CN101695784B - 一种用于钛及钛合金冷弧焊焊接的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于钛及钛合金冷弧焊焊接的方法包含焊接坡口设置、焊接模式、保护性气体选择、焊接过程中的飞溅控制和焊接工艺参数制定五个步骤。焊接坡口设置分为I型坡口、V型坡口和U型坡口。焊接模式有冷弧焊CMT对接焊、冷弧脉冲焊CMT+P对接焊或冷弧脉冲焊CMT+P角接焊。保护性气体选择He+Ar混合气。焊接过程的飞溅除受保护气影响外主要受弧长校正、脉冲校正或动态校正的影响，弧长校正控制在0～20％之间，脉冲校正或动态校正控制在0～2.0之间。焊接工艺参数制定因角接焊和对接焊而有所不同。焊接过程稳定，可获无缺陷、性能合格的焊缝，有效减小钛及钛合金复杂结构件焊接变形，降低焊缝残余应力，提高了产品质量和生产效率。

Description

一种用于钛及钛合金冷弧焊焊接的方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，尤其涉及到一种用于钛及钛合金冷弧焊焊接的方法。 

背景技术

目前常用钛及钛合金的焊接方法主要为钨极氩气保护焊(TIG)、熔化极惰性气体保护焊(MIG)、等离子焊(PAW)等，然而上述焊接方法的热输入比较大，对于焊缝分布交叉、密集的大型钛及钛合金结构件，焊接变形、焊接内应力大造成裂纹等问题都很难解决，同时热输入量大，导致焊缝以及热影响区的性能也会下降。因此急需一种更低热输入量的焊接工艺方法来进一步提高产品及焊缝质量。 

冷弧焊焊接方法是一种新型焊接技术，通过采用数字化电源和过程的粘密控制技术，使得在焊接过程中可大幅度降低焊接热输入量，从而显著减小焊接残余应力，焊接变形。 

冷弧焊方法第一次将送丝与焊接过程控制直接地联系起来，当数字化的过程控制监测到一个短路信号，就会反馈给送丝机，送丝机回抽焊丝，从而使得焊丝与熔滴分离，实现了无电流状态下的熔滴过渡。在这种焊接方法中，电弧自身输入热量的过程很短，短路发生，电弧即熄灭，热输入量迅速地减少。 

冷弧焊方法由于出现的比较晚，针对目前材料的焊接工艺技术研究正在积极进行中，在美国、欧洲和日本，冷弧焊焊接技术多应用在铝合金薄板，铝合金薄板和镀锌钢板之间的连接，其焊后变形明显降低，焊缝成型良好。 

冷弧焊焊接方法应用在钛及钛合金材料的焊接还是空白。 

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种用于钛及钛合金冷弧焊焊接的方法，该方法通过大量焊接试验确定钛及钛合金冷弧焊宜采用的焊接模式、焊接保护气种类、焊接飞溅控制、焊接坡口的设计、焊接工艺参数等方面参数，解决了钛及钛合金在焊接过程中产生的变形，解决了焊缝残余应力大容易出现冷裂纹等问题，提高了产品质量。 

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案： 

所述的一种用于钛及钛合金冷弧焊焊接的方法包含焊接坡口设置、焊接模式、保护性气体选择、焊接过程中的飞溅控制和焊接工艺参数制定五个步骤，五个步骤分述如下： 

I、焊接坡口设置 

焊接坡口设置分为I型坡口、V型坡口和U型坡口，三种坡口的相关参数是：钛及钛合金板厚t、坡口间隙b、坡口斜角α、坡口倾角β； 

当t＜2mm时采用I型坡口，b＝0～1mm； 

当t＝2～13mm时采用V型坡口，b＝1～3mm，α＝15°～45°； 

当t＞13mm时采用U型坡口，b＝2～4mm，β＝8°～12°，坡口圆角R设定为3mm； 

II、焊接模式 

当t不大于3mm时采用冷弧焊CMT对接焊焊接模式； 

当t大于3mm时采用冷弧脉冲焊CMT+P对接焊焊接模式； 

当实施角接焊接时t不论其厚度大小均采用冷弧脉冲焊CMT+P角接焊焊接模式； 

III、保护性气体选择 

保护性气体性质不同，焊接时的电弧形态、熔滴过渡和焊缝成形也不同，对焊接结果有直接影响；钛及钛合金焊接采用保护性气体为He+Ar混合气，He+Ar混合气按体积百分比混合的比例是：50～80％的He、20～50％的Ar； 

