CN109048012A - 一种钛钢复合板的焊接方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种钛钢复合板的焊接方法及其应用，涉及金属复合材料的焊接技术领域。通过如下钛钢复合板的焊接方法进行焊接：采用钒/铌或其合金作为中间过渡层，依次焊接钛履层、中间过渡层以及钢基层；其中，钛履层采用I型坡口等离子焊接方法进行焊接，钢基层采用机械加工开坡口熔化极气体保护焊方法进行焊接。焊缝成形美观且焊接接头无未熔合现象，可实现钛钢复合板的高质量焊接。
Description
技术领域
本发明涉及金属复合材料的焊接技术领域，且特别涉及一种钛钢复合板的焊接方法及其应用。
背景技术
金属层状复合板可以使强度、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体，充分发挥不同材料的使用特性，大大节约稀贵金属材料，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。金属复合板既具有碳钢良好的可焊性、成形性、导热性及较好的力学性能，又具有各种复层优良的耐腐蚀性能。所以被广泛用于石油、化工、冶金、轻工、盐化工、电站辅机、海水淡化造船、电力及海洋工程等行业。且由于在这些行业中使用复合板的构件逐渐变多，复合板的焊接问题急需得到解决。
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性高等特点而被广泛应用于各个领域。但由于钛具有高熔点，热熔大，导热性差以及化学活性高等特殊性质，它的焊接性能远不及钢材的焊接性能，极易氧化、氮化、脆化。常见的焊接缺陷主要有3种：接头脆化、裂纹、气孔。C，H，O，N常作为杂质元素出现在钛合金中，这些元素本身以及它们的化合物的出现将会严重影响钛的力学和耐蚀性能。在常温下，钛及钛合金能与氧生成致密的氧化膜而保持高的稳定性和耐蚀性。然而，随着温度的升高，钛及钛合金吸收氧、氮及氢的量明显增加，钛从250℃开始吸收氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮。氢会导致钛的塑性与韧性降低，发生氢脆。在冷却时，焊缝中的氢来不及逸出会产生气孔，故一般要求钛材中氢含量低于0.15％。钛在600℃以上与氧、氮化合，使焊接接头的塑性韧性下降，引起气孔和裂纹。钛还极易与碳反应生成脆性的碳化物，降低塑性并影响焊接工艺可靠性。
异种金属间的焊接主要取决于他们的物理性能和化学结晶性能的差异。钢和钛的密度，线膨胀系数和热导率相差都比较大，容易引起不宜消除的热应力，会产生很大的焊接变形。并且由钛钢二元相图可知，铁在α-Ti中溶解度极低，常温下为0.05％～0.1％。当Fe含量超过0.1％，则会产生金属间化合物TiFe和TiFe2。金属间化合物是脆性相，焊缝强度得到提高，但是塑性会急剧下降，对焊缝的力学性能产生负面影响。
由于钛和铁之间易形成TiFe和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焊接参数选择才能实现钛履层和钢履层的互不熔合，即钛和钛，钢和钢各自进行焊接。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钛钢复合板的焊接方法，此钛钢复合板的焊接方法采用钒/铌或其合金作为中间过渡层进行焊接，焊缝成形美观且焊接接头无未熔合现象，可实现了钛钢复合板的高质量焊接。
本发明的另一目的在于提供一种钛钢复合板的焊接方法在石油管道、化工管道、火力发电、船舶、海洋工程等行业中的应用。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种钛钢复合板的焊接方法，其包括：
采用钒/铌或其合金作为中间过渡层，依次焊接钛履层、中间过渡层以及钢基层；
其中，钛履层采用I型坡口等离子焊接方法进行焊接，钢基层采用机械加工开坡口熔化极气体保护焊的方法进行焊接。
本发明还提一种钛钢复合板的焊接方法在石油管道、化工管道、烟囱以及锅体中的应用
本发明实施例的钛钢复合板的焊接方法及其应用的有益效果是：
