CN102601501A

CN102601501A - 一种厚板钛合金窄间隙磁控tig焊接工艺

Info

Publication number: CN102601501A
Application number: CN2012100813671A
Authority: CN
Inventors: 孙清洁; 袁新; 蔡春伟; 冯吉才; 胡海峰; 姜云禄; 黄海艇
Original assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Current assignee: Harbin Institute of Technology; Harbin Institute of Technology Weihai
Priority date: 2012-02-25
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明公开一种厚板钛合金窄间隙TIG焊接工艺，该焊接工艺包括焊接过程采用的焊枪形式、焊缝铺展形式、焊接坡口形式、焊前装卡形式、焊接工程参数选择、焊接过程保护气氛的选择六项内容。本发明的焊接工艺解决了厚板钛合金窄间隙自动TIG焊接工艺技术难题，实现钛合金厚板窄间隙TIG自动焊接，具有焊道次数少、热影响区窄、焊接效率高的特点。并且焊接接头的残余应力和残余变形小，焊接组织细小，性能高。

Description

一种厚板钛合金窄间隙磁控TIG焊接工艺

技术领域

本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种厚板钛合金窄间隙磁控TIG焊接工艺。

背景技术

作为第三金属的钛及其合金由于具有比强度高、热强性好、耐腐蚀以及生物相容性好等优点，正在成为理想的金属结构材料，目前已被广泛应用于航空、航天、汽车、造船、生物医学等领域，其连接技术也成为工程领域的重要课题。针对厚板钛合金连接过程遇到的问题，研究学者提出了众多解决方案，但是核心问题仍是侧壁熔合质量。目前它的可焊方法有钨电极氩弧焊(TIG)、熔化极气体保护焊、电子束焊、等离子弧焊和激光焊。而随着现代工业生产和国防装备中焊接结构的日益大型化，厚板的应用越来越广泛，以上的焊接方法存在焊接效率低、焊接变形及残余应力大。

1963年美国科学家研究所开发了一种窄间隙焊接方法，这种方法最大的特点是焊接坡口间隙很小，厚板焊缝截填充面积大大减少，从而降低了工程量和生产成本。窄间隙焊接技术在保留现有焊接方法优点的同时，比较理想的解决了传统焊接方法的效率问题。日本焊接界认为窄间隙焊接和激光焊接并称为适合于厚板焊接的两种方法。在各种窄间隙焊接方法核心技术就是侧壁熔合质量。目前提出的解决方法有：波浪式焊丝窄间隙焊、旋转电弧窄间隙焊、磁场控制摆动电弧窄间隙焊等。

然而窄间隙焊接的最大问题就是侧壁熔合问题，并且受钨电极载流能力的影响焊道次数多，焊接热影响区宽，焊接效率低下。厚板钛合金常规焊接时坡口面积大，填充金属多，焊后残余应力及变形大，焊接效率低。极大地限制了厚板钛合金的适用范围及TIG焊接的应用。

发明内容

针对上述问题的存在，本发明提供了一种厚板钛合金窄间隙磁控TIG焊接工艺，该焊接工艺可以解决厚板钛合金窄间隙自动TIG焊接工艺技术难题，实现钛合金厚板窄间隙TIG自动焊接，使焊道次数少、热影响区窄、焊接效率高，并且焊接接头的残余应力和残余变形小，焊接组织细小，性能高。

采用窄间隙焊接形式不仅能大幅度地减少坡口截面积，大大减少焊缝金属的填充量，因而被作为一种经济的、能够得到优良力学性能和变形较小的优质焊接方法，广泛应用于各种大型重要结构。而被采用的窄间隙焊接方法中非熔化极气体保护焊(TIG)在电弧燃烧过程中，电极不熔化，故易维持稳定的电弧长度，钨电极与母材间产生的电弧在惰性气氛中极为稳定。使用TIG焊能够实现高品质的焊接，得到优良的焊缝。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种厚板钛合金窄间隙磁控TIG焊接工艺，其特征在于包括采用的焊枪形式、焊缝铺展形式、焊接坡口形式、焊前装卡形式、焊接工程参数选择、焊接过程保护气氛的选择，