采用He+Ar混合气保护时，冷弧焊CMT焊接模式和冷弧脉冲焊CMT+P焊接模式的对接焊或角接焊，焊缝均能获得良好成形，焊接过程稳定，且飞溅较少； 

IV、焊接过程中的飞溅控制 

焊接过程的飞溅除受保护气影响外主要受弧长校正、脉冲校正或动态校正的影响，当弧长校正、脉冲校正或动态校正均为正偏差时，则焊接飞溅较小；弧长校正、脉冲校正或动态校正的设置在对接焊缝焊接过程中受焊枪角度、焊接坡口间隙等因素影响；弧长校正控制在0～20％之间，脉冲校正或动态校正控制在0～2.0之间； 

V、焊接工艺参数制定 

角接焊和对接焊的焊接工艺参数制定有所不同，分述如下： 

i)、角接焊 

横焊时，送丝速度6.0～8.5m/min，焊接速度35～75cm/min； 

立焊时，送丝速度5.5～7.5m/min，焊接速度45～85cm/min； 

上述横焊或立焊时的弧长校正0～20％，脉冲校正0～2.0，焊丝规格Φ1.2mm，采用He+Ar混合保护气； 

ii)、对接焊 

当t＜2mm时，采用冷弧焊CMT焊接模式，送丝速度2.0～6.4m/min，焊接速度40～70cm/min，弧长校正8～20％，动态校正1.0～3.0，坡口采用I型； 

当t＝2～3mm时，采用冷弧焊CMT焊接模式，送丝速度6.4～9.0m/min，焊接速度35～60cm/min，弧长校正8～20％，动态校正1.0～3.0，坡口采用V型； 

当t＞3～4mm时，采用冷弧脉冲焊CMT+P焊接模式，送丝速度5.5～7.5m/min，焊接速度30～50cm/min，弧长校正10～15％，脉冲校正1.0～2.0，坡口采用V型； 

当t＞4～6mm时，采用冷弧脉冲焊CMT+P焊接模式，送丝速度6.0～8.5m/min，焊接速度20～40cm/min，弧长校正10～15％，脉冲校正1.0～2.0， 坡口采用V型； 

当t＞6～13mm时，采用冷弧脉冲焊CMT+P焊接模式，打底填充送丝速度5.5～7.5m/min，焊接速度25～45cm/min，盖面送丝速度7.5～8.5m/min，焊接速度20～30cm/min，弧长校正10～15％，脉冲校正1.0～2.0，坡口采用V型； 

当t＞13mm时，采用冷弧脉冲焊CMT+P焊接模式，打底填充送丝速度6.5～9.5m/min，焊接速度15～45cm/min，盖面送丝速度7.5～8.5m/min，焊接速度15～25cm/min，弧长校正10～15％，脉冲校正1.0～2.0，坡口采用U型； 

上述对接焊时的焊丝规格Φ0.8～1.2mm，保护气采用He+Ar混合气。 

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性： 

1、本发明的方法，焊接过程稳定，可获得无缺陷的、性能合格的焊缝。 

2、有效减小钛及钛合金复杂结构件焊接变形，降低焊缝残余应力，提高了产品质量和生产效率。 

附图说明

图1是I型坡口示意图； 

图2是V型坡口示意图； 

图3是U型坡口示意图； 

上述图中：t-钛及钛合金板厚；b-坡口间隙；α-坡口斜角；β-坡口倾角；R-坡口圆角。 

具体实施方式

实施例1： 

使用本发明的钛及钛合金冷弧焊接方法，进行了钛及钛合金导流罩模拟件的焊接，焊缝结构形式有4mm+4mm板厚对接焊缝、4mm+16mm板厚角接焊缝、16mm+16mm板厚角接焊缝，对接焊采用V型坡口，坡口面角度α＝30°坡口间 隙b＝2mm。整个焊接过程稳定，焊接效率高，焊缝质量满足钛合金导流罩制造标准要求。焊接过程采用的焊接参数如下： 