本发明的实施例提供的钛钢复合板的焊接方法，采用钒/铌或其合金作为中间过渡层，依次焊接钛履层、中间过渡层以及钢基层；其中，钛履层采用I型坡口等离子焊接方法进行焊接，钢基层采用机械加工开坡口熔化极气体保护焊的方法进行焊接。采用钒/铌或其合金作为中间过渡层进行焊接，焊缝成形美观且焊接接头无未熔合现象，可实现了钛钢复合板的高质量焊接。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的钛钢复合板的焊接坡口的设计结构图；
图2为本发明实施例提供的钛钢复合板焊接中间过渡层的焊缝示意图；
图3为本发明实施例提供的钛钢复合板焊接后的焊缝截面示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的钛钢复合板的焊接方法及其应用进行具体说明。
请参阅图1至图3，在本发明的实施例中，图1、2、3中，St为钢基层，Ti为钛履层。图1中其他尺寸参数如表所示。图2中h为中间过渡层高度。
本发明的实施例提供的钛钢复合板的焊接方法，其包括：
采用钒/铌或其合金作为中间过渡层，依次焊接钛履层、中间过渡层以及钢基层；需要说明的是，在本发明的其他实施例中，也可以采用钒/铌的合金或者其他合金作为中间过渡层。
其中，钛履层采用开I型坡口等离子焊接的方法进行焊接，钢基层采用机械加工开坡口熔化极气体保护焊的方法进行焊接。
需要说明的是，在本发明的实施例中，采用的钛钢复合板为 TA1-Q345钛钢复合板，该钛钢复合板的尺寸规格是2+10/12mm，由轧制方法获得。且在本发明的实施例中，钢基层通过铣削加工成如图 1所示坡口，顶端宽度为10mm，底端宽度为8mm。当然，在本发明的其他实施例中，顶端宽度与底端的宽度还可以根据需求进行选择，本发明的实施例不再赘述。
采用钒/铌或其合金作为中间过渡层进行焊接，焊缝成形美观且焊接接头无未熔合现象，实现了钛钢复合板的高质量焊接。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，依次焊接钛履层、中间过渡层以及钢基层具体包括：
清理钛履层；
焊接钛履层；
检验焊接后的钛履层的焊缝；
焊接中间过渡层；
检验焊接后的中间过渡层的焊缝；
清理钢基层；
焊接钢基层；
检验焊接后的钢基层的焊缝。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，清理钛履层、焊接钛履层以及检验焊接后的钛履层的焊缝具体包括：
焊接前对钛履层的正面与背面的距待焊的边缘不小于40mm的区域进行清理，且清理至区域没有污染物；
采用穿孔型等离子弧焊对清理后的钛履层进行焊接，使得I型坡口的钛履层单面焊双面成形，并且焊接钛履层的焊接过程中采用氩气对焊缝的正面以及背面及温度大于200℃的高温热影响区进行保护；
对钛履层焊接后的焊缝进行表面质量检验和渗透检验。
其中，需要说明的是，在本发明的实施例中，对钛履层等离子焊缝进行表面质量检查和渗透检查，检测结果满足JB/T9218-2007《渗透探伤方法》。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，焊接钛履层的焊接参数为电流20～80A，焊速100～400mm/min，离子气流量1.0～2.5L/min，保护气流量2.5～20L/min。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，焊接中间过渡层、检验焊接后的中间过渡层的焊接具体包括：
采用熔入型等离子弧焊且焊枪横向摆动，在钛履层与钢基层结合的平面上堆焊厚度约为0.2mm～3mm的钒/铌或其合金支撑的中间过渡层，且焊接过程中采用纯氩气对焊缝及高温热影响区域进行气体保护，焊接时保证添加进去的过渡层均匀覆盖于钛并且与钛、钢均实现熔合；
对中间过渡层焊缝进行表面质量检查和渗透检查。
同时，需要说明的是，在本发明的实施例中，加工后对中间过渡层焊缝进行表面质量检查和渗透检查，检测结果满足JB/T9218-2007 《渗透探伤方法》。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，焊接中间过渡层的焊接参数为电流20～80A，离子气流量1.0～2.5L/min，保护气流量为 2.0～20L/min。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，清理钢基层、焊接钢基层以及检验焊接后的钢基层的焊缝具体包括：