其中的焊枪形式：为了增加钨电极的载流能力，焊接中采用3-8mm直径钨电极，并用双层紫铜夹持，两层紫铜间通有循环冷却水来冷却钨电极，通过这样的方式，钨电极的载流能力达250-1200A，

为防止高电流造成钨电极熔合而影响焊接质量，钨电极端部被磨成圆台状或者是梯台状，

为了解决窄间隙焊接过程中的侧壁熔合问题，在沿着焊缝方向、钨电极两侧固定上线圈及铁芯，期间通以相互反向的交变电流，从而产生周期变化的磁场，磁场大小为0-15mT，磁场频率为0-100HZ，导致焊接过程中电弧周期偏转，解决了窄间隙中的侧壁熔合问题，磁场的引入不仅使得电弧发生偏转，还解决了侧壁熔合问题，穿过熔池的磁场还能够细化焊缝组织，提高其性能；

其中的焊缝铺展形式：由于坡口窄小，焊接电流大，填充金属量大，所以焊缝铺展形式为单道多层焊；

其中的焊接坡口形式

焊接坡口形式分为3种，分别为U型坡口、I型坡口和双U型坡口，

U型坡口及双U型坡口参数设计为：钝边尺寸为0.8-5mm，直边长度为0-7mm，过渡圆角半径为0-6mm，坡口角度为0-10°，

I型坡口需要在焊前将垫板焊在母材上，根部间隙为8-15mm，预变形角度为5-20度；

焊前装卡形式：在使用U型坡口时，焊前需要进行预变形并进行焊前及焊中装卡，预变形使得张角扩大至5-20°，装配间隙为0-3mm，I型坡口同样需要焊前及焊中装卡。

其中的焊接工程参数选择：焊接过程参数包含电流电压参数选择，送丝机焊接速度的参数选择，以及磁场强度及频率的参数选择，具体参数如下：

位置	电流	电压	送丝速度	焊接速度	磁场频率	磁场强度
							打底焊	90-450	9.5-15.5	40-100	5-15	4-30	5-15
过渡层	400-500	9.5-15.5	40-100	5-15	4-30	5-15
							中间层	400-500	9.5-15.5	40-100	5-15	4-30	5-15
盖面层	400-500	13-16	40-100	5-15	4-30	5-15

上述数值中电路单位为安培（A），电压单位为伏特（V），送丝速度及焊接速度为米每小时（m/h），磁场频率为赫兹（HZ），磁场强度为毫特斯拉（mT），焊丝直径为3-5mm；

焊接过程保护气氛的选择：厚板钛合金窄间隙焊接过程中采用至少99.99%纯度氩气保护实现焊接，保护气流量可更加实际焊接保护效果进行调整。

本发明具有如下优越性：本发明能够实现60mm厚厚板钛合金窄间隙焊接，焊接过程稳定，焊后侧壁熔合；焊接电流大，焊接效率高。焊后获得无缺陷、焊缝组织细小、性能优越的焊缝。盖面层焊缝在8-20mm的焊缝。

附图说明

图1是窄间隙磁控TIG焊枪示意图。

图2是焊接电弧受磁场作用而周期摆动示意图。

图3是U型坡口及焊前装卡示意图。

图4是图3中U型坡口的放大示意图。

图5是I型坡口示意图。

图6是图5中I型坡口的放大示意图。

图7是双U型坡口示意图。

图8是例1采用的坡口形式示意图。

图9是例2采用的坡口形式示意图。

图10是例3采用的坡口形式示意图。

图中：线圈1、铁芯2、钨电极3、磁感线4、电弧5、熔池6、焊丝7、钨电极8、电弧9、坡口张角A、装配间隙L、钝边厚度H1、直边段长度 H2、过渡圆弧半径R。

具体实施方式

实施例1：进行60mm厚、325mm长、130mm宽的一对TC4板对接焊，坡口形式见图6，因为钛合金本身的啮合强化作用，采用性能远不如母材的TA2作为焊丝，焊丝直径为3.5mm。

坡口设计时为了保证打底焊能够焊透而不焊穿，装配间隙为1mm，钝边厚度为2mm。配合焊接过程中焊接变形的不断发生，焊接坡口张角为20°，保证焊接过程中焊枪能够伸入坡口低端。焊接过程中实现单道多层焊。