        焊接   送丝速度   焊接速度   弧长校正   脉冲   焊丝规     保护气 

位置 

        模式   m/min     cm/min      ％         校正   格mm       种类 

                                                1.3               65％He+35 

对接焊  CMT+P  6.0～6.8  30～35      10～15            Φ1.2 

                                                ～1.5             ％Ar 

角接                                            1.0               70％He+30 

        CMT+P  6.0～7.5  56～65      10～20            Φ1.2 

横焊                                            ～2.0             ％Ar 

角接                                            1.0               70％He+30 

        CMT+P  5.8～6.5  64～75      10～15            Φ1.2 

立焊                                            ～2.0             ％Ar 

实施例2： 

使用本发明的钛及钛合金冷弧焊接方法，进行了1mm厚，300mm长，150mm宽的试板平焊位置对接焊接试验，采用I型坡口，坡口间隙b＝0。焊接过程稳定，焊缝背面有良好成形、焊缝内部质量满足JB/T4730.2-2005II级要求。 

焊接过程采用的焊接参数如下： 

焊接  送丝速度    焊接速度    弧长校正    动态    焊丝规    保护气 

模式  m/min       cm/min      ％          校正    格mm      种类 

                                                            70％He+30 

CMT   4.0         50～55      15          1.2     Φ1.2 

                                                            ％Ar 

实施例3： 

使用本发明的钛及钛合金冷弧焊接方法，进行了2mm厚，300mm长，150mm宽的试板平焊位置对接焊接试验，采用V型坡口，坡口面角度α＝45°，坡口间隙b＝1mm。焊接过程稳定，焊缝背面有良好成形、焊缝内部质量满足JB/T4730.2-2005II级要求。焊接过程采用的焊接参数如下： 

焊接    送丝速度    焊接速度    弧长校正    动态    焊丝规    保护气 

模式    m/min       cm/min      ％          校正    格mm      种类 

                                                              70％He+30 

CMT    7.0          40～45      15          1.5     Φ1.2 

                                                              ％Ar 

实施例4： 

使用本发明的钛及钛合金冷弧焊接方法，进行了6mm厚，300mm长，150mm宽的试板平焊位置对接焊接试验，采用V型坡口，坡口面角度α＝25°，坡口间隙b＝2mm。焊接过程稳定，焊缝外观质量、无损检测结果均达到了JB/T4730.3-2005II级要求。 

焊接过程采用的焊接参数如下： 

厚度    焊接    送丝速度    焊接速度    焊丝规格    保护气 

mm      模式    m/min       cm/min      mm          种类 

                                                    50％He+50％ 

6       CMT+P   8.2         27～35      Φ1.2 

                                                    Ar 

实施例5： 

使用本发明的钛及钛合金冷弧焊接方法，进行了4mm厚，300mm长，150mm宽的试板平焊位置对接焊接试验，采用V型坡口，坡口面角度α＝30°坡口间隙b＝2mm。测量焊后变形与TIG焊和MIG焊比较分别有较大减小。 

焊接过程采用的焊接参数如下： 

厚度    焊接    送丝速度    焊接速度    焊丝规格    保护气 

mm      模式    m/min       cm/min      mm          种类 

                                                    50％He+50％ 

4       CMT+P   6.0         30～35      Φ1.2 

                                                    Ar 

焊后变形情况如下： 

变形量        横向        纵向 

                                    备注 

焊接方法      mm          mm 

CMT+P         28.5        4.5       带垫板 

MIG           31          5         带垫板 

TIG           26          6         不带垫板 

实施例6： 

使用本发明的钛及钛合金冷弧焊接方法，进行了14mm、8mm厚，300mm长，150mm宽的试板平焊位置对接焊接试验，14mm厚板采用“U型”坡口，坡口面 角度β＝12°，坡口间隙b＝3mm，坡口圆角R为设定值等于3mm；8mm厚板采用V型坡口，坡口面角度α＝20°，坡口间隙b＝3mm。焊缝内部质量满足JB/T4730.2-2005II级要求。焊缝力学、工艺性能均能满足焊缝焊接工艺评定要求。 

