材分条裁切为需要的宽度，即钛带材宽度完卷圆后的钛焊管的截面圆，采用辊式冷弯曲成型的方法，为减少钛管表面划伤尽量使用塑料模具，由于钛的弹性极限比钢低，屈服强度与摩擦系数比钢高，成型中钛材回弹大，冷成形困难，成型比钢管需求的轧辊数量多，如三段式成型时，钢管每段成型的轧辊为4对，而本发明的钛管每段成型的轧辊为6对，从而使钛带在成型时负荷均衡、运行平稳，防止成型不完全、边浪和划伤等缺陷；焊接时采用自动钨极氩弧焊、要求能量（电压、电流、焊接速度）输出均匀稳定，使焊缝平滑无波动，另外，焊接中氩气保护，避免空气中气体污染，获得良好的焊缝质量和高成材率，焊缝没有明显凹陷、无明显咬边、没有焊偏、无异常焊接氧化色。焊后进行在线退火，使焊管性能满足使用要求。
本发明中，使用Ⅰ级和Ⅱ级TA1钛带材，通过氩弧焊的方法制备薄壁大直径钛焊管，然后通过胀形的方法生产双层/单层钛壶或钛杯。Ⅰ级TA1钛带材的伸长率A50≥24%，Ⅱ级TA1钛带材的伸长率A50≥40%。其中，Ⅱ级TA1钛焊管主要制作异形、大口径或有明显减薄需求的钛杯或钛壶。
钛杯、钛壶的制备，本发明采用胀形的方法，由于钛在晶体学上属于难变形的密排六方结构、滑移系少、塑性差，而本发明使用纯度高的原料，钛材的塑性和冲压性较高；且管材胀形法具有加工流程短、生产效率高、产品质量好等优点，制作钛杯或钛壶的薄壁大直径焊管的壁厚为0.4~0.8mm、直径50~120mm。本发明也可用于制造钛质的其他生活用品。
本发明的钛焊管生产的自动化程度高、效率高、成本低，胀形生产钛杯和钛壶工艺流程较简单、效率高，壁厚较均匀、可实现多品种的规模生产；且制作的钛杯和钛壶，具有比强度高、轻便、耐用和外形多样特点，使用中无毒性、抑菌、不生锈、易清洗和易保养。而且，本发明可以制备单层的钛质杯/壶，或者组合焊接为双层的钛质杯/壶。
本发明采用热轧与冷轧卷带式方法将钛板坯制成卷带材，冷加工会使钛材的力学性能、特别是屈服强度有明显增加，甚至超过规定的性能范围。钛管焊接时，焊接过程对管材的影响很小，因为焊缝和热影响区的宽度比整个钛焊管的周长小很多，焊缝宽度不超过钛焊管端面外径的10%，本发明的焊缝区硬度增加不超过基体30HV，焊缝区内氧和氮的含量增加对钛管总的力学性能没有明显的影响。钛焊管成形和焊接后要进行退火处理，获得良好的强度和塑性匹配性。焊接过程中要求起弧平稳、电压和电弧稳定、焊接能量变化小，从而获得良好的焊缝质量，钛焊管焊缝处不应有错边、咬边、凸起和凹陷等缺陷。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
结合具体实施例对本发明加以说明：
本发明的目的是选择不同成分和性能的钛带材，通过成型和焊接获得焊缝良好的薄壁钛焊管（壁厚0.4mm~0.8mm、直径50~120mm），适用于不同胀形需求的钛杯或钛壶等产品。薄壁钛焊管采用水胀的方法加工制作杯壶（保温或普通用途），一般钛杯壶内胆或外壳的胀形率不超过20%，大变形要求的杯壶胀形不超过40%。
一种利用薄壁大直径钛焊管生产钛质杯/壶的方法，包括以下步骤：（1）、钛带材生产：取钛板坯，采用热轧与冷轧卷带式方法将钛板坯制成卷带材后，将卷带材置于真空罩式炉退火，退火工艺为：微正压氩气保护，在600~700℃保温1~10h，制得的成品钛带材的厚度为0.4~0.8mm，备用；
（2）、钛焊管生产：根据目标尺寸选用的钛焊管的规格需求，将步骤（1）制得的成品钛带材分条裁切，分条裁切的宽度与钛焊管目标直径尺寸相匹配，采用辊式冷弯成型机，将分条裁切的成品钛带材弯制成钛管，然后采用氩气保护气氛下的自动钨极氩弧焊，将弯折的钛管纵焊焊接成钛焊管，退火后酸洗、分切，制得钛焊管，备用；
（3）、钛质杯/壶生产：根据目标的钛质杯/壶的形状尺寸，将步骤（3）制得的钛焊管分切为目标尺寸的长度，选择与目标钛质杯/壶形状尺寸相匹配的橡胶模具，利用胀形法制备钛质杯/壶。
其中，步骤（1）中的钛板坯采用Ⅰ级TA1纯钛，钛板坯成分的控制是氧含量≤0.07%。氮含量≤0.01%。
其中，步骤（1）中的钛板坯采用Ⅱ级TA1纯钛，钛板坯成分的控制是氧含量≤0.06%。氮含量≤0.008%。
