CN104874929B - 厚度为11～30mm工业纯钛板的焊接工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种厚度为11～30mm工业纯钛板的焊接工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：1)准备两块待焊接的工业纯钛板；2)将步骤1中的两块待焊接工业纯钛板的焊接边均加工成直边；3)在步骤2中的直边上加工出钝边L₁；4)在步骤3中的钝边L₁上加工出钝边直边L₂；5)将步骤4中的两块待焊接工业纯钛板的焊接边上除去钝边L₁的部分L₃加工出坡口，即坡口深度为L₃；6)将步骤5中的两块待焊接工业纯钛板的焊接边进行对接焊接，且此两块待焊接工业纯钛板的焊接边之间留有间隙L₄；7)对步骤6中的两块待焊接工业纯钛板进行焊接。

Description

厚度为11～30mm工业纯钛板的焊接工艺方法

技术领域

本发明涉及一种厚度为11～30mm工业纯钛板的焊接工艺方法，更具体的焊接工艺方法是，当工业纯钛板对接焊件的厚度超过小孔型等离子弧能量一次穿透且稳定焊接的厚度时，通过对工业纯钛板焊接性及小孔型等离子弧焊焊接特点的分析，设计适用于小孔型等离子弧焊一次穿透能力范围，且能稳定焊接和得到可靠的打底焊缝质量，并保证后续焊接方法的焊到性的坡口结构形式，实现厚度11～30mm工业纯钛板对接接头的高效高质量焊接。

背景技术

工业纯钛板耐蚀性能好、比强度高、加工性能好等优点而广泛应用于化工容器制造。但钛作为活性金属，不能采用常规的焊接方法如手工焊条电弧焊、埋弧焊、活性气体保护焊等焊接方法进行焊接，只能采用惰性气体保护焊如钨极氩弧焊、熔化极惰性气体保护焊、等离子弧焊和电子束焊等进行焊接；熔化极惰性气体保护焊工艺技术不成熟，设备结构复杂，费用高，电子束焊设备费用高且施焊工件尺寸范围受到限制，都不能广泛应用；钨极氩弧焊由于设备便宜、焊接工艺简单成为现行工业纯钛板焊接的主要焊接方法，但其热输入小，焊接效率低，一次穿透能力小，需要加工成小钝边(0～1mm)大坡口(40～70°)的坡口结构，加工成本高、材料(母材、焊丝和气体)消耗大、生产效率低。

近年来，随着科技的发展，在航空航天已经多年应用的高能焊方法——小孔型等离子弧焊工艺技术的应用已日趋成熟。且随着国内焊接装备制造水平提升，小孔型等离子弧焊设备已经开始国产化成套供应，且性能可靠，使等离子弧焊这一高效焊接工艺装备费用大幅下降，并初步应用于容器制造行业；小孔型等离子弧焊作为一种高能焊接工艺方法，与钨极氩弧焊相比减少了坡口加工，降低了母材损耗和加工时间，组对难度降低，且时间减少，改善了组对精度，焊接过程中10mm厚度工业纯钛板对接接头不开坡口(I型坡口)可实现不填丝一次焊透，节省了焊接材料和焊接气体，减少了多次焊接对产品质量带来的质量隐患，配套适当的保护措施，使10mm以下工业纯钛板对接焊接采用小孔型等离子弧焊一次焊接完成，且焊接过程稳定，焊接效率和焊缝质量优异，制造成本大大降低。

钛材由于密度小、表面张力大，比热容高，导热系数小、熔点1668℃；当小于等于10mm厚的工业纯钛板，采用小孔型等离子弧焊可不开坡口(即采用I型坡口)一次焊透10mm厚工业纯钛板，实现单面焊双面成型，焊接过程且质量稳定。