焊接过程采用的焊接参数如下： 

厚度            焊接    送丝速度    焊接速度    焊丝规格    保护气 

      位置 

mm              模式    m/min       cm/min      mm          种类 

      打底层    CMT+P   6.3         30～40      Φ1.2       50％He+50％ 

8 

      盖面      CMT+P   6.8         20～30      Φ1.2       Ar 

      打底      CMT+P   6.2         30～40      Φ1.2 

                                                            80％He+20％ 

14    填充      CMT+P   6.7         30～40      Φ1.2 

                                                            Ar 

      盖面      CMT+P   7.2         20～30      Φ1.2 

焊缝力学性能如下： 

编号        试样厚度/mm  试样宽度/mm  Rm/Mpa   备注 

 LS-1       8            25           550 

                                                断焊缝 

 LS-2       8            25           570          

 LS-11      14           25           610 

                                                断焊缝 

 LS-21      14           25           580 

焊缝工艺性能如下： 

编号    试样厚度/mm  D＝10a       结果评定    备注 

LW-3    8            180°        合格        面弯 

LW-4    8            180°        合格        背弯 

LW-5    14           180°        合格        面弯 

LW-6    14           180°        合格        背弯 

实施例7： 

使用本发明的钛及钛合金冷弧焊接方法，进行了12mm厚，300mm长，150mm宽的试板平焊位置对接焊接试验，采用V型坡口，坡口面角度α＝15°，坡口间隙b＝3mm。测量焊后焊缝残余应力与TIG焊和MIG焊比较分别有较大减小。 

焊接过程采用的焊接参数如下： 

厚度          焊接    送丝速度    焊接速度    焊丝规格    保护气 

      位置 

mm            模式    m/min       cm/min      mm          种类 

      打底    CMT+P   6.0         30～40      Φ1.2 

                                                          70％He+30％ 

12    填充    CMT+P   6.8         30～40      Φ1.2 

                                                          Ar 

      盖面    CMT+P   7.2         20～30      Φ1.2 

焊缝残余应力测试数据参考如下： 

        距离焊缝 

焊接 

        中心距离    0      5       10     20    30    45     60 

方法 

        d/mm 

        纵向应力 

                    187.9  154.3   132.3  44.3  8.4   -28.5  -45.2 

        σx/MPa 

TIG焊 

        横向应力 

                    4.1    53.3    41.1   48.3  61.8  69.4   62.5 

        σy/Mpa 

        纵向应力 

                    98.90  108.2   117.5  67.7  -3.60 -12.1  -50.7 

        σx/MPa 

MIG焊 

        横向应力 

                    18.00  30.70   27.10  47.6  9.80  6.90   0.50 

        σy/MPa 

        纵向应力 

CMT+P               87.80  92.40   21.80  5.40  -40.6 -105.6 -80.1 

        σx/MPa 

冷弧 

        横向应力 

脉冲焊              40.50  43.70   19.00  2.30  16.80 9.10   25.10 

        σy/MPa 

本发明没有采用纯Ar作保护性气体，是因为冷弧焊CMT焊接模式的焊缝很难获得良好的成形，而冷弧脉冲焊CMT+P焊接模式的对接焊和角接焊，焊缝均能够获得良好成形，但焊接过程中飞溅非常大，而且焊接稳定性差。 

Claims (1)

1.一种用于钛及钛合金冷弧焊焊接的方法，其特征在于：包含焊接坡口设置、焊接模式、保护性气体选择、焊接过程中的飞溅控制和焊接工艺参数制定五个步骤，五个步骤分述如下：

