煙囪用鈦/鋼復(fù)合板坡口機(jī)加工藝的改進(jìn)

張寶軍，樊科社，龐國慶，梁俊峰

(1.西安天力金屬復(fù)合材料股份有限公司，陜西 西安 710201)(2.國家層狀金屬復(fù)合材料工程研究中心，陜西 西安 710201)

鈦/鋼復(fù)合板既具有鋼材良好的可焊性、成形性、導(dǎo)熱性及較好的力學(xué)性能，又具有鈦金屬優(yōu)良的低溫韌性和耐腐蝕性，被廣泛用于石油、化工、冶金、電力、航空航天、核能等領(lǐng)域[1-3]。

隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高和大眾環(huán)保意識的增強(qiáng)，國內(nèi)外火力發(fā)電廠都要求進(jìn)行煙氣脫硫處理以杜絕大氣污染。1.2 mm薄覆層鈦/鋼復(fù)合板具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，是火電廠煙囪防腐設(shè)計的首選材料，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。從目前國內(nèi)鈦/鋼復(fù)合板的生產(chǎn)情況來看，生產(chǎn)工藝主要有3種，即爆炸復(fù)合法、直接軋制復(fù)合法、爆炸+軋制復(fù)合法。經(jīng)過十多年的實踐證明，采用“爆炸+軋制”工藝生產(chǎn)火電廠煙囪用鈦/鋼復(fù)合板更為安全、環(huán)保、節(jié)能[4，5]。

“爆炸+軋制”工藝生產(chǎn)火電廠煙囪用鈦/鋼復(fù)合板的主要流程為：原材料→下料→表面打磨→爆炸復(fù)合→軋制→矯直→坡口機(jī)加→表面處理→成品。西安天力金屬復(fù)合材料股份有限公司采用“復(fù)合+軋制”工藝，成功為國外客戶制備出規(guī)格為2/6 mm×2 500 mm×6 900 mm的煙囪用Gr2/Gr70復(fù)合板。但客戶對坡口的驗收標(biāo)準(zhǔn)高于國標(biāo)GB/T 8547—2006，要求復(fù)合板四邊的超聲波檢驗執(zhí)行ASTM A578-07 C級標(biāo)準(zhǔn)，即同一平面上連續(xù)缺陷信號的區(qū)域不能被直徑為25 mm的圓所包圍，而采用常規(guī)銑邊機(jī)或刨邊機(jī)加工的坡口，易出現(xiàn)邊部分層或弱結(jié)合等問題，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。為此，以該鈦/鋼復(fù)合板為研究對象，分析機(jī)加工產(chǎn)生分層或弱結(jié)合的原因，并提出改進(jìn)措施，以使產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到客戶要求。

1 鈦/鋼復(fù)合板的制備及性能

客戶要求鈦/鋼復(fù)合板的覆層材料為SB265 Gr2鈦板，化學(xué)成分見表1；基層材料為SA516 Gr70鋼板，化學(xué)成分見表2。鈦/鋼復(fù)合板力學(xué)性能滿足ASTM B898-11(2016)標(biāo)準(zhǔn)要求，見表3。

表1 Gr2鈦板化學(xué)成分(w/%)

Table 1 Chemical composition of Gr2 titanium plate

表2 Gr70鋼板化學(xué)成分(w/%)

Table 2 Chemical composition of Gr70 steel plate

表3 鈦/鋼復(fù)合板力學(xué)性能

Table 3 Mechanical properties of titanium/steel clad plate

2 復(fù)合板坡口機(jī)加工分層原因分析

火電廠煙囪用鈦/鋼復(fù)合板的各項性能指標(biāo)應(yīng)滿足GB/T 8547—2006《鈦/鋼復(fù)合板》標(biāo)準(zhǔn)要求。該標(biāo)準(zhǔn)對復(fù)合板坡口加工有著明確規(guī)定：鈦/鋼復(fù)合板材料的四邊應(yīng)按照設(shè)計圖紙所選對接焊接坡口形式的尺寸要求進(jìn)行機(jī)械刨邊處理，復(fù)合板材四邊刨邊的鈦材寬度應(yīng)滿足材料供應(yīng)商的產(chǎn)品說明書要求。以往工程中，鈦層撕邊寬度取10 mm或16 mm，誤差±1 mm，如圖1所示。

