CN102699484B - 一种钛-钢复合板中钛复材的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明介绍了一种钛-钢复合板钛复材的焊接方法，关键工序为采用铌作为过渡层进行钛-钢复合板的焊接。焊接程序为先焊钢基材，依次为过渡层和钛复材。钛-钢复合板焊接工序包括钢基材坡口清洁、钢基材的焊接、钢基材焊缝检验、过渡层焊前坡口清洁、过渡层焊接、过渡层焊缝检验、钛复材焊接、钛复材焊缝检验后即完成钛-钢复合板的焊接工作。本专利的方法可以实现钛-钢复合板的直接焊接；焊接接头无未熔合现象；钛复材与钢基材实现了100%的贴合；焊缝质量好，且焊接接头平整，焊缝成形美观。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属复合材料的焊接方法，特别是一种钛-钢复合板钛复材的焊接方法。
背景技术
钛作为一种新型的防腐材料，由于塑性韧性好、耐腐蚀和易于成型等优点，用其制造的各种压力容器、加热器、反应釜和特殊设备已在许多行业中得到了广泛地应用，而且我国钛资源丰富，钛及钛合金在我国很有发展前途。虽然钛及钛合金具有良好的耐腐蚀性能，但成本高，因此常与钢制成复合板以降低制造成本。钛-钢复合板在国家重点发展的电力、化工、造船、制盐、制碱、核工业等领域有着越来越多的应用。
由于钛材具有熔点高，热容大，导热性差以及化学活性高等特殊性质，它的焊接技术远不及钢材焊接普及，钛是一种活性金属，常温下能与氧生成致密的氧化膜而保持高的稳定性和耐腐蚀性。在空气中钛的氧化过程很容易进行，焊接钛材时，焊缝和高温热影响区金属一方面易与空气中的氧、氢、氮等气体发生作用，并与焊件和焊丝表面粘附的含氧、碳、氮、氢等元素发生化合作用，被氧、碳、氮、氢杂质污染，使接头的强度和硬度升高，塑性下降，易产生气孔、裂纹等缺陷；另一方面，焊缝和高温热影响区晶粒易长大，加上钛的导热系数小，焊接过程中高温停留时间长，高温热影响区晶粒长大显著，也使接头的塑性下降。因此焊接时除必须保证焊缝金属的性能之外，还必须保证焊接热影响区的性能。
于钛-钢复合板而言，钛自身的焊接性有若干显著的特点，而且钛和钢熔焊的焊缝会产生脆裂，钛在熔焊时不能与钢熔合，进一步增加了钛-钢复合板中钛复材焊接的复杂性。铁在钛中溶解度达到0.1%时就要形成金属间化合物TiFe，在高温下或含铁量更高时还会形成TiFe2，另外钛还会与不锈钢中的Fe、Cr、Ni形成更加复杂的金属间化合物，使焊缝严重脆化，甚至产生裂纹。
由于钛与铁之间能形成TiFe、TiFe2脆性化合物，因此钛-钢复合板焊接时，要通过结构设计和合理的选择焊接参数才能实现钛复材与钢基材互不熔合，即钛与钛、钢与钢各自进行焊接。图1至图5是标准GB/T13149-2009《钛及钛合金复合钢板焊接技术要求》中钛-钢复合板的坡口形式，图6至图10是标准GB/T13149-2009《钛及钛合金复合钢板焊接技术要求》中钛-钢复合板的焊道形式。图中1-钛复材，2-钢基材，3-钛填板，4-钛盖板，5-钛半圆管，6-钛槽型盖板，α为坡口角度，b为装配间隙，p为钝边尺寸，B为钛填板或钛盖板宽度。从图6-图10中的焊道形式可以看出，采用这些方法焊接后的钛复材和钢基材之间留有间隙或有存在不贴合的区域，这些区域若需密封，还需采用银钎焊或其它有效的粘结方法填满，且图1和图2坡口形式、图6和图7的焊道形式不用于压力容器中。
经专利检索，目前尚没有钛-钢复合板直接焊接方法的相关专利文献报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种钛-钢复合板钛复材的焊接方法，该方法中采用铌作为过渡层进行焊接，实现了钛-钢复合板的直接焊接，焊缝成形美观且焊接接头无未熔合现象。
