CN107695509A - 基于搅拌摩擦焊/熔焊复合焊的钛钢复合管焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于搅拌摩擦焊/熔焊复合焊的钛钢复合管焊接方法，钛钢复合管的壁厚为30～50mm，钛复合层的厚度为2～3mm；焊接方法包括：首先，在两截钛钢复合管的待焊接处且位于钢管的外表面上加工一圈环形的坡口，依据焊接厚度设计坡口形式和尺寸；然后，将两截钛钢复合管组对和装卡后采用搅拌摩擦焊进行打底焊，最后采用熔焊顺序实施多层多道焊接，完成坡口填充和盖面，从而形成完整的焊接接头。采用本发明焊接方法可以实现对大厚度钛钢复合管的高效、高质连接，获得的焊缝组织均匀、缺陷率低、焊接质量稳定、力学性能优良钛钢复合管对接接头，并且极大地降低焊接生产成本周期。

Description

基于搅拌摩擦焊/熔焊复合焊的钛钢复合管焊接方法

技术领域

本发明涉及一种金属结构焊接及加工制造工程领域，尤其涉及一种基于搅拌摩擦焊/熔焊复合焊的钛钢复合管焊接制造方法。

背景技术

钛钢复合管是指在低碳钢管内部增加一层金属钛，碳钢基材承受载荷，内部具有一定耐腐蚀性能，在海洋工程、核能及发电系统中的脱硫和耐蚀管道、装置中大量应用。由于钛材的密度较低，可在保证复合管道强度和耐腐蚀特性的同时减轻结构重量，替代单一耐腐蚀材料的使用，在一定程度上降低材料成本。目前，实现生产的方法主要有两种：其一在低碳钢板上通过一定的工艺填充一定厚度的金属钛层，然后经过制管工艺流程卷曲成管，再进行熔焊形成；其二，是在已经加工成形的低碳钢管内部通过高温、高压的内涨成型工艺，实现金属钛层与低碳钢管内部的结合。上述两种钛/钢复合管制造方法均存在一定局限性。

采用熔焊焊接钛钢复合管具有一定的局限性，需首先将焊接接头附近一定宽度钛合金复层材料剥离，然后在低碳钢部分开Y形或V形坡口进行对焊，再利用相应尺寸的钛合金条片将剥离区域覆盖，最后焊接钛合金复合层。采用内涨成型工艺，需首先将低碳钢管材部分熔焊连接，然后利用挤压膨胀成型使钛合金与钢管内壁实现连接。上述制造方法效率低、成本高，对钛钢复合管应用形成一定制约。

搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)是一种固相连接技术，主要用于铝及镁合金、铜及钛合金等轻合金的连接，近年来也大量用于管线钢的连接。FSW有传统熔焊方法无法相比的许多优势：如焊接过程不需要坡口准备、填充金属及保护气体；焊接接头质量及力学性能获得明显改善；焊接变形小、缺陷机率低及生产效率高等。利用FSW过程材料流动可控和焊接热输入小的特点，可有效改善钛钢复合管对接中金属间化合物的形成，因此FSW在复合管焊接、生产领域有广泛应用前景。

采用FSW焊接钛钢复合管具有一定的局限性：首先，当焊接母材厚度较大时，实现高质量焊接工艺难度增加，若焊接过程中工艺参数设置不当，容易在FSW焊缝后退侧的过渡角处出现孔洞缺陷；其二，焊接厚度增加导致搅拌头磨损消耗大，目前焊接钢的搅拌头材料主要为PCBN和W-Re合金，生产制造周期长、成本高；第三，当搅拌工具对材料的摩擦搅拌作用不充分时，在接头后退侧的原始接合面上方容易残留未焊合界面，此种缺陷是降低管接头强度最主要原因；第四，由于采用搅拌工具的搅拌头穿透底板壁厚的挤压摩擦加热方式，当底板壁厚增大时很难实现大厚度一次焊接成形。此外，由于焊接材料厚度较大，需要设备具有较大承载力和功率，对焊接设备性能要求较高。

由此可见，采用单一熔焊或FSW方法很难实现大厚度钛钢复合管的连接，焊接制造成本较高、缺陷率高，导致接头力学性能降低、产品质量下降。受此限制，目前在工业领域中尚不能实现大厚度钛钢复合管的高效、高质焊接制造。