当超过10mm时，11～30mm厚的工业纯钛板，随着厚度增加，工件散热损耗增大，小孔型等离子弧焊焊接过程稳定性对厚度的敏感性迅速增大，焊接质量稳定性降低；采用I型坡口焊缝出现连续汽包或未焊透等缺陷，这是由于待焊焊件厚度超出小孔型等离子弧焊的穿透能力范围，等离子弧不能穿透工件形成小孔，实现稳定焊接，焊接过程稳定性和焊接接头质量不能有效保证。

因此，研究设计适用于11～30mm厚工业纯钛板小孔型等离子弧一次打底穿透并稳定焊接，确保后续封底、填充和盖面焊接的有效进行的坡口结构，实现厚度11～30mm工业纯钛板对接接头的高效高质量焊接，成为工业纯钛板的小孔型等离子弧焊工艺技术研究方向之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术中厚度超过10mm的工业纯钛板，采用小孔型等离子弧焊工艺方法进行焊接的缺点；即，小孔型等离子弧的参数对厚度的敏感度增加，稍有变化会造成焊接过程稳定性降低，常出现未焊透、气泡等缺陷，焊接质量显著下降；当采用大钝边(钝边尺寸7-9mm)V型坡口时，按照钝边尺寸设定等离子弧焊焊接参数时，小孔型等离子弧稍偏离焊缝中心，坡口角度存在，实际焊接厚度增加，与所设定焊接参数的焊接厚度不匹配，可能会出现小孔型等离子弧无法形成小孔，造成气孔或未焊透缺陷，焊接过程及质量稳定性也会受到严重影响的问题。

本发明的目的是，针对厚度11～30mm I型坡口工业纯钛板对接接头无法采用小孔型等离子弧焊高效高质量完成问题进行研究，设计适用于厚度11～30mm工业纯钛板的小孔型等离子弧焊高效高质量焊接的对接坡口结构以及工艺方法。

为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种厚度为11～30mm工业纯钛板的焊接工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)准备两块厚度L＝11～30mm待焊接的工业纯钛板；

2)将步骤1中的两块待焊接工业纯钛板的焊接边均加工成直边；

3)在步骤2中的直边上加工出7.5～8.5mm的钝边L₁；

4)在步骤3中的钝边L₁上加工出3～4mm的钝边直边L₂；

5)将步骤4中的两块待焊接工业纯钛板的焊接边上除去钝边L₁的部分L₃加工出坡口，即坡口深度为L₃；坡口面角度A为13°～17°；

6)将步骤5中的两块待焊接工业纯钛板的焊接边进行对接焊接，且此两块待焊接工业纯钛板的焊接边之间留有0.3-0.7mm的间隙L₄；

7)对步骤6中的两块待焊接工业纯钛板进行焊接；

7.1、当坡口深度L₃≤6mm时，采用小孔型等离子弧焊工艺方法从钝边侧或者坡口侧均可以开始进行打底焊接，然后采用钨极氩弧焊工艺方法或者其他的焊接方法进行封底、填充和盖面，完成两块工业纯钛板的焊接；

7.2、当坡口深度L₃＞6mm时，采用小孔型等离子弧焊工艺从钝边侧开始进行打底焊接，然后采用钨极氩弧焊工艺方法或者其他的焊接方法进行封底、填充和盖面，完成两块工业纯钛板的焊接。