为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明的一种钛-钢复合板钛复材的焊接方法，采用铌作为过渡层，焊接程序为先焊钢基材，依次为过渡层和钛复材；钛-钢复合板坡口角度为60℃±5℃，钝边为1mm~3mm，其中处于钛复材上的钝边尺寸为0 mm ~1 mm，处于钢基材上的钝边尺寸为1mm ~2mm，间隙为0 mm ~2 mm；具体过程为：
1）、钢基材清洁
焊接前对钢基材坡口及周边区域进行清理，焊条电弧焊时清理范围距坡口边缘应不小于15mm，埋弧焊时清理范围距坡口边缘不小于30mm；清理后该区域没有污物。污物包括油、水、锈、氧化层等。
2）、钢基材焊接
钢基材焊接可采用焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊等有效的焊接方法。采用埋弧焊时应先用焊条电弧焊打底；打底焊时道间温度不超过150℃，焊接线能量应使得不焊透到钛面。这样以防止钛面氧化以及钛复材与钢基材界面的剥离。
3）、钢基材焊缝检验
钢基材焊后对焊缝进行表面质量检查和射线检测。射线检测标准为GB/T3323《金属熔化焊焊接接头射线照相》。
4）、钛复材清洁
将待焊区域及边缘不小于40mm的范围进行清理；清理后该区域没有污物。污物包括油、水、锈、氧化层等。
5）、过渡层焊接
过渡层的焊接为本发明的关键工序；焊接方法采用惰性气体保护焊，采用惰性气体对焊缝及高温热影响区即温度大于200℃的区域进行保护；焊丝采用纯铌丝，过渡层焊接一层；过渡层焊接时道间温度不得超过150℃。
6）、过渡层焊缝检验
过渡层焊后对焊缝进行表面质量检查和渗透检测。渗透检测标准为JB/T9218-2007《渗透探伤方法》。
7）、钛复材焊接
钛复材焊接过程中采用纯度不小于99.999%的高纯氩气对焊缝及温度大于200℃的高温热影响区进行保护，钛复材焊接时道间温度不得超过150℃。
9）钛复材焊缝检验
钛复材焊后对焊缝进行表面质量检查和渗透检测。渗透检测标准可以为JB/T9218-2007《渗透探伤方法》。
本专利所使用的词语意义如下：
钛-钢复合板：用轧制、爆炸或爆炸-轧制方法使钛复材与钢基材达到冶金结合的金属复合板。参见GB/T8547-2006。
复材：指金属复合板中作为耐蚀层、且厚度较薄的金属材料。参见GB/T6396-2008。本专利复材为钛及钛合金材料。
基材：指金属复合板中作为受力层，且厚度较厚的金属材料，参见GB/T6396-2008。本专利中为各类钢材料。
复合界面：复合板基材和复材的结合面，参见NB/T47002.3-2009。
过渡层：为防止基材成分对复材焊缝金属的不利影响，以保证接头质量和性能，预先在基材焊缝表面熔敷一层规定成分的金属层，参见GB/T13148-2008。
通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：
使用该方法对钛-钢复合板进行焊接，除可以实现钛-钢复合板的直接焊接外，还具有以下优点：
1）、与GB/T13149-2009（一）型接头相比，采用本发明焊接后的接头可用于压力容器中，并且焊接接头无未熔合现象；
2）、与GB/T13149-2009（二）型接头相比，采用本发明焊接后的接头无需对钛-钢复合板钛复材进行铲边，无需具有一定曲率的钛填板，而且实现了钛复材与钢基材100%的贴合；