发明内容

针对大厚度钛钢复合管焊接局限性，本发明提出了一个新的解决方案，即一种基于搅拌摩擦焊/熔焊复合焊的钛钢复合管焊接方法，主要包括坡口设计与加工、FSW打底焊接、熔焊工艺填充盖面。本发明坡口形式是带有一定高度和宽度“平台”，减小了搅拌摩擦焊打底所需的焊接厚度，简化了焊接工艺，降低对FSW设备的要求，可实现对焊缝塑形流动的控制、抑制金属间化合物形成、并优化焊缝的性能。熔焊工艺填充焊道并盖面，合理设计焊道层次、焊缝参数以及合理设计焊接参数，可以实现钛钢复合管高质量、高效率焊接。采用本发明提出的搅拌摩擦焊/熔焊复合焊接工艺方法，在保证搅拌摩擦焊焊接接头优势基础上，可解决产生效率低、焊接成本高、易出现焊接缺陷和对焊接设备要求高等局限，可实现钛钢复合管管-管对接可靠连接，并且提高焊接质量、降低焊接成本和降低了焊接工艺的难度。

为了解决上述问题，发明提出一种基于搅拌摩擦焊/熔焊复合焊的钛钢复合管焊接方法，待焊接的钛钢复合管包括钢管，所述钢管的内表面设有钛复合层，所述钛钢复合管的壁厚为30～50mm，所述钛复合层的厚度为2～3mm；并包括以下步骤：

步骤一、在两截钛钢复合管的待焊接处且位于钢管的外表面上加工一圈环形的坡口，所述坡口沿钢管的径向截面的形状为一梯形槽，该梯形槽的开口宽度为D2，该梯形槽的底部宽度为D1，D1＝15～25mm，D2＝2×D1；所述梯形槽的两个侧面对称于连接处截面；所述梯形槽的底部与所述钛复合层的内表面之间的距离为H2，H2＝5～10mm；

步骤二、将两截钛钢复合管组对和装卡后采用搅拌摩擦焊进行打底焊，

步骤三、熔焊多层多道填充、盖面：搅拌摩擦焊打底焊接后，将焊缝表面进行清理后采用MIG熔焊、MAG熔焊和TIG熔焊中的一种，顺序实施多层多道焊接，完成坡口填充和盖面，从而形成完整的焊接接头。

进一步讲，步骤二中，搅拌摩擦焊的焊接转速为200～400rpm，优选的为300rpm；焊接速度为60～80mm/min，优选的为60mm/min

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出一种基于搅拌摩擦焊/熔焊复合焊的大厚度钛钢复合管焊接方法，依据焊接厚度设计坡口形式和尺寸，采用搅拌摩擦焊进行打底焊接，采用熔焊焊接方法进行多层多道焊接填充坡口和盖面，从而实现钛钢复合管的高效、高质连接，进而获得焊缝组织均匀、缺陷率低、焊接质量稳定、力学性能优良钛钢复合管对接接头，并且极大地降低焊接生产成本周期。相比单一熔焊或搅拌摩擦焊技术，本发明提出的焊接方法在大厚度钛钢复合管焊接方面具有以下优势：

1)采用FSW进行打底焊接，可有效避免金属间化合物的形成。其后，熔焊填充坡口时尽量降低热输入和焊接峰值温度，使金属间化合物形成得到抑制，从而提高接头性能和成品率；

2)将焊接母材加工成带“平台”的坡口形式，减小了FSW焊接厚度、简化了焊接工艺，可以有效的避免由于厚度大带来的焊接缺陷率高、设备载荷大等问题，充分地发挥FSW优势；

3)与单独采用FSW焊接相比，采用本发明的复合焊接方法时，搅拌头磨损较小，减少了FSW工装夹具的安装拆卸时间，极大的缩短了焊接生产周期，降低了焊接成本；

4)通过坡口设计使用FSW打底焊，焊接设备承载力变小，降低了对设备的要求，采用熔焊填充坡口和盖面，有效提高生产效率和降低生产成本。

附图说明

图1是本发明中钛钢复合管组对和复合焊接示意图；

图2是本发明中设计的带平台的坡口的结构示意图；

图3是本发明中搅拌摩擦焊打底焊接示意图；

图4是本发明中多层多道焊坡口填充和盖面的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1所示，本发明提出一种基于搅拌摩擦焊/熔焊复合焊的钛钢复合管焊接方法，待焊接的钛钢复合管10包括钢管11，所述钢管11的内表面设有钛复合层12，所述钛钢复合管10的壁厚为30～50mm，所述钛复合层12的厚度为2～3mm；搅拌头50和焊枪40固定于钛钢复合管10的上方，采用钛钢复合管10转动的方式进行焊接。本发明焊接方法的设计思路是：钛钢复合管加工坡口后进行组对和装卡，利用搅拌摩擦焊实施打底焊，打底完成后采用熔焊实现坡口填充和盖面。具体步骤如下：

