CN106181086A - 一种钛‑钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接系统及方法 - Google Patents

一种钛‑钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛‑钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接系统及方法，包括基座、弧形钛板、铝箔、绝缘箔、开关、电容器组及若干支撑架；预对接钛‑钢复合板由复板及基板组成，基板及复板依次位于基座上，复板的中部开设有坡口，基板上表面的中部为圆弧面，弧形钛板通过支撑架固定于复板的上表面上，绝缘箔及铝箔均为圆弧形结构，且绝缘箔及铝箔依次设于弧形钛板上，铝箔、绝缘箔、弧形钛板及复板上的坡口均正对基板上的圆弧面，电容器组的正负极经开关分别与弧形钛板的两端相连接，该系统及方法能够有效的解决钛‑钢复合板对接焊时焊缝区Ti‑Fe金属间化合物脆性相多、接头脆性大、力学性能差的问题。

Description

一种钛-钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接系统及方法
技术领域
本发明属于材料加工领域，涉及一种钛-钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接系统及方法。
背景技术
钛以其优异的耐腐蚀性、较高的比强度、高低温范围内性能稳定等诸多优点被广泛应用于工业领域。但是钛在矿石中与氧原子结合紧密，增加了提炼难度，冶炼成本高，一定程度上减少了钛的工业应用。而钢是最常用的结构材料，其力学性能、焊接性、热稳定性好，价格低廉，但是钢铁的耐腐蚀性能远不如钛或钛合金，且钢的密度较大。但钢相对于钛有更高的强度并且具有价格优势，因此，将钛和钢相结合得到钛钢复合材料，兼具钛及钛合金耐腐蚀好、比强度高、钢的高强度和价格低廉的特点，在工程领域有更广阔的应用前景，尤其是对于结构件中，用部分钢取代钛，以满足强度要求，可降低生产成本。
尽管钛-钢复合材料有其优越性，但在结构制造中，两种不同的材料属性也给其焊接成型方法带来了问题。钛和钢在热力学性能、物理化学性能等方面存在巨大差异。根据钛-铁二元相图，室温下铁在钛中的溶解度极低，仅为0.05％～0.1％左右，超出溶解度后，开始有金属间化合物TiFe和Ti2Fe形成，两者的硬度分别约为600HV和1000HV，这些金属间化合物非常脆，易导致接头发生脆性断裂，此外两种材料之间的热应力失配也是导致开裂的另一个重要因素。
针对以上问题，国内学者对钛-钢复合板对接焊展开了大量研究。西安理工大学褚巧玲等人使用TIG填丝对接焊CP-Ti/Q345复合板，焊丝为Cu/V焊丝。焊后发现接头存在大量裂纹和缺陷：V/Ti界面有未焊透缺陷；Cu/V和CP-Ti/Q345/V存在大量裂纹；CP-Ti/Q345/V结合界面可观察到TiFe脆性相，以上缺陷均致使钛-钢复合板对接焊接头产生应力集中，力学性能下降。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种钛-钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接系统及方法，该系统及方法能够有效的解决钛-钢复合板对接焊时焊缝区Ti-Fe金属间化合物脆性相多、接头脆性大、力学性能差的问题。
为达到上述目的，本发明所述的钛-钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接系统包括基座、弧形钛板、铝箔、绝缘箔、开关、电容器组及若干支撑架；
预对接钛-钢复合板由复板及基板组成，基板及复板依次位于基座上，复板的中部开设有坡口，基板上表面的中部为圆弧面，弧形钛板通过支撑架固定于复板的上表面上，绝缘箔及铝箔均为圆弧形结构，且绝缘箔及铝箔依次设于弧形钛板上，铝箔、绝缘箔、弧形钛板及复板上的坡口均正对基板上的圆弧面，电容器组的正负极经开关分别与弧形钛板的两端相连接。
支撑架的数目为四个。
本发明所述的钛-钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接方法包括以下步骤：
1)制备弧形钛板、圆弧形结构的绝缘箔及铝箔，再在复板的中部加工坡口，并将基板上表面的中部加工为圆弧面，再打磨所述坡口、圆弧面及弧形钛板，去除坡口、圆弧面及弧形钛板表面的氧化物；
2)将基板及复板依次置于基座上，再将弧形钛板通过支撑架固定于复板上，再将绝缘箔及铝箔依次置于弧形钛板上，使绝缘箔、铝箔、弧形钛板及复板上的坡口均正对基板上的圆弧面，然后将电容器组的正负极通过开关与铝箔的两端相连接；
3)闭合开关，电容器组输出的瞬间电流使铝箔气化产生冲击力，驱使弧形钛板与基板上的圆弧面及复板上的坡口发生撞击，形成冶金结合，然后再打磨复板的上表面，完成钛-钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接。
其特征在于：基板的材质为合金钢或不锈钢。
复板的材质为TA1纯钛或TA2纯钛，复板的厚度小于等于2mm。
支撑架的高度根据钛-钢复合板与弧形钛板之间形成的弧形焊缝决定，支撑架的高度为1-3mm。