3）、与GB/T13149-2009（三）型接头相比，采用本发明焊接后的接头无需钛填板和钛盖板，而且实现了钛复材与钢基材100%的贴合；
4）、与GB/T13149-2009（四）型接头相比，采用本发明焊接后的接头无需钛半圆管，无间隙，焊缝质量好，且焊接接头平整，焊缝成形美观；
5）、与GB/T13149-2009（五）型接头相比，采用本发明焊接后的接头无需压制成型的钛槽型盖板，焊接接头平整，焊缝成形美观，焊接接头端面无间隙，而且实现了钛复材与钢基材100%的贴合。
附图说明
图1至图5是标准GB/T13149-2009《钛及钛合金复合钢板焊接技术要求》中钛-钢复合板的坡口形式。
图6至图10是标准GB/T13149-2009《钛及钛合金复合钢板焊接技术要求》中钛-钢复合板的焊道形式。
图11是本发明的钛-钢复合板钛复材的焊接方法中钛-钢复合板焊接时的坡口型式。
图12是本发明的钛-钢复合板钛复材的焊接方法焊接后的钛-钢复合板的焊道形式。
图中，1-钛复材，2-钢基材，3-钛填板，4-钛盖板，5-钛半圆管，6-钛槽型盖板，α为坡口角度，b为装配间隙，P1为处于钛复材上的钝边尺寸，P为处于钢基材上的钝边尺寸，B为装配后的钛-钢复合板中去除钛复材的宽度，B1为钛盖板尺寸或钛槽型盖板与钛复材重叠部分的宽度，α2为钛填板与钛复材焊接时的坡口，f为具有一定曲率的钛填板底面与钛-钢复合板复合界面之间的最大距离，K为钛盖板的焊脚尺寸，δ为钛盖板的厚度。
具体实施方式
实施例1
钛-钢（TA2-Q235B）复合板焊接。选用图11中的坡口型式，其中坡口角度为60℃，钝边为2mm，其中P1为0.5mm，P为1.5mm，间隙为1.5mm。待焊接的两块钛-钢复合板尺寸为（3+16）×150×600mm，将两块钛-钢复合板以钛（TA2）复材表面为基准进行装配。焊接程序为先焊钢基材，依次为过渡层和钛复材。
钢基材焊接方法选用焊条电弧焊，焊条牌号为J427，直径为Φ3.2mm。焊前对钢基材进行清洁，清洁范围距基层坡口边缘15mm。钢基材（Q235B）焊接完成后进行射线检测，检测结果满足GB/T3323 Ⅰ级要求。
钢基材（Q235B）焊缝经质量检验合格后对钛复材待焊区域及距坡口边缘45mm的范围进行清洁，清洁后进行过渡层焊接，过渡层采用惰性气体保护焊的焊接方法，惰性气体为氩气，氩气纯度为99.999%。过渡层焊接用焊丝为纯铌丝，牌号为Nb1，直径为1.2mm，道间温度控制在142℃~146℃之间。过渡层焊接过程中对焊缝和温度大于196℃的热影响区采用氩气进行了保护。过渡层焊完后进行渗透检测，检测结果满足JB/T9218-2007 Ⅰ级要求。
过渡层焊缝检测合格后进行钛盖面层的焊接，采用惰性气体保护焊的焊接方法，惰性气体为氩气，氩气纯度为99.999%，焊丝为TA2，直径为1.2mm，道间温度控制在143℃~147℃之间，钛盖面层焊接过程中对焊缝和温度大于187℃的热影响区均采用了氩气进行保护。钛盖面层焊完后进行渗透检测，检测结果满足JB/T9218-2007 Ⅰ级要求。钛-钢（TA2-Q235B）复合板焊接完成。
实施例2
钛-钢（TA1-0Cr18Ni10Ti）复合板焊接。选用图11中的坡口型式，其中坡口角度为55℃，钝边为3mm，间隙为2mm，其中P1为1mm，P为2mm。待焊接的两块钛-钢复合板尺寸为（3+14）×150×600mm，将两块钛-钢复合板以钛（TA2）复材表面为基准进行装配。焊接程序为先焊钢基材，依次为过渡层和钛复材。
钢基材焊接方法选用焊条电弧焊，焊条牌号为A132，直径为Φ3.2mm。焊前对钢基材进行清洁，清洁范围距基层坡口边缘18mm。钢基材（0Cr18Ni10Ti）焊接完成后进行射线检测，检测结果满足GB/T3323 Ⅰ级要求。