I、焊接坡口设置

焊接坡口设置分为I型坡口、V型坡口和U型坡口，三种坡口的相关参数是：钛及钛合金板厚t、坡口间隙b、坡口斜角α、坡口倾角β；

当t＜2mm时采用I型坡口，b＝0～1mm；

当t＝2～13mm时采用V型坡口，b＝1～3mm，α＝15°～45°；

当t＞13mm时采用U型坡口，b＝2～4mm，β＝8°～12°，坡口圆角R设定为3mm；

II、焊接模式

当t不大于3mm时采用冷弧焊CMT对接焊焊接模式；

当t大于3mm时采用冷弧脉冲焊CMT+P对接焊焊接模式；

当实施角接焊接时t不论其厚度大小均采用冷弧脉冲焊CMT+P角接焊焊接模式；

III、保护性气体选择

保护性气体性质不同，焊接时的电弧形态、熔滴过渡和焊缝成形也不同，对焊接结果有直接影响；钛及钛合金焊接采用保护性气体为He+Ar混合气，He+Ar混合气按体积百分比混合的比例是：50～80％的He、20～50％的Ar；

采用He+Ar混合气保护时，冷弧焊CMT焊接模式和冷弧脉冲焊CMT+P焊接模式的对接焊或角接焊，焊缝均能获得良好成形，焊接过程稳定，且飞溅较少；

IV、焊接过程中的飞溅控制

焊接过程的飞溅除受保护气影响外主要受弧长校正、脉冲校正或动态校正的影响，当弧长校正、脉冲校正或动态校正均为正偏差时，则焊接飞溅较小；弧长校正、脉冲校正或动态校正的设置在对接焊缝焊接过程中受焊枪角度、焊接坡口间隙等因素影响；弧长校正控制在0～20％之间，脉冲校正或动态校正控制在0～2.0之间；

V、焊接工艺参数制定

角接焊和对接焊的焊接工艺参数制定有所不同，分述如下：

i)、角接焊

横焊时，送丝速度6.0～8.5m/min，焊接速度35～75cm/min；

立焊时，送丝速度5.5～7.5m/min，焊接速度45～85cm/min；

上述横焊或立焊时的弧长校正0～20％，脉冲校正0～2.0，焊丝规格Φ1.2mm，采用He+Ar混合保护气；

ii)、对接焊

当t＜2mm时，采用冷弧焊CMT焊接模式，送丝速度2.0～6.4m/min，焊接速度40～70cm/min，弧长校正8～20％，动态校正1.0～3.0，坡口采用I型；

当t＝2～3mm时，采用冷弧焊CMT焊接模式，送丝速度6.4～9.0m/min，焊接速度35～60cm/min，弧长校正8～20％，动态校正1.0～3.0，坡口采用V型；

当3mm＜t≤4mm时，采用冷弧脉冲焊CMT+P焊接模式，送丝速度5.5～7.5m/min，焊接速度30～50cm/min，弧长校正10～15％，脉冲校正1.0～2.0，坡口采用V型；

当4mm＜t≤6mm时，采用冷弧脉冲焊CMT+P焊接模式，送丝速度6.0～8.5m/min，焊接速度20～40cm/min，弧长校正10～15％，脉冲校正1.0～2.0，坡口采用V型；

当6mm＜t≤13mm时，采用冷弧脉冲焊CMT+P焊接模式，打底填充送丝速度5.5～7.5m/min，焊接速度25～45cm/min，盖面送丝速度7.5～8.5m/min，焊接速度20～30cm/min，弧长校正10～15％，脉冲校正1.0～2.0，坡口采用V型；

当t＞13mm时，采用冷弧脉冲焊CMT+P焊接模式，打底填充送丝速度6.5～9.5m/min，焊接速度15～45cm/min，盖面送丝速度7.5～8.5m/min，焊接速度15～25cm/min，弧长校正10～15％，脉冲校正1.0～2.0，坡口采用U型；

上述对接焊时的焊丝规格Φ0.8～1.2mm，保护气采用He+Ar混合气。

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