其中，步骤（3）利用胀形法制备钛质杯/壶时，钛焊管的胀形率不超过20%。
其中，步骤（3）利用胀形法制备钛质杯/壶时，钛焊管的胀形率为20~40%。优选的，钛焊管的胀形率为30~40%。
其中，步骤（1）中热轧方法采用可逆式炉卷轧机轧制，卷材每轧制一道次后进入温度为800℃的高温炉内收卷，然后再轧制下一道次；其中，热轧轧制至3~5mm厚度；步骤（1）中冷轧卷带式方法采用可逆轧机冷轧，其中，冷轧卷带式方法中的卷带材的轧程变形量不低于50%；其中，轧程变形量是指轧制减薄量与轧前厚度之比。其中，热轧后还需要进行退火、抛丸处理、酸洗，以获得洁净面的再结晶组织；或者热轧后进行退火、喷砂处理、酸洗。
其中，步骤（1）制得的成品钛带材的晶粒度4~9级，规格为500mm×500mm的成品钛带材的晶粒度级别差异不超过0.5级。
其中，将弯折的钛管纵焊焊接成钛焊管，焊接时，从钛管的外侧向内侧进行焊接，实现单面焊接双面成型，其中，焊接的焊缝与钛管基材交界处的最小厚度＞90%钛管基材的厚度，外焊缝余高≤0.05mm，内焊缝余高≤0.1mm，焊缝区的硬度比钛管基体硬度高，二者的差值＜30HV。焊缝余高实质焊缝表面两焊趾连线上的那部分金属高度。
其中，步骤（2）钛焊管的退火工艺步骤为：将钛焊管装入真空感应炉，真空感应炉温度为550~700℃，在该温度下保温0.1~3min，并在氩气保护气氛下强制降温至室温，然后出炉，进行检验。
其中，步骤（3）利用胀形法制备钛质杯/壶的方法为：使用与钛质杯/壶外形一致的弹性橡胶模具，在水压机中水胀成型，水压为0~100MPa。
由于钛材比强度高、屈服强度高、弹性大，薄壁钛焊管的成型有一定难度，另外焊缝的控制要求较严，焊缝的硬度比母材高。
用作水胀的钛焊管材质一般是TA1，国标GB/T 3622-2012中对0.1~0.5mm的TA1钛带规定：抗拉强度≥240MPa、屈服强度140~310MPa、伸长率A50（50mm标距）按Ⅰ级和Ⅱ级分别是≥24%和≥40%，需方有特殊要求时按Ⅱ级验收。ASME SB338《冷凝器和热交换器用无缝和焊接钛及钛合金管标准》要求，GR1钛管的抗拉强度≥240MPa、屈服强度170~310MPa、伸长率A50≥24%，GR1相当于国内的TA1。
钛杯或钛壶生产时，多采用水胀法将钛焊管胀接成形，多数产品胀形率不超过20%，有些产品则需要胀形30~40%，因此，针对不同的用途，需选用不同牌号、不同成分、不同塑性和不同生产工艺的钛焊管产品。
胀形是现有技术手段，是在模具的作用下，利用胀形液的压力使毛坯厚度减薄和表面积增大，以获得零件几何形状的冲压加工方法。其中的水胀法成型，缩口是钛焊管的开口处加压缩小的一种冲压工序，缩口部分的材料受到由外向内的压力，产生压缩变现，即将钛焊管通过预制一定形状的缩口模将钛焊管的口部直径缩小；胀形是通过模具使钛焊管向外扩张，胀出所需的凸起曲面。本发明采用软模胀形方法，利用橡胶、聚氨酯橡胶以及PVC塑料等做凸模，在水压力下通过软模介质变形而使工件沿凹模内腔胀形而获得所需要的形状。
实施例1
采用德国ALD公司EB炉熔炼，选用0级海绵钛熔炼Ⅰ级TA1钛铸锭，成分见表1。
表1 Ⅰ级TA1铸锭化学成分（wt.%）
Ⅰ级TA1铸锭铣面后，获得厚度190mm、宽度1200mm的钛板坯，采用热轧与冷轧卷带式方法将钛板坯制成卷带材，使用炉卷可逆热轧将板坯轧制，每轧制一道次后钛卷进入约800℃的退火炉内保温、然后再轧制下一道次，热轧后卷材厚度3.5mm，退火后抛丸处理和酸洗，晶粒度为7.5级、组织较均匀；使用可逆冷轧机进行钛卷冷轧，经两轧程冷轧后，进行罩式炉真空退火，微正压氩气保护，在700℃保温10h，获得厚度为0.5mm的钛卷带，晶粒度为7级左右、伸长率A50为33%，性能满足相关标准要求。
然后，将制得的钛卷分条为宽度为188.5mm的卷带，经辊式冷弯成型机成型、氩弧焊、退火、酸洗、探伤和分切，制成直径为60mm的钛焊管，焊缝质量良好。其中，焊接时，从钛管的外侧向内侧进行焊接，实现单面焊接双面成型，焊接的焊缝与钛管基材交界处的最小厚度＞90%钛管基材的厚度，外焊缝余高≤0.05mm，内焊缝余高≤0.1mm，焊缝区的硬度比钛管基体硬度高，二者的差值＜30HV；钛焊管退火时，使用在线感应真空炉，610℃后保温0.5min，氩气强制降温至室温后出炉。