电容器组输出的瞬间电流的电流峰值为100KA-140KA、电压峰值为7KV-10KV。
铝箔1的厚度为0.075mm。
弧形钛板撞击到预对接钛-钢复合板之前的飞行速度为500m/s-600m/s，飞行时间为10μs-20μs。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的钛-钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接系统及方法在具体操作时，通过电容器组输出瞬间电流，并通过瞬间电流使铝箔气化产生冲击力，再通过该冲击力推动弧形钛板与基板上的圆弧面及复板上的坡口进行撞击，形成冶金结合，由于电容器组输出的瞬间电流较大，弧形钛板在冲击预对接钛-钢复合板之前的速度较大，从而使冲击后形成的钛-钢复合板对接焊时焊缝区Ti-Fe金属间化合物脆性相少，接头脆性小，力学性能优良，腐蚀寿命长，可以通过依次电熔爆焊完成钛-钢复合板的焊接。
附图说明
图1为本发明的正视图；
图2为本发明的结构示意图。
其中，1为铝箔、2为绝缘箔、3为弧形钛板、4为支撑架、5为弧形焊缝、6为钛-钢复合板、7为基座、8为电容器组。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的钛-钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接系统包括基座7、弧形钛板3、铝箔1、绝缘箔2、开关、电容器组8及若干支撑架4；预对接钛-钢复合板6由复板及基板组成，基板及复板依次位于基座7上，复板的中部开设有坡口，基板上表面的中部为圆弧面，弧形钛板3通过支撑架4固定于复板的上表面上，绝缘箔2及铝箔1均为圆弧形结构，且绝缘箔2及铝箔1依次设于弧形钛板3上，铝箔1、绝缘箔2、弧形钛板3及复板上的坡口均正对基板上的圆弧面，电容器组8的正负极经开关分别与弧形钛板3的两端相连接；支撑架4的数目为四个。
本发明所述的钛-钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接方法包括以下步骤：
1)制备弧形钛板3、圆弧形结构的绝缘箔2及铝箔1，再在复板的中部加工坡口，并将基板上表面的中部加工为圆弧面，再打磨所述坡口、圆弧面及弧形钛板3，去除坡口、圆弧面及弧形钛板3表面的氧化物；
2)将基板及复板依次置于基座7上，再将弧形钛板3通过支撑架4固定于复板上，再将绝缘箔2及铝箔1依次置于弧形钛板3上，使绝缘箔2、铝箔1、弧形钛板3及复板上的坡口均正对基板上的圆弧面，然后将电容器组8的正负极通过开关与铝箔1的两端相连接；
3)闭合开关，电容器组8输出的瞬间电流使铝箔1气化产生冲击力，驱使弧形钛板3与基板上的圆弧面及复板上的坡口发生撞击，形成冶金结合，然后再打磨复板的上表面，完成钛-钢复合板6对接焊缝的电熔爆包覆焊接。
基板的材质为合金钢或不锈钢。
复板的材质为TA1纯钛或TA2纯钛，复板的厚度小于等于2mm。
支撑架4的高度根据钛-钢复合板6与弧形钛板3之间形成的弧形焊缝5决定，支撑架4的高度为1-3mm。
电容器组8输出的瞬间电流的电流峰值为100KA-140KA、电压峰值为7KV-10KV。
铝箔1的厚度为0.075mm。
弧形钛板3撞击到预对接钛-钢复合板6之前的飞行速度为500m/s-600m/s，飞行时间为10μs-20μs。
实施例一
把两块钛-钢复合板6(材质组合为TA1/Cr12MoV，尺寸为200×80×2mm)焊接在一起，焊缝长度为200mm。包覆用的弧形钛板3TA1尺寸为200×40×1mm，把两块预对接的钛-钢复合板6的基板、绝缘箔2和铝箔1加工成与之对应的圆弧形，再在复板的中部形成一定坡口，将基板的圆弧形面和复板的坡口及弧形钛板3用砂纸或抛光轮打磨干净，除去金属表面的氧化物，露出金属光泽。然后将预对接的钛-钢复合板6置于基座7之上，将弧形钛板3通过支撑架4置于基板上圆弧面的上方，支撑架4高度为1.6mm，再将绝缘箔2和铝箔1依次置于弧形钛板3之上，最上层的铝箔1与Maxwell Magneform电容器组8相连，在实现电熔爆焊接前，对铝箔1输入很小的预置电流和电压，开始电熔爆焊接时，将电流突增至120kA，电压增至7kV，铝箔1迅速气化产生驱动力，驱使弧形钛板3和基板包覆成一体，最后使用砂轮将复板上表面打磨光滑平整，获得完全焊透的钛-钢复合板6完整焊接。
实施例二
把两块钛-钢复合板6(材质组合为TA2/1Cr18Ni9Ti，尺寸为150×70×2mm)焊接在一起，焊缝长度为150mm，包覆用的弧形钛板3TA1尺寸为150×35×1mm，把预对接的钛-钢复合板6的基板、绝缘箔2和铝箔1加工成与之对应的圆弧形，再在复板的中部形成一定坡口，将基板的圆弧形面和复板的坡口及弧形钛板3用砂纸或抛光轮打磨干净，除去金属表面的氧化物，露出金属光泽，然后将预对接的钛-钢复合板6置于基座7之上，将弧形钛板3通过支撑架4置于基板的圆弧面上，支撑架4的高度为1mm，再将绝缘箔2和铝箔1依次置于弧形钛板3之上，将铝箔1与Maxwell Magneform电容器组8相连，在实现电熔爆焊接前，对铝箔1输入很小的预置电流和电压，开始电熔爆焊接时，将电流突增至110kA，电压增至7.5kV，铝箔1迅速气化产生驱动力，驱使弧形钛板3和基板包覆成一体，最后使用砂轮将复板上表面打磨光滑平整，获得完全焊透的钛-钢复合板6完整焊接。

