CN105798440A - 一种纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材焊接方法 - Google Patents

一种纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材焊接方法，该纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材是由工业纯钛或钛合金板材与碳钢板材通过爆炸+热轧工艺连接在一起且为冶金连接；通过对复合板进行焊接坡口精细设计和加工，结合MAG和TIG熔焊技术，采用喷涂过渡技术进行纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材板板对焊连接；喷涂层成形优良、涂层致密且与下层材料结合力大，起到了很好的冶金过渡连接作用，避免了焊缝中脆硬相的产生；本发明实现了纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材冶金对焊连接的工程化生产，使冶金连接焊缝具有较好的外观形貌和优良的力学性能，同时保证了焊缝的耐腐蚀性能，实现了焊缝的可靠冶金连接。

Description

一种纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材焊接方法
技术领域：
本发明属于复合板材焊接技术领域，具体涉及一种纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材焊接方法。
背景技术：
我国每年因为腐蚀造成的损失影响严重，统计资料表明，2000年以来，我国每年腐蚀损失超过5000亿元，约占国民生产总值的5％，管道腐蚀在其中占到相当比例，并且这个数字还在不断上升。层状结构双金属复合材料可以使强度、熔点、热膨胀系数差异极为悬殊的不同金属实现完美的冶金结合，集不同材料的优点于一身，充分发挥不同材料特性，极大地节约稀贵金属材料，降低设备的制造成本，使稀贵金属在许多领域的应用成为可能。双金属层状结构复合管市场需求较大，今后几年，市场对复合金属管道产品的需求将快速增加，仅我国石油工业年消耗石油钢管100余万吨，耗资100多亿元，其中50％以上的石油钢管基本处于强腐蚀环境中使用，即石油行业防腐管道的市场容量每年超过50亿元。我国每年的钛材消耗量要大于2000吨，约有99％的用于民用。如果采用钛－钢复合材料代替纯钛材，可节约大量昂贵的钛及钛合金。
由于钛或钛合金具有较高化学活性，在焊接过程中容易吸收有害气体(O，N和H)，并与钢中各元素冶金作用产生脆硬的金属间化合物相(TixFey，CuxTiy和易碎的TiC)，导致焊缝出现较低的力学性能(包括抗拉强度、延展性和塑韧性等)和不稳定的组织特征。众所周知，由于钛和钢的冶金不相容性，直接熔焊对于钛/钢的焊接是不可行的。因此，采用中间过渡材料来避免易碎和脆硬金属间化合物的产生是一种有效方法。从冶金作用产物考虑，V是唯一能与Ti和Fe都能形成固溶体，而非金属间化合物的金属元素，但其易与钢中的C等元素形成硬脆的VC，因此，将其作为过渡层靠近Ti，阻隔Ti与钢中的Fe作用，生成脆硬金属间化合物相。而Cu是非碳化物形成元素，能与V及钢中各元素形成固溶体，而非金属间化合物。Cu作为过渡层材料可以阻隔V与钢中的C相遇，靠近基层钢。下表1给出了Ti、V、Cu和Fe的物理、化学特性。由于4种元素物理、化学特性差异显著，故而对焊接过程各层熔覆量控制和焊接参数匹配提出了挑战。因此，本发明对上述问题的解决将更有优势，且效能俱佳。
表1Fe,Cu,V和Ti的物理、化学性质
注:Mp—熔点,Sh—比热容,Tc—热导率,Lec—线膨胀系数,An—原子序数,Aw—原子量,Ar—原子半径
发明内容：
为了克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材焊接工艺，本发明的焊接工艺能够避免层间脆硬金属间化合物TixFey、CuxTiy、TiC和VC等的产生，实现纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材的有效对焊连接，保证焊缝的焊接质量和优良的综合力学性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材焊接方法，具体步骤为：
步骤1：层状复合板材的制备
由工业纯钛或钛合金和碳钢经过爆炸+热轧工艺制备层状复合板材，纯钛或钛合金层与碳钢层为冶金连接，工业纯钛或钛合金层厚度为1～4mm；
