CN101664852A - 一种钛和钛钢复合板焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种钛和钛钢复合板焊接方法，涉及一种类似于钛钢复合板设备中钛盖板和钛钢复合板焊接的方法。其特征在于其焊接过程在大气状态下进行；焊接的步骤包括：(1)对钛材及钛钢复合板的表面进行打磨，去氧化膜和去油脂处理；(2)先对钛盖板和钛复层进行点焊固定位，减少焊接变形，保证间隙；(3)采用焊接气体为氩气，先进行钛材与钛钢复合板上的钛板之间的熔焊，再用银丝做钎料进行钛材与钛钢复合板上的钢板进行钎焊。本发明的方法，在大气环境下，采用纯银丝作为焊料先实现钛之间的熔焊，再实施钛和钢之间的钎焊，钛和钢的焊接接头能承受1MPa气压；焊接接头经氦检，最大漏率2×10－8Pa·m³/s，操作方便，成本低、不受周围环境、焊缝长短、焊缝结构限制。

Description

一种钛和钛钢复合板焊接方法

技术领域

一种钛和钛钢复合板焊接方法，涉及一种类似于钛钢复合板设备中钛盖板和钛钢复合板焊接的方法。

技术背景

钛材及钛钢复合材料已广泛的应用于航空、航天、电力、能源、化工行业；在这些行业中常常有钛和钢焊接的结构形式，这种结构形式多采用爆炸复合、电阻焊、真空钎焊方法实现钛和钢的结合。主要是由于钛和钢这两种金属的物理性能差异很大，钛的热导率只有钢的1/6，弹性模量只有钢的2/3，两者熔点相差130度，且铁在钛中的溶解度极低，达到0.1％就会形成金属间化合物TiFe，高温下或含铁量更高时还会形成TiFe2，这都会使塑性严重下降，甚至产生裂纹在这种情况下无法进行熔化焊接。

目前，钛和钢常用的焊接方式主要是火焰钎焊、间接熔焊、压焊、钎焊的方法。

火焰钎焊的方法主要是利用氧乙炔气或氢气等气体做热源，将放置于金属缝隙中的钎料进行熔化的方式实现，在钛和钢的接头钎焊中容易引起钎料流失和钛材的严重氧化，影响钎料在母材上的铺展和浸润，很难实现；间接熔焊在复合板焊接时广泛采用，主要是采用隔离垫板或过渡头的方式避免钛和钢的熔合，因增加了垫板或过渡头，工艺复杂、工序多、加工周期长、成本大大提高，这种方式实现的是钛和钛、钢和钢的焊接；压焊主要是通过爆炸复合、扩散焊、电阻焊的方式使异种金属达到焊接的方法，在钛和钢的焊接中，多采用爆炸复合焊接和轧制复合焊接，这种方式主要是生产钛、钢复合板时利用炸药提供的能量或在大型轧机大轧制力作用下将钛和钢在冷状态复合的技术，由于钛钢复合板的生产受场地环境，设备制约，只能在特定的场合，特殊的设备上实现，而且对材料表面光洁度要求高(光洁度1.6)。钎焊主要是在真空状态或保护气氛下在电炉中进行，主要由于液态钎料在高温钎焊时易氧化，影响钎料的润湿和填缝能力，这种方法受到加热炉尺寸影响，在焊接钛和钢的一些小工件中应用、而且对钛和钢的装配要求很严，钛和钢间隙控制不能超过0.2mm，钎料为银基钎料(HL303)、炉温(恒温900度)加热时间(20分钟)、炉内气氛(99.99％)纯氩和真空度(1X10-2Pa)要求也很高，无法进行大工件的焊接；若炉内气氛不好或真空度不够，则会降低钎焊接头的强度(一般接头强度98MPa)。

以上几种钛和钢的焊接方法焊接成本高、效率低、工序长、对工件表面要求严；又受环境和设备及接头结构等条件的约束无法解决在大气下的钛和钢的焊接。现在化工行业的复合板设备中，钛盖板和钛钢复合板的焊接结构中要求不但实现钛和钛、钢和钢的熔焊，而且要实现钛和钢的焊接。目前，压焊的方法由于受到环境、焊接结构、设备条件的约束无法实现；采用过渡接头的形式，焊接结构变得异常复杂且成本高在大型复合板设备中也无法实现；钎焊的方式对工件尺寸要求、配合要求、工装要求及加热设备和气氛环境要求严格只适合焊接较小的接头结构，在复合板设备上根本无法实现。