本发明中所述的小孔型等离子弧焊工艺方法为现有技术中的工艺方法，其具体的方法步骤本发明不作详细的说明。

本发明焊接工艺方法设计7.5～8.5mm的钝边L₁尺寸，是适应小孔型等离子弧焊单面焊双面成型要求；其具体的好处是，小孔型等离子弧焊主要利用等离子弧一次穿透工件厚度形成小孔实现单面焊双面成型，小孔型等离子弧焊能一次穿透10mm的I型对接接头焊接，实现工业纯钛板高效高质量焊接，焊接过程稳定，质量优异。但小孔型等离子弧的穿透能力受材质导热性能、比热容及施焊部位厚度的影响，在材质相同的情况下，施焊厚度成为影响焊缝质量的重要因素，即小孔型等离子弧的穿透能力具有一定的能力范围，超过其范围，不能形成小孔，如此可已看出，一定的小孔型等离子弧的热输入匹配一定的焊接厚度，若存在不匹配，将出现焊接过程不稳定，造成未焊透、气孔等缺陷。从长期实践来看，小孔型等离子弧焊焊接厚度超过10mm工业纯钛板，随着厚度增加，受等离子弧的穿透能力限制，散热条件改善，小孔型等离子弧焊接稳定性降低；因此，工业纯钛板以厚度10mm以下是其稳定焊接范围值，考虑等小孔型离子弧一次穿透能力；以10mm小孔型等离子弧焊为11～30mm工业纯钛板钝边尺寸设计的参考，同时厚度增大引起的热损失，钝边L₁尺寸设计为8mm，考虑加工偏差及厚度对同一参数小孔型等离子弧的适应性，选用7.5～8.5mm作为钝边加工值。

本发明中设计的3～4mm的钝边直边L₂，即在坡口根部设计直边，确保小孔型等离子弧打底焊接过程中，小孔型等离子弧焊的等离子弧偏离坡口中心时，不会造成焊接过程不稳定；其具体的是：对于小孔型等离子弧焊，一定等离子弧能量匹配一定工业纯钛板焊件厚度，焊件厚度增加时，将无法形成穿透性小孔，形成未焊透或气孔等缺陷；当小孔型等离子弧焊接大钝边(7～9mm)Y型坡口结构接头时，焊接过程中，出现等离子弧向左或向右偏离坡口中心时，焊接厚度增加，小孔型等离子弧的穿透能力及焊接稳定性将受到影响，出现焊缝质量问题。因此，设计坡口根部的钝边直边L₂来保持焊接过程中等离子弧与厚度的匹配性，防止偏移后，焊接厚度增加，造成焊接过程不稳定。小孔型等离子弧直径在2～3mm，当小孔型等离子弧偏离坡口中心±1.0mm时，小孔型等离子弧能保持焊透，不影响焊接质量，根据测定等离子弧焊接正面焊缝宽度为4～6mm宽，如此综合考虑，坡口根部设计出每侧3mm的根部直边宽度，考虑加工及焊接要求，设定正偏差为1mm，负偏差为1mm。从而确保小孔型等离子弧焊接过程中钝边厚度的一致性，保证小孔型等离子弧能稳定的形成小孔，单面焊双面成型的焊接过程稳定。

本发明中设计的坡口面角度A为13°～17°，减少加工量和焊材填充量，同时确保后续焊接有效进行；其具体的是：采用8mm钝边L₁，坡口根部带3mm钝边直边L₂的Y型坡口结构。设定母材厚度为L，当采用小孔型等离子弧打底完成单面焊双面成型后，8mm钝边L₁之外L-8mm母材厚度，不能采用小孔型等离子弧焊进行填充焊接，需要采用钨极氩弧焊或其它适宜的焊接方法添加焊接材料填充焊接完成。当坡口面角度为0°时，坡口侧形成矩形截面，矩形截面6mm宽，随着剩余母材厚度L-8mm增加，矩形截面深度增加，后续焊接方法电弧可达性受到影响，造成矩形截面根部直角处未熔合等缺陷。为了适于后续钨极氩弧焊或其他适当方法进行封底、填充和盖面的有利进行，需要设计角度，确保焊接电弧的可达性，结合后续采用的焊接工艺方法(包括钨极直径、电弧长度、钨极伸出瓷嘴长度、焊接过程中的保护效果等)，从填充金属量和工作量等因素综合考虑，将超过钝边厚度的其余L-8mm母材厚度设计为坡口面角度15°，考虑加工偏差及焊接要求，将坡口面角度A设计为13°～17°。