步骤2：坡口设计
纯钛或钛合金层一侧为倒置小梯形形状坡口，其深度为4～5mm，纯钛或钛合金层一侧倒置小梯形形状坡口深度大于纯钛或钛合金层厚度，破口角度为60～70°，宽度为6～8mm；碳钢层一侧为正置大梯形形状坡口，其深度为11～20mm，坡口角度为60～80°，宽度为16～22mm；倒置小梯形形状坡口和正置大梯形形状坡口交汇于碳钢层侧且为平面状或圆弧状过渡；
步骤3：定位点焊
层状复合板材完成坡口加工后，组对的一副层状复合板材从碳钢侧进行每隔500mm进行定位点焊，保证组对层状复合板坡口间有0.8～1.5mm宽的间隙；
步骤4：碳钢层坡口焊接
完成定位点焊的纯钛或钛合金/碳钢复合板材从碳钢一侧采用MAG焊接方法进行多层、多道次小线能量焊接，在碳钢层一侧的破口处形成碳钢层熔敷金属区，焊接过程背面纯钛或钛合金层一侧坡口内及周围10～20mm宽范围进行惰性气体保护；
步骤5：纯钛或钛合金层坡口焊接
碳钢层一侧完成全部焊接后空冷至室温，对纯钛或钛合金层一侧坡口进行清根处理，并保证坡口底部为平面状或圆弧状，抛光并用丙酮和乙醇进行清洗且迅速吹干；
清洗吹干后，纯钛或钛合金层坡口采用冷喷涂技术进行高纯Cu粉末喷涂焊接，Cu粉末颗粒尺寸分布范围为10～50μm，喷涂焊接形成的Cu冷喷涂层厚度与复合板爆炸接合面平齐或超出0～0.5mm，且完全覆盖下层碳钢；
完成Cu粉末喷涂焊接后，对纯钛或钛合金层坡口内钛母材表面进行去Cu处理，然后采用冷喷涂技术进行高纯V粉末的喷涂焊接，V粉末颗粒尺寸分布范围为5～45μm，喷涂焊接形成的V冷喷涂层厚度为0～0.5mm，且完全覆盖于Cu冷喷涂层之上；
完成V冷喷涂层喷涂焊接后，对坡口进行清理，然后采用熔焊技术进行纯钛或钛合金层的填充盖面焊接，在坡口处形成纯钛或钛合金层熔敷金属区，整个焊接过程对焊缝区及附近区域进行惰性气体保护。
上述钛合金为TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、TA8、TA8-1、TA9、TA9-1、TA10、TA11、A15、TA17、TA18、TC1、TC2、TC3、TC4或TC4ELI。
上述碳钢为Q235、Q345、X52、X60、X65、X70、X80、X90或X100碳素结构钢、压力容器钢和管线钢。
上述步骤5中的熔焊技术采用自动或手动TIG。
本发明的有益效果：
本发明采用“倒置小梯形形状和正置大梯形形状”复合特型焊接坡口形式，通过对坡口角度、深度、宽度等尺寸的设计，结合新型冷喷涂技术，采用高纯度Cu、V粉末进行喷涂焊接，并对喷涂层厚度、覆盖情况、结合质量进行有效控制，使两种喷涂过渡层材料能起到很好的阻隔作用，避免层间脆硬金属间化合物TixFey、CuxTiy、TiC和VC等的产生，从而实现纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材的有效对焊连接并保证焊缝具有可靠的焊接质量和优良的综合力学性能。
附图说明：
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地描述。
图1为本发明纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材结构示意图。
图2为本发明纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材焊缝局部放大结构示意图。
附图标记说明：1为纯钛或钛合金层；2为碳钢层；3为纯钛或钛合金层熔敷金属区；4为V冷喷涂层；5为Cu冷喷涂层；6为碳钢层熔敷金属区。
具体实施方式：
参见图1，以爆炸+热轧TA1/X65钛/管线钢复合板为焊接试板，本例中TA1/X65钛/管线钢复合板总厚度为16mm，其中X65碳钢层2一侧厚度为14mm，TA1纯钛层1一侧厚度为2mm。
采用特型复合坡口设计，TA1纯钛层1一侧坡口深度为4～5mm，角度为60～70°，宽度为6～8mm；X65管线碳钢层2一侧坡口角度为60～80°，宽度为16～22mm，其深度为11～20mm。基层X65钢采用MAG焊，用H08Mn2SiA焊丝，形成碳钢层熔敷金属区6；纯Cu冷喷涂层5(纯度≧99.995％)，采用冷喷涂技术；纯V冷喷涂层4(纯度≧99.995％)，亦采用冷喷涂技术；TA1纯钛层1采用TIG焊，用工业纯钛(纯度≧99.999％)TA1焊丝 形成纯钛层熔敷金属区3，主要焊接工艺参数如下表1至表3所示，表4为TA1/X65钛/管线钢复合板焊缝性能测试结果。