发明内容

发明的目的就是针对上述爆炸焊、压焊、过渡焊的已有技术存在的不足，提供了一种能有效解决钛和钢在大气下焊接时的保护、表面处理、组对、焊料问题，操作简便、工序简单、对装配、环境和设备要求低，接头质量可靠的钛和钛钢复合板焊接方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种钛和钛钢复合板焊接方法，其特征在于其焊接过程在大气状态下进行；焊接的步骤包括：

(1)焊前表面处理

对钛材及钛钢复合板的表面进行打磨，去氧化膜和去油脂处理；

(2)焊接组对

先对钛盖板和钛复层进行点焊固定位，减少焊接变形，保证间隙；

(3)焊接

采用焊接气体99.95％氩气，焊接气体流量控制在15L/min，焊枪为19mm陶瓷双层网焊枪；先进行钛材与钛钢复合板上的钛板之间的熔焊，再用银丝做钎料进行钛材与钛钢复合板上的钢板进行钎焊；

本发明的一种钛和钛钢复合板焊接方法，其特征在于钛材与钛钢复合板上钢板之间的焊接间隙为0-0.3mm。

本发明的一种钛和钛钢复合板焊接方法，其特征在于其钛材与钛钢复合板上的钛板之间的熔焊的工艺条件为为钛钢复合板钛钢界面结合剪切强度大于138MPa，钛材表面铁含量小于0.2％；用银丝做钎料进行钛材与钛钢复合板上的钢板进行钎焊的工艺条件为钛材和钢材表面进行去油污、除表面氧化物处理。

本发明的一种钛和钛钢复合板焊接方法，在大气环境下，采用纯银丝作为焊料先实现钛之间的熔焊，再实施钛和钢之间的钎焊，钛和钢的焊接接头能承受1MPa气压；焊接接头经氦检，最大漏率2X10-8Pa.m3/s；此方法可对大型钛钢复合板设备中盖板焊缝进行分区监控检查，提高设备使用寿命，保证设备使用可靠、安全；此方法操作方便，成本低、不受周围环境、焊缝长短、焊缝结构限制。

具体实施方式

一种钛和钛钢复合板焊接方法，具体实施步骤包括：

1.表面处理：氧化膜的存在影响焊料的润湿和填缝能力，因此去除金属表面氧化膜是钛和钢在高温焊时的首要问题。本技术在焊接前对钛及钢材表面用50粒树脂砂轮进行表面打磨，再用100粒砂纸抛光，清理宽度不小于50mm，钛端面用刮刀去除氧化膜和毛刺，露出金属光泽即可，再用丙酮擦拭去油；这样处理能消除金属表面氧化膜、油污对钎焊接头质量的影响，处理后应尽快焊接以防钛和钢材焊接区受污染。

2.焊接保护，钛和钢的钎焊一般在0.133Pa或更高的真空炉或在纯度为99.99％的充氩炉中实施，主要由于氧在液态银具有很大的溶解度，当焊后冷却过程中，液态银转变为固态时，氧在银中的溶解度迅速降低，此时固溶体中析出的氧残留在焊缝中，促使形成气孔缺陷；而钛在900℃也会严重氧化，表面形成致密氧化膜，使焊料的润湿性和铺展能力降低。另外，焊接时保护气体的流量也非常重要，太大会造成电弧不稳，母材和焊料会氧化，气体流量太小又易形成气孔，母材、焊料也会氧化。本在焊接时，采用直径19mm陶瓷双层网焊枪焊接，保护气为99.95％的纯氩气，流量控制在15L/min即可使钎料和母材得到充分保护。

3.焊料的选择，钎料的选择很重要，一般要首先考虑钎焊的部位工作条件及要求，其次考虑母材的特性；另外还要考虑接头的形式、焊接部位的厚度等，本技术在采用直流氩弧焊时选择含量为99.95％的纯银焊丝作为焊料，银对钛的润湿性很好，在钎缝界面区形成金属间化合物TiAg，这种金属间化合物与钛及其他金属间化合物相比不算太硬，而银和钢的润湿性也很好，特别适合钎焊稳定化元素的钢，选用纯银丝既满足使用又易于加工。

4.焊接装配，钛和钛合金的热导率大约只有钢的1/6，弹性模量只有钢的2/3，因而在焊接时容易产生变形，在真空炉和充氩炉中对钛和钢进行钎焊时，钛和钢的间隙要求在特殊的工装定位状态下，控制在0.2mm以下。本技术在采用直流氩弧焊对钛和钢的之间焊接，钛和钛之间采用熔焊的方式，钛和钢之间采用钎焊方式，根据结构采用先焊接钛和钛，起到定位和控制间隙的作用，一般钛和钢间隙在0-0.3mm之间均可，定位后再进行钛和钢的钎焊。