常規(guī)復(fù)合板坡口加工方式：首先通過刨邊機(jī)或銑邊機(jī)加工坡口，常見角度有0°、15°、30°、45°、60°、70°等；然后用刨刀或銑邊機(jī)刻刀在復(fù)合板邊部進(jìn)行刻槽，刻槽深度一般要略大于鈦層厚度，最后撕掉10～16 mm寬的鈦層。該加工方式能夠滿足厚度范圍為1.2/6～1.2/24 mm的煙囪用常規(guī)鈦/鋼復(fù)合板加工技術(shù)質(zhì)量要求。

圖1 常規(guī)鈦/鋼復(fù)合板坡口形狀示意圖Fig.1 Diagram of groove shape of titanium/steel clad plate

本項目要求的坡口機(jī)加形式如圖2所示，即直邊坡口且刻槽寬度僅為5 mm。當(dāng)使用刨邊機(jī)、銑邊機(jī)進(jìn)行加工時，容易造成復(fù)合板邊部分層或結(jié)合強(qiáng)度降低，分析原因主要有以下3點(diǎn)。

圖2 2/6 mm鈦/鋼復(fù)合板坡口形狀示意圖Fig.2 Diagram of groove shape of titanium/steel clad plate(2/6 mm)

(1)鈦層厚度由原來的1.2 mm增加到2.0 mm，由于刨邊機(jī)和銑邊機(jī)的刻槽刀具呈楔形，在垂直壓下時，會對鈦層形成一個水平面方向向外的機(jī)械擠壓力，削減復(fù)合板邊部的結(jié)合強(qiáng)度，甚至將鈦層擠開脫離鋼板。

(2)板面不平整，易出現(xiàn)局部刻槽不到位，撕邊時會對鈦層產(chǎn)生垂直方向的拉力作用。采用“爆炸+軋制”制備的鈦/鋼復(fù)合板經(jīng)矯直校平后經(jīng)常存在波浪彎，而本項目復(fù)合板寬度由通常的2 000 mm增加到2 500 mm，使得不平度很難達(dá)到15 mm/m的目標(biāo)值，即使在刨邊機(jī)或銑邊機(jī)的壓腳作用下，也難以消除局部產(chǎn)生的波浪灣。受此影響，刻槽過程中出現(xiàn)局部鈦層未能刻透的問題，導(dǎo)致撕邊時該部位鈦層被垂直板面的拉力帶起或提起，如圖3所示。

圖3 鈦/鋼復(fù)合板撕邊后開裂的照片F(xiàn)ig.3 Photo of edge tearing of titanium/steel clad plate

(3)加工刀具不夠鋒利或加工速度過快時，刀具向外擠壓鈦層的作用力大幅增加，這也是導(dǎo)致鈦/鋼復(fù)合板邊部開裂分層的原因之一。

基于以上3方面原因，采用刨邊機(jī)和銑邊機(jī)加工2/6 mm鈦/鋼復(fù)合板時，復(fù)合板會出現(xiàn)邊部分層或弱結(jié)合的情況，導(dǎo)致成品率較低，僅為55%。

3 坡口機(jī)加工藝改進(jìn)

3.1 激光切割代替刨邊或銑邊機(jī)加工

激光切割是用經(jīng)過聚焦的高功率密度激光束照射材料快速的熔化、汽化，實現(xiàn)切割的一種熱切割方法[6]。其工作原理為：激光發(fā)生器工作產(chǎn)生激光，激光經(jīng)透鏡聚焦后照射工件表面，使被照射的材料迅速熔化，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，形成切口，從而將工件割開[7-10]。激光切割參數(shù)包括切割速度、功率、切割輔助氣體等，各自對切割質(zhì)量和切割效率都會有不同類型的影響，各參數(shù)之間需要通過組合來達(dá)到最佳配置。