本发明的厚度11～30mm工业纯钛板坡口结构设计完成后，为了保证焊接质量，需要考虑小孔型等离子弧焊的焊接顺序问题；小孔型等离子弧是一种压缩电弧，随着等离子喷嘴到工件距离增加，等离子弧的挺度受到影响，一般喷嘴到焊接表面距离为3-8mm，距离越大，电弧的穿透能力将受到一定影响。从稳定焊接质量，保证焊透的条件出发，11～30mm工业纯钛板对接焊接需要随焊件厚度变化，考虑焊接顺序问题，即：(1)当坡口深度L₃＝L-8mm＞6mm,即焊件总厚度L＞14mm时，从钝边侧采用小孔型等离子弧焊打底焊接均可，然后从坡口侧采用钨极氩弧焊或其它适当的焊接工艺方法进行封底、填充和盖面焊接，最终完成焊接接头；(2)当坡口深度L₃＝L-8mm≤6mm时，可采用小孔型等离子弧焊从坡口侧或钝边侧任一一侧均可进行打底焊接，然后从坡口侧采用钨极氩弧焊或其它适当的焊接方法进行封底、填充和盖面焊接，最终完成焊接接头。

本发明与现有技术相比的优点：

1、在研究小孔型等离子弧焊穿透能力和工业纯钛板焊接特点基础上，从钝边尺寸、坡口根部的钝边直边及坡口角度方面考虑，设计了适用于厚度11～30mm工业纯钛板小孔型等离子弧打底，钨极氩弧焊或其它适当焊接工艺方法封底、填充和盖面的大钝边、坡口根部的钝边直边、小角度坡口角度的对接坡口结构。

2、将本发明的焊接工艺方法应用于厚度11mm～30mm工业纯钛板对接焊缝焊接制造领域；坡口采用机加工完成，按工业纯钛板焊接要求进行焊前清理，组对质量按常规小孔型等离子弧焊的组对要求进行，即错边量控制在±0.5mm，间隙控制在±0.5mm，采用99.99％Ar作为等离子气和保护气，采用小孔型等离子弧焊按照上述焊接顺序进行焊接，并采用钨极氩弧焊或适当的焊接工艺方法进行封底、填充和盖面焊接，完成厚度11～30mm工业纯钛板对接焊缝的产品焊接，焊后进行外观和射线检测，焊接质量完全满足要求。

3、采用本发明的焊接工艺方法与普通钨极氩弧焊相比，坡口加工时间可节约50％，材料消耗可减少40％，生产效率可提高40％，实现厚度11～30mm工业纯钛板对接焊缝的高效高质量低成本焊接。

附图说明

图1是实施例中两块待焊接工业纯钛板的焊接边均加工成直边的结构示意图。

图2是实施例中两块待焊接工业纯钛板的直边加工出钝边的结构示意图。

图3是实施例中两块待焊接工业纯钛板的钝边加工出钝边直边的结构示意图。

图4是实施例中两块待焊接工业纯钛板的焊接边加工出坡口的结构示意图。

图5是实施例中两块待焊接工业纯钛板的焊接边进行对接焊接且留有间隙的结构示意图。

图6是实施例1中从坡口侧进行打底焊接的结构示意图。

图7是实施例1中从钝边侧进行打底焊接的结构示意图。

图8是实施例2中从钝边侧进行打底焊接的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图1-图8和具体实施方式做进一步的描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，本申请以两块厚度L＝14mm的工业纯钛板T，T’为例，具体说明本发明的焊接工艺方法；包括如下步骤：