步骤一、实施焊接前，首先将复合管待焊位置加工成带有一定高度的“平台”的V形坡口，如图2所示，即在两截钛钢复合管10的待焊接处且位于钢管11的外表面上加工一圈环形的坡口30，所述坡口30沿钢管11的径向截面的形状为一梯形槽，所述梯形槽的两个侧面对称于连接处截面；所述梯形槽的底部与所述钛复合层12的内表面之间的距离为H2，H2＝5～10mm，若复层材料厚度增加，则应减小H1，但将H2的总高度仍然控制在5mm～10mm范围内；该梯形槽的底部宽度为D1，即“平台”的宽度D1可根据H2设定，推荐范围为15～25mm，随H2增加D1也应适当增加，该梯形槽的开口宽度D2尺寸根据实际待焊复合管钢管11的厚度确定，建议D2＝2×D1。

步骤二、在加工完成带“平台”的V形坡口后，将焊接位置进行打磨处理，以去除氧化膜和夹杂物，保证待焊处清洁；将两截钛钢复合管10组对和装卡后采用搅拌摩擦焊进行打底焊，搅拌摩擦焊过程中，如图3所示，搅拌针51穿透钢管11和钛复合层12，通过夹具将钛钢复合管10固定，搅拌头50以钛钢复合管10的轴心为圆心环绕运动实施全位置焊接，如图1所示；在保证焊接质量的情况下，尽量采用较低的焊接热输入(提高焊接速度和降低焊接转速)，以减少金属间化合物形成；本发明中建议搅拌摩擦焊的焊接转速为200～400rpm，焊接速度为60～80mm/min。优选的焊接参数是焊接转速为300rpm，焊接速度为60mm/min。

步骤三、搅拌摩擦焊打底后，需将焊缝表面进行必要的清理后，便可采用MIG、MAG和TIG焊中的一种焊接方法，进行多层多道熔焊填充、盖面：如图4所示，顺序实施多层多道焊接，完成坡口30的填充和盖面，从而形成完整的焊接接头。具体熔焊方法应根据基材合金成分、热处理状态和接头性能等要求选取。第一层(图4中的附图标记1、2和3所示)第一道(图4中的附图标记1所示)焊缝必须沿坡口边缘进行，并且第一层第一道次(图4中的附图标记1所示)焊接的焊缝位置和尺寸应为第二道次(图4中的附图标记2所示)焊接留有合理的余量，第二道次焊接的焊缝应符合焊接接头设计的基本要求；继续填充焊道，形成多层多道焊缝，最终进行盖面(图4中的附图标记6、7和8所示)。首层熔焊推荐采用TIG以降低热输入，后续填充可采用MIG以提高效率。

根据相关要求，对焊接工件进行去除飞边、去毛刺、矫形、去应力等焊后处理；根据焊接接头质量检测的相关要求，检验管-管对接接头的焊接质量，着重对孔洞缺陷的检测；管-管对接接头的各项性能和指标满足使用要求后，交付使用。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种基于搅拌摩擦焊/熔焊复合焊的钛钢复合管焊接方法，待焊接的钛钢复合管(10)包括钢管(11)，所述钢管(11)的内表面设有钛复合层(12)，所述钛钢复合管(10)的壁厚为30～50mm，所述钛复合层(12)的厚度为2～3mm；其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在两截钛钢复合管(10)的待焊接处且位于钢管(11)的外表面上加工一圈环形的坡口(30)，所述坡口(30)沿钢管(11)的径向截面的形状为一梯形槽，该梯形槽的开口宽度为D2，该梯形槽的底部宽度为D1，D1＝15～25mm，D2＝2×D1；所述梯形槽的两个侧面对称于连接处截面；所述梯形槽的底部与所述钛复合层(12)的内表面之间的距离为H2，H2＝5～10mm；

步骤二、将两截钛钢复合管(10)组对和装卡后采用搅拌摩擦焊进行打底焊，

步骤三、熔焊多层多道填充、盖面：搅拌摩擦焊打底焊接后，将焊缝表面进行清理后采用MIG熔焊、MAG熔焊和TIG熔焊中的一种，顺序实施多层多道焊接，完成坡口(30)填充和盖面，从而形成完整的焊接接头。

2.根据权利要求1所述基于搅拌摩擦焊/熔焊复合焊的钛钢复合管焊接方法，其特征在于，步骤二中，搅拌摩擦焊的焊接转速为200～400rpm，焊接速度为60～80mm/min。

3.根据权利要求2所述基于搅拌摩擦焊/熔焊复合焊的钛钢复合管焊接方法，其特征在于，步骤二中，搅拌摩擦焊的焊接转速为300rpm，焊接速度为60mm/min。