針對規(guī)格為2/6 mm×2 500 mm×6 900 mm的Gr2/Gr70復(fù)合板，選擇大族LION 3015型激光切割機(jī)進(jìn)行坡口切割。在激光束高能量作用下，覆層Gr2鈦板和基層Gr70鋼板的熱效應(yīng)不同，為防止鈦層燃燒，切割時應(yīng)從鋼板面開始切割。經(jīng)反復(fù)嘗試焦點(diǎn)位置、切割速度、初始切割面、輔助氣體及氣壓等，得到最佳工藝條件為：噴嘴直徑1.0 mm，峰值功率5 000 W，脈沖頻率4 000 Hz，占空比100%，焦距2.0 mm，進(jìn)給速度1.8 m/min，輔助氣體為純度≥99.5%的氧氣。在此工藝條件下，所加工的鈦/鋼復(fù)合板坡口光潔度、直線度完全滿足客戶要求，如圖4所示。與刨邊或銑邊加工工藝相比，利用激光切割方法加工的鈦/鋼復(fù)合板坡口不但尺寸精度高，而且加工效率可提高1.5倍。

圖4 利用激光切割加工的鈦/鋼復(fù)合板坡口照片F(xiàn)ig.4 Photo of groove of titanium/steel clad plate by laser cutting

3.2 圓盤鋸刻槽代替刨刀或銑刀刻槽

鋸切加工的線速度非常高，可以快速對材料表面進(jìn)行脆性去除[11]。相比于傳統(tǒng)機(jī)械加工中的銑削、磨削加工，鋸切加工效率更高，耗時更短[12-13]。與傳統(tǒng)的銑刀相比，圓盤鋸刀片的價格也更加低廉，壽命更長，在單種金屬、石材等切割中得到了廣泛應(yīng)用。

為此，針對規(guī)格為2/6 mm×2 500 mm×6 900 mm 的Gr2/Gr70復(fù)合板，在原有銑邊機(jī)的基礎(chǔ)上，增加了圓鋸片、電機(jī)和導(dǎo)向輪，改進(jìn)后的刻槽刀具機(jī)構(gòu)如圖5所示。利用該鋸切工藝可完成鈦/鋼復(fù)合板的刻槽加工。

圖5 鋸切刻槽刀具機(jī)構(gòu)圖Fig.5 Mechanicl structure of sawing and grooving cutter

圓盤鋸片在1.5 kW電機(jī)驅(qū)動下，轉(zhuǎn)速為1 100～1 500 r/min時，可以在鈦層表面加工出寬度為1～2 mm的割縫。鋸切槽深度通過導(dǎo)向輪調(diào)節(jié)，考慮到鈦層厚度存在差異及復(fù)合板不平整，鋸切深度控制在2.2～2.5 mm時，能夠保證鈦層徹底切透且不鋸傷鋼板面，使得后續(xù)撕邊過程順利進(jìn)行。

通過上述2項改進(jìn)措施，該項目2/6 mm×2 500 mm×6 900 mm鈦/鋼復(fù)合板的坡口機(jī)加成品率由之前的55%提高到98.5%，邊部超聲波探傷檢驗滿足ASTM A578-07 C級標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié) 論

(1)利用刨邊機(jī)或銑邊機(jī)對2/6 mm鈦/鋼復(fù)合板進(jìn)行坡口加工時，復(fù)合板出現(xiàn)邊部分層或弱結(jié)合的主要原因是由于刻槽刀具對鈦層產(chǎn)生較大的橫向機(jī)械擠壓力，以及刻槽深度不均勻，存在局部未刻透現(xiàn)象，在撕邊時會帶起鈦層。

(2)利用激光切割加工2/6 mm鈦/鋼復(fù)合板坡口的最佳工藝條件為：噴嘴直徑1.0 mm，峰值功率5 000 W，脈沖頻率4 000 Hz，占空比100%，焦距2.0 mm，進(jìn)給速度1.8 m/min，輔助氣體為純度≥99.5%的氧氣。

(3)采用激光切割+圓盤鋸刻槽的方法對2/6 mm×2 500 mm×6 900 mm鈦/鋼復(fù)合板進(jìn)行坡口加工，成品率由之前的55%提高到98.5%，邊部超聲波探傷檢測滿足ASTM A578-07 C級標(biāo)準(zhǔn)要求。