表1X65管线钢层一侧焊接试验参数
表2纯钛TA1焊接试验参数
表3纯Cu、V的喷涂参数
表4TA1/X65钛/管线钢复合板焊缝性能测试结果
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出的若干简单推演、替换或变换等都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (5)

1.一种纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材焊接方法，其特征在于：所述焊接方法的具体步骤为：
步骤1：层状复合板材的制备
由工业纯钛或钛合金和碳钢经过爆炸+热轧工艺制备层状复合板材，纯钛或钛合金层(1)与碳钢层(2)为冶金连接，纯钛或钛合金层(1)厚度为1～4mm；
步骤2：坡口设计
纯钛或钛合金层(1)一侧为倒置小梯形形状坡口，其深度为4～5mm；纯钛或钛合金层(1)一侧倒置小梯形形状坡口深度大于纯钛或钛合金层(1)厚度，破口角度为60～70°，宽度为6～8mm；碳钢层(2)一侧为正置大梯形形状坡口，其深度为11～20mm，坡口角度为60～80°，宽度为16～22mm；倒置小梯形形状坡口和正置大梯形形状坡口交汇于碳钢层(2)侧且为平面状或圆弧状过渡；
步骤3：定位点焊
层状复合板材完成坡口加工后，组对的一副层状复合板材从碳钢侧进行每隔500mm进行定位点焊，保证组对层状复合板坡口间有0.8～1.5mm宽的间隙；
步骤4：碳钢层(2)坡口焊接
完成定位点焊的纯钛或钛合金/碳钢复合板材从碳钢一侧采用MAG焊接方法进行多层、多道次小线能量焊接，在碳钢层(2)一侧的破口处形成碳钢层熔敷金属区(6)，焊接过程背面纯钛或钛合金层(1)一侧坡口内及周围10～20mm宽范围进行惰性气体保护；
步骤5：纯钛或钛合金层(1)坡口焊接
碳钢层(2)一侧完成全部焊接后空冷至室温，对纯钛或钛合金层(1)一侧坡口进行清根处理，并保证坡口底部为平面状或圆弧状，抛光并用丙酮和乙醇进行清洗且迅速吹干；
清洗吹干后，纯钛或钛合金层(1)坡口采用冷喷涂技术进行高纯Cu粉末喷涂焊接，Cu粉末颗粒尺寸分布范围为10～50μm，喷涂焊接形成的Cu冷喷涂层(5)厚度与复合板爆炸接合面平齐或超出0～0.5mm，且完全覆盖下层碳钢；
完成Cu粉末喷涂焊接后，对纯钛或钛合金层(1)坡口内钛母材表面进行去Cu处理，然后采用冷喷涂技术进行高纯V粉末喷涂焊接，V粉末颗粒尺寸分布范围为5～45μm，喷涂焊接形成的V冷喷涂层(4)厚度为0～0.5mm，且完全覆盖于Cu冷喷涂层之上；
完成V粉末喷涂焊接后，对坡口进行清理，然后采用熔焊技术进行纯钛或钛合金层(1)的填充盖面焊接，在坡口处形成纯钛或钛合金层熔敷金属区(3)，整个焊接过程对焊缝区及附近区域进行惰性气体保护。
2.如权利要求1所述的纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材焊接方法，其特征在于：所述纯钛或钛合金层为TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、TA8、TA8-1、TA9、TA9-1、TA10、TA11、TA15、TA17、TA18、TC1、TC2、TC3、TC4或TC4ELI。
3.如权利要求1所述的纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材焊接方法，其特征在于：所述碳钢为Q235、Q345、X52、X60、X65、X70、X80、X90或X100碳素结构钢、压力容器钢和管线钢。
4.如权利要求1所述的纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材焊接方法，其特征在于：所述步骤5中的熔焊技术采用自动或手动TIG。
5.如权利要求1所述的纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材焊接方法，其特征在于：所述步骤5中的Cu粉末喷涂焊接的工艺参数为：加速气体压力2.5～3.5MPa，送粉气体压力3.0～4.5MPa，气体加热温度350～450℃，喷涂距离10～20mm；V粉末喷涂焊接的工艺参数为：加速气体压力4.0～5.5MPa，送粉气体压力4.5～6.0MPa，气体加热温度400～650℃，喷涂距离15～20mm。
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