钢基材（0Cr18Ni10Ti）焊缝经质量检验合格后对钛复材待焊区域及边缘42mm范围内进行了清洁，清洁后进行过渡层焊接。过渡层采用惰性气体保护焊的焊接方法，惰性气体为氩气，氩气纯度为99.999%。焊丝为纯铌丝，牌号为Nb1，直径为1.2mm，道间温度控制在142℃~148℃之间。过渡层焊接过程中对焊缝和温度大于198℃的高温热影响区均采用氩气进行了保护。过渡层焊完后进行渗透检测，检测结果满足JB/T9218-2007 Ⅰ级要求。
过渡层焊缝检测合格后进行钛盖面层的焊接，采用惰性气体保护焊的焊接方法，惰性气体为氩气，氩气纯度为99.999%，焊丝为TA1，直径为1.2mm，道间温度控制在146℃~148℃之间，钛盖面层焊接过程中对焊缝和温度大于199℃的热影响区均采用了氩气进行保护。钛盖面层焊完后进行渗透检测，检测结果满足JB/T9218-2007 Ⅰ级要求。钛-钢（TA2-Q235B）复合板焊接完成。
Claims (5)
1.一种钛-钢复合板钛复材的焊接方法，其特征是：采用铌作为过渡层，焊接程序为先焊钢基材，依次为过渡层和钛复材；钛-钢复合板坡口角度为60℃±5℃，钝边为1mm~3mm，其中处于钛复材上的钝边尺寸为0 mm ~1 mm，处于钢基材上的钝边尺寸为1mm ~2mm，间隙为0 mm ~2 mm；具体过程为：
1）、钢基材清洁
焊接前对钢基材坡口及周边区域进行清理，焊条电弧焊时清理范围距坡口边缘应不小于15mm，埋弧焊时清理范围距坡口边缘不小于30mm；清理后该区域没有污物；
2）、钢基材焊接
钢基材焊接可采用焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊的焊接方法；采用埋弧焊时应先用焊条电弧焊打底；打底焊时道间温度不超过150℃，焊接线能量应使得不焊透到钛面；
3）、钢基材焊缝检验
钢基材焊后对焊缝进行表面质量检查和射线检测；
4）、钛复材清洁
将待焊区域及边缘不小于40mm的范围进行清理，清理后该区域没有污物；
5）、过渡层焊接
焊接方法采用惰性气体保护焊，采用惰性气体对焊缝及高温热影响区即温度大于200℃的区域进行保护；焊丝采用纯铌丝，过渡层焊接一层；过渡层焊接时道间温度不得超过150℃；
6）、过渡层焊缝检验
过渡层焊后对焊缝进行表面质量检查和渗透检测；
7）、钛复材焊接
钛复材焊接过程中采用纯度不小于99.999%的高纯氩气对焊缝及温度大于200℃的高温热影响区进行保护，钛复材焊接时道间温度不得超过150℃；
9）钛复材焊缝检验
钛复材焊后对焊缝进行表面质量检查和渗透检测。
2.根据权利要求1所述钛-钢复合板钛复材的焊接方法，其特征是：射线检测标准为GB/T3323《金属熔化焊焊接接头射线照相》。
3.根据权利要求1所述钛-钢复合板钛复材的焊接方法，其特征是：所述渗透检测标准为JB/T9218-2007《渗透探伤方法》。
4.根据权利要求1所述钛-钢复合板钛复材的焊接方法，其特征是：所述的钛-钢复合板是用轧制、爆炸或爆炸-轧制方法使钛复材与钢基材达到冶金结合的金属复合板；复材指金属复合板中作为耐蚀层、且厚度较薄的金属材料；基材指金属复合板中作为受力层，且厚度较厚的金属材料；过渡层为防止基材成分对复材焊缝金属的不利影响，以保证接头质量和性能，预先在基材焊缝表面熔敷一层规定成分的金属层。
5.根据权利要求4所述钛-钢复合板钛复材的焊接方法，其特征是：所述的复材为钛及钛合金材料；基材为钢材料。
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