将钛焊管分切为220mm的长度，采用先缩口后胀形的工艺，使用聚氨酯橡胶做模具、水胀法成形，水压为50MPa，制备成直径为69mm和71mm的圆柱体，然后组合焊接为双层钛保温杯。
或者，还可以将制得的钛卷分条为宽度为314mm的卷带，经辊式冷弯成型机成型、氩弧焊、退火、酸洗、探伤和分切，制成直径为100mm的钛焊管，焊缝质量良好。分切250mm长度的钛焊管，采用先缩口后胀形的工艺，使用聚氨酯橡胶做模具、水胀法成形，水压为50MPa，制备成上下端直径分别为90mm和114mm的圆锥体；另一个钛焊管胀形为上下端直径分别为92mm和117mm的圆锥体，然后组合焊接为双层钛保温壶。本实施例要求钛焊管的胀形量不超过20%。
实施例2
采用与实施例1相似的方法，采用德国ALD公司EB炉熔炼，选用不低于0A级海绵钛熔炼Ⅱ级TA1钛铸锭，成分见表2。
表2 Ⅱ级TA1铸锭化学成分（wt.%）
Ⅱ级TA1铸锭铣面后，获得厚度190mm、宽度1200mm的钛板坯，采用热轧与冷轧卷带式方法将钛板坯制成卷带材，使用炉卷可逆热轧将板坯轧制，每轧制一道次后钛卷进入约800℃的退火炉内保温、然后再轧制下一道次，热轧后卷材厚度4.5mm，退火后抛丸处理和酸洗，晶粒度为7级、组织较均匀；使用可逆冷轧机进行钛卷冷轧，经两轧程冷轧后，进行罩式炉真空退火，微正压氩气保护，在600℃保温8h，获得厚度为0.75mm的钛卷带，晶粒度为5级左右、伸长率A50为53%，性能满足相关标准要求。其中，焊接时，从钛管的外侧向内侧进行焊接，实现单面焊接双面成型，焊接的焊缝与钛管基材交界处的最小厚度＞90%钛管基材的厚度，外焊缝余高≤0.05mm，内焊缝余高≤0.1mm，焊缝区的硬度比钛管基体硬度高，二者的差值＜30HV；钛焊管退火时，感应真空炉温度为630℃、保温0.5min，氩气保护降温至室温后出炉。
然后，将制得的钛卷分条为宽度为320mm的卷带，经辊式冷弯成型机成型、氩弧焊、退火、酸洗、探伤和分切，制成直径为102mm的钛焊管，焊缝质量良好。
将钛焊管分切为230mm的长度，采用先缩口后胀形的工艺，使用聚氨酯橡胶做模具、水胀法成形，水压为100MPa，制备成厚度为50mm、宽度为160mm的扁壶。还可以制作其他异形、大口径或有明显减薄需求的钛杯或钛壶。
实施例3
采用与实施例1相似的方法制备Ⅰ级TA1钛铸锭，成分见表3。
表3 Ⅰ级TA1铸锭化学成分（wt.%）
Ⅰ级TA1铸锭铣面后，获得表面良好的板坯，使用炉卷可逆热轧将板坯轧制，每轧制一道次后钛卷进入约800℃的退火炉内保温、然后再轧制下一道次，热轧后卷材的厚度4mm，退火后抛丸处理和酸洗，酸洗采用硝酸和氢氟酸混合形成的酸洗液，卷材晶粒度7.5级、组织较均匀；使用可逆冷轧机进行钛卷冷轧，经两轧程冷轧后，进行罩式炉真空退火，微正压氩气保护，在650℃保温1h，获得厚度为0.4mm的钛卷带，晶粒度7级左右、伸长率A50为35%，性能满足相关标准要求。
将钛卷分条为宽度为176mm的卷带，经成型、氩弧焊、退火、探伤和分切，制成直径60mm的钛焊管，焊缝质量良好。其中，焊接时，从钛管的外侧向内侧进行焊接，实现单面焊接双面成型，焊接的焊缝与钛管基材交界处的最小厚度＞90%钛管基材的厚度，外焊缝余高≤0.05mm，内焊缝余高≤0.1mm，焊缝区的硬度比钛管基体硬度高，二者的差值＜30HV；焊管退火时，感应真空炉温度为600℃、保温0.3min，氩气保护下降温至室温后出炉。
将钛焊管分切为150mm的长度，采用胀形的工艺，使用聚氨酯橡胶做模具、水胀法成形，水压为90MPa，制备成上下端直径分别为71mm和61mm的圆锥状钛杯；另一个钛焊管制备成上下端直径分别为70mm和60mm的圆锥状钛杯，两个钛杯组合焊接到一起制成普通的广口钛杯。本实施例要求钛焊管的胀形量不超过40%。
钛的导热性较差、结合精致的表面处理，制成的钛杯具有美观大方、不烫手和保健性好等特点，满足中高端需求。