Claims (9)

1.一种钛-钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接系统，其特征在于，包括基座(7)、弧形钛板(3)、铝箔(1)、绝缘箔(2)、开关、电容器组(8)及若干支撑架(4)；
预对接钛-钢复合板(6)由复板及基板组成，基板及复板依次位于基座(7)上，复板的中部开设有坡口，基板上表面的中部为圆弧面，弧形钛板(3)通过支撑架(4)固定于复板的上表面上，绝缘箔(2)及铝箔(1)均为圆弧形结构，且绝缘箔(2)及铝箔(1)依次设于弧形钛板(3)上，铝箔(1)、绝缘箔(2)、弧形钛板(3)及复板上的坡口均正对基板上的圆弧面，电容器组(8)的正负极经开关分别与弧形钛板(3)的两端相连接。
2.根据权利要求1所述的钛-钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接系统，其特征在于，支撑架(4)的数目为四个。
3.一种钛-钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接方法，其特征在于，基于权利要求1所述的钛-钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接系统，包括以下步骤：
1)制备弧形钛板(3)、圆弧形结构的绝缘箔(2)及铝箔(1)，再在复板的中部加工坡口，并将基板上表面的中部加工为圆弧面，再打磨所述坡口、圆弧面及弧形钛板(3)，去除坡口、圆弧面及弧形钛板(3)表面的氧化物；
2)将基板及复板依次置于基座(7)上，再将弧形钛板(3)通过支撑架(4)固定于复板上，再将绝缘箔(2)及铝箔(1)依次置于弧形钛板(3)上，使绝缘箔(2)、铝箔(1)、弧形钛板(3)及复板上的坡口均正对基板上的圆弧面，然后将电容器组(8)的正负极通过开关与铝箔(1)的两端相连接；
3)闭合开关，电容器组(8)输出的瞬间电流使铝箔(1)气化产生冲击力，驱使弧形钛板(3)与基板上的圆弧面及复板上的坡口发生撞击，形成冶金结合，然后再打磨复板的上表面，完成钛-钢复合板(6)对接焊缝的电熔爆包覆焊接。
4.根据权利要求1所述的钛-钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接方法，其特征在于，基板的材质为合金钢或不锈钢。
5.根据权利要求1所述的钛-钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接方法，其特征在于，复板的材质为TA1纯钛或TA2纯钛，复板的厚度小于等于2mm。
6.根据权利要求1所述的钛-钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接方法，其特征在于，支撑架(4)的高度根据钛-钢复合板(6)与弧形钛板(3)之间形成的弧形焊缝(5)决定，支撑架(4)的高度为1-3mm。
7.根据权利要求1所述的钛-钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接方法，其特征在于，电容器组(8)输出的瞬间电流的电流峰值为100KA-140KA、电压峰值为7KV-10KV。
8.根据权利要求1所述的钛-钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接方法，其特征在于，铝箔(1)的厚度为0.075mm。
9.根据权利要求1所述的钛-钢复合板对接焊缝的电熔爆包覆焊接方法，其特征在于，弧形钛板(3)撞击到预对接钛-钢复合板(6)之前的飞行速度为500m/s-600m/s，飞行时间为10μs-20μs。
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