焊接过程采用的焊接参数如下：

焊接过程中采用的保护气氛为99.99%纯氩气，气流量为12-30L/min，根据焊缝的保护效果来调整保护气流量。

焊接过程中根据焊缝变形及侧壁熔合情况调整焊接电流、电压、送丝速度，使得得到优良的焊缝。

焊接过程稳定，焊后无损检测为一级焊缝，力学性能合格，组织细小，最终焊道层数为8-15层，焊缝表面宽度小于10mm。

实施例2：进行60mm厚、325mm长、130mm宽的一对TA15板对接焊，坡口形式见图7，因为钛合金本身的啮合强化作用，采用性能略差与母材的TA2作为焊丝，焊丝直径为3.5mm。

采用I型坡口，焊前需焊接垫板与底部。配合焊接过程中焊接变形的不断发生，焊接坡口张角为10°，保证焊接过程中焊枪能够伸入坡口低端。焊接过程中实现单道多层焊。

焊接过程采用的焊接参数如下：

实施例3：进行60mm厚、325mm长、130mm宽的一对TA4板对接焊，坡口形式见图8，因为钛合金本身的啮合强化作用，采用性能远不如母材的TA2作为焊丝，焊丝直径为3.5mm。

坡口设计时为了保证打底焊能够焊透而不焊穿，装配间隙为2mm，钝边厚度为2.5mm。配合焊接过程中焊接变形的不断发生，焊接坡口张角为10°，保证焊接过程中焊枪能够伸入坡口低端。焊接过程中实现单道多层焊。

焊接过程采用的焊接参数如下：

焊接过程仍需固定装置，使得焊缝变形过程中产生内应力，生成更多的细小组织。根据母材变形情况翻转试样，双U型两侧共同焊接。

Claims

1.一种厚板钛合金窄间隙磁控TIG焊接工艺，其特征在于包括采用的焊枪形式、焊缝铺展形式、焊接坡口形式、焊接工程参数选择、焊接过程保护气氛的选择：

其中的焊枪形式：焊接中采用3-8mm直径钨电极，并用双层紫铜夹持，两层紫铜间通有循环冷却水来冷却钨电极；

其中的焊缝铺展形式：焊缝铺展形式为单道多层焊；

其中的焊接坡口形式：焊接坡口形式分别为U型坡口、I型坡口和双U型坡口，U型坡口及双U型坡口参数设计为：钝边尺寸为0.8-5mm，直边长度不大于7mm，过渡圆角半径不大于6mm，坡口角度为不大于10°，I型坡口需要在焊前将垫板焊在母材上，根部间隙为8-15mm，预变形角度为5-20度；

位置电流电压送丝速度焊接速度磁场频率磁场强度打底焊 90-450 9.5-15.5 40-100 5-15 4-30 5-15 过渡层 400-500 9.5-15.5 40-100 5-15 4-30 5-15 中间层 400-500 9.5-15.5 40-100 5-15 4-30 5-15 盖面层 400-500 13-16 40-100 5-15 4-30 5-15

焊接过程保护气氛的选择：厚板钛合金窄间隙焊接过程中采用至少99.99%纯度氩气保护实现焊接，保护气流量根据实际焊接保护效果进行调整。

2.根据权利要求1所述的一种厚板钛合金窄间隙磁控TIG焊接工艺，其特征在于焊接坡口形式后对U型坡口和I型坡口焊前需要进行预变形并进行焊前及焊中装卡，预变形使得张角扩大至5-20°，装配间隙不大于3mm。

3.根据权利要求1所述的一种厚板钛合金窄间隙磁控TIG焊接工艺，其特征在于焊枪形式中钨电极端部被磨成圆台状或者是梯台状。

4.根据权利要求1所述的一种厚板钛合金窄间隙磁控TIG焊接工艺，其特征在于焊枪形式中沿着焊缝方向、钨电极两侧固定上线圈及铁芯，期间通以相互反向的交变电流，从而产生周期变化的磁场，磁场大小为0-15mT，磁场频率为0-100HZ，使焊接过程中电弧周期偏转。