1)准备两块厚度L＝14mm待焊接的工业纯钛板T，T’；

2)将步骤1中的两块待焊接工业纯钛板T，T’的焊接边均加工成直边；如图1所示。

3)在步骤2中的直边上加工出8mm的钝边L₁；如图2所示。

4)在步骤3中的钝边L₁上加工出3mm的钝边直边L₂；如图3所示。

5)将步骤4中的两块待焊接工业纯钛板的焊接边上除去钝边L₁的部分L₃加工出坡口，即坡口深度为L₃；坡口面角度A为15°；如图4所示。

6)将步骤5中的两块待焊接工业纯钛板的焊接边进行对接焊接，且此两块待焊接工业纯钛板的焊接边之间留有0.5mm的间隙L₄；如图5所示。

7)对步骤6中的两块待焊接工业纯钛板进行焊接；坡口深度L₃＝6mm，采用小孔型等离子弧焊工艺方法从坡口侧开始进行打底焊接，然后采用钨极氩弧焊工艺方法或者其他的焊接方法进行封底、填充和盖面，完成两块工业纯钛板的焊接；如图6所示。如图6中的1表示小孔型等离子弧焊打底焊道；2表示封底焊道；3表示填充焊道；7表示盖面焊道。

对本实施例中的步骤7还可以采用如下的焊接顺序进行：采用小孔型等离子弧焊工艺方法从钝边侧开始进行打底焊接，然后采用钨极氩弧焊工艺方法或者其他的焊接方法进行封底、填充和盖面，完成两块工业纯钛板的焊接；如图7所示。如图7中的1表示小孔型等离子弧焊打底焊道；2表示封底焊道；3表示填充焊道；7表示盖面焊道。

实施例2，本申请以两块厚度L＝20mm的工业纯钛板为例，具体说明本发明的焊接工艺方法；包括如下步骤：

1)准备两块厚度L＝20mm待焊接的工业纯钛板；

2)将步骤1中的两块待焊接工业纯钛板的焊接边均加工成直边；如图1所示。

3)在步骤2中的直边上加工出8mm的钝边L₁；如图2所示。

4)在步骤3中的钝边L₁上加工出3mm的钝边直边L₂；如图3所示。

5)将步骤4中的两块待焊接工业纯钛板的焊接边上除去钝边L₁的部分L₃加工出坡口，即坡口深度为L₃；坡口面角度A为15°；如图4所示。

6)将步骤5中的两块待焊接工业纯钛板的焊接边进行对接焊接，且此两块待焊接工业纯钛板的焊接边之间留有0.5mm的间隙L₄；如图5所示。

7)对步骤6中的两块待焊接工业纯钛板进行焊接；坡口深度L₃＝12mm，采用小孔型等离子弧焊工艺方法从钝边侧开始进行打底焊接，然后采用钨极氩弧焊工艺方法或者其他的焊接方法进行封底、填充和盖面，完成两块工业纯钛板的焊接；如图8所示。如图8中的1表示小孔型等离子弧焊打底焊道；2表示封底焊道；3-6表示填充焊道；7-8表示盖面焊道。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种厚度为11～30mm工业纯钛板的焊接工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)准备两块厚度L＝11～30mm待焊接的工业纯钛板；

2)将步骤1中的两块待焊接工业纯钛板的焊接边均加工成直边；

3)在步骤2中的直边上加工出7.5～8.5mm的钝边L₁；

4)在步骤3中的钝边L₁上加工出3～4mm的钝边直边L₂；

5)将步骤4中的两块待焊接工业纯钛板的焊接边上除去钝边L₁的部分L₃加工出坡口，即坡口深度为L₃；坡口面角度A为13°～17°；

6)将步骤5中的两块待焊接工业纯钛板的焊接边进行对接焊接，且此两块待焊接工业纯钛板的焊接边之间留有0.3-0.7mm的间隙L₄；

7)对步骤6中的两块待焊接工业纯钛板进行焊接；

7.1、当坡口深度L₃≤6mm时，采用小孔型等离子弧焊工艺方法从钝边侧或者坡口侧均可以开始进行打底焊接，然后采用钨极氩弧焊工艺方法或者其他的焊接方法进行封底、填充和盖面，完成两块工业纯钛板的焊接；

7.2、当坡口深度L₃＞6mm时，采用小孔型等离子弧焊工艺从钝边侧开始进行打底焊接，然后采用钨极氩弧焊工艺方法或者其他的焊接方法进行封底、填充和盖面，完成两块工业纯钛板的焊接。