实施例1

焊接结构为钛盖板和钛钢复合板的焊接，焊接步骤包括：

步骤一、焊前表面处理：在焊接前对焊接材料钛和钛/钢复合板对接焊缝内表面进行清理，对钛及钢材表面用50粒树脂砂轮进行表面清理，再用100粒砂纸抛光，清理宽度不小于50mm，钛端面用刮刀去除氧化膜和毛刺，露出金属光泽，再用丙酮擦拭去油；这样在焊接时能减少氧化膜及油污对钎焊接头质量的影响。

步骤二、焊接组对：焊接表面处理完后，对工件进行组对，将钛板放置在钛/钢复合板对接钢焊缝内表面上，钛板和钢板之间间隙控制在0.3mm左右，钛盖板和钛复层之间控制1mm，钛盖板与钛复层之间每距离150mm进行点焊，点焊长度20mm。

步骤三、钛熔焊，焊接时先进行钛盖板和钛复层的焊接，焊接两遍，第一遍自熔，焊接电流90A，电压10V，焊接速度120mm/min。第二遍加钛丝焊接，焊接电流120A，电压12V，焊接速度100mm/min，得到良好的钛焊缝，焊后100％PT检查合格。

步骤四、银钎焊，再钛熔焊焊缝检验合格后，对钛和钢进行焊接，钛和钢之间焊接时焊枪偏向钢面，在离焊缝中心区4mm左右位置，焊枪离工件距离3-4mm，银焊丝采用断续送丝方式，在填入熔池时保证在枪体保护范围内，焊接时注意观察焊丝熔化状态，待焊料熔化并在母材表面铺展后再添加焊料，焊接过程要连续。焊接电流140A，电压14V，焊接速度100mm/min。

实施例2

以复合板设备中钛衬环和钢接管法兰焊接为例，焊接步骤如下：

步骤一、焊前表面处理：在焊接前对焊接材料钛衬环和钢法兰进行表面清理，对钛及钢材表面用50粒树脂砂轮进行表面清理，再用100粒砂纸抛光，清理宽度不小于50mm，钛端面用刮刀去除氧化膜和毛刺，露出金属光泽，再用丙酮擦拭去油；这样在焊接时能减少氧化膜及油污对钎焊接头质量的影响。

步骤二、焊接组对：焊接表面处理完后，对工件进行组对，将钛衬环放置在钢法兰表面，再将钛管插入钢管内，钛管和钛衬环之间沿圆周方向间隔100mm用氩弧焊加钛丝点焊固定，同时控制钛衬环和钢法兰之间间隙控制在0.3mm左右，钛衬环与钢法兰沿圆周方向每间隔150mm用氩弧焊加银丝点焊固定，进行点焊，点焊长度20mm。

步骤三、焊接：首先焊接钛衬环和钛管，焊后100％PT检验合格；然后进行钛衬环和钢法兰的焊接，焊接时焊枪偏向钢面，在离焊缝中心区4mm左右位置，焊枪离工件距离3-4mm，焊丝采用断续送丝方式，在填入熔池时保证在枪体保护范围内，焊接时注意观察焊丝熔化状态，待焊料熔化并在母材表面铺展后再添加焊料，焊接过程要连续。

Claims (5)

1.一种钛和钛钢复合板焊接方法，其特征在于其焊接过程在大气状态下进行；焊接的步骤包括：

(1)焊前表面处理

对钛材及钛钢复合板的表面进行打磨，去氧化膜和去油脂处理；

(2)焊接组对

先对钛盖板和钛复层进行点焊固定位，减少焊接变形，保证间隙；

(3)焊接

采用焊接气体为氩气，先进行钛材与钛钢复合板上的钛板之间的熔焊，再用银丝做钎料进行钛材与钛钢复合板上的钢板进行钎焊。

2.根据权利要求1所述的一种钛和钛钢复合板焊接方法，其特征在于钛材与钛钢复合板上钢板之间的焊接间隙为0-0.3mm。

3.根据权利要求1所述的一种钛和钛钢复合板焊接方法，其特征在于其钛材与钛钢复合板上的钛板之间的熔焊的工艺条件为钛钢复合板钛钢界面结合剪切强度大于138MPa，钛材表面铁含量小于0.2％；用银丝做钎料进行钛材与钛钢复合板上的钢板进行钎焊的工艺条件为钛材和钢材表面进行去油污、除表面氧化物处理。

4.根据权利要求1所述的一种钛和钛钢复合板焊接方法，其特征在于所述的采用焊接气体为99.95％氩气，焊接气体流量控制在15L/min。

5.根据权利要求1所述的一种钛和钛钢复合板焊接方法，其特征在于所述的焊接过程采用的焊枪为19mm陶瓷双层网焊枪。