焊接前用安装砂轮片的角磨机打磨钢基层的表面，然后用安装钢丝刷的角磨机打磨侧面，再用安装砂纸型砂轮片的角磨机打磨钢基层的阶梯型坡口，然后对打磨后的钢基层用丙酮擦洗，去除表面的氧化物；
使用熔化极气体保护焊在中间过渡层焊缝上填充堆焊，焊丝按基板的材质选择，且气体为80％Ar与20％CO2的混合气体或CO2气体，气流量为18～25L/min，本发明实例中，可以根据基层钢板的材料选择焊接材料与选择保护气体；
对钢基层的熔化极气体保护焊堆焊焊缝进行表面质量检验和射线检查。
同时，需要说明的是，在本实施例中，对钢基层的熔化极气体保护焊堆焊焊缝进行表面质量检验和射线检查，检查结果满足 GB/T3323 I级要求。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，焊接钢基层的焊接参数为电流100～280A，电弧电压19～28V。当然，在本发明的其他实施例中，电流与电弧电压的参数还可以根据需求进行调整。
本发明的实施例还提供了一种上述的钛钢复合板的焊接方法在是有石油管道、化工管道、火力发电、船舶、海洋工程等行业中的应用。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种钛钢复合板的焊接方法，包括以下步骤：
S1：清理钛履层，焊接前对距钛履层的正面与背面的待焊的边缘不小于40mm的区域进行清理，且清理至区域没有污染物；
S2：焊接钛履层，采用穿孔型等离子弧焊对清理后的钛履层进行焊接，使得I型坡口的钛履层单面焊双面成形，并且焊接钛履层的焊接过程中采用纯氩气对焊缝的正面以及背面及温度大于200℃的高温热影响区进行保护，其中，焊接钛履层的焊接参数为电流20A，焊速100mm/min，离子气流量2.5L/min，保护气流量5L/min；
S3：检验焊接后的钛履层的焊缝，对钛履层焊接后的焊缝进行表面质量检验和渗透检验；
S4：焊接中间过渡层，采用熔入型等离子弧焊且焊枪横向摆动，在钛履层与钢基层结合的平面上堆焊厚度约为0.2mm的钒/铌中间过渡层，且焊接过程中纯氩气对焊缝及高温热影响区域进行气体保护，焊接时保证添加进去的钒/铌均匀涂覆并且与钛、钢均实现熔合，其中，焊接中间过渡层的焊接参数为电流20A，离子气流量1.0L/min，保护气流量为2.0L/min；
S5：检验焊接后的中间过渡层的焊缝，对中间过渡层焊缝进行表面质量检查和渗透检查；
S6：清理钢基层，焊接前用安装砂轮片的角磨机打磨钢基层的表面，然后用安装钢丝刷的角磨机打磨侧面，再用安装砂纸型砂轮片的角磨机打磨钢基层的坡口，去除表面的氧化物；
S7：焊接钢基层，使用熔化极气体保护焊在中间过渡层焊缝上填充堆焊，焊丝的牌号为ER50-6，且保护气体为80％Ar与20％CO2的混合气体，气流量为10L/min，其中，焊接钢基层的焊接参数为电流 100A，电弧电压19V；
S8：检验焊接后的钢基层的焊缝，对钢基层的熔化极活性气体保护焊堆焊焊缝进行表面质量检验和射线检查。
实施例2
本实施例提供了一种钛钢复合板的焊接方法，包括以下步骤：
S1：清理钛履层，焊接前对钛履层的正面与背面的距待焊的边缘不小于40mm的区域进行清理，且清理至区域没有污染物；
S2：焊接钛履层，采用穿孔型等离子弧焊对清理后的钛履层进行焊接，使得I型坡口的钛履层单面焊双面成形，并且焊接钛履层的焊接过程中采用纯氩气对焊缝的正面以及背面及温度大于200℃的高温热影响区进行保护，其中，焊接钛履层的焊接参数为电流50A，焊速200mm/min，离子气流量，1.7L/min，保护气流量，11L/min；
S3：检验焊接后的钛履层的焊缝，对钛履层焊接后的焊缝进行表面质量检验和渗透检验；
S4：焊接中间过渡层，采用熔入型等离子弧焊且焊枪横向摆动，在钛履层与钢基层结合的平面上堆焊厚度约为1.5mm的钒/铌中间过渡层，且焊接过程中采用纯氩气对焊缝及高温热影响区域进行气体保护，焊接时保证添加进去的钒/铌均匀涂覆并且与钛、钢均实现熔合，其中，焊接中间过渡层的焊接参数为电流50A，离子气流量1.7L/min，保护器流量为11L/min；
S5：检验焊接后的中间过渡层的焊缝，对中间过渡层焊缝进行表面质量检查和渗透检查；
S6：清理钢基层，焊接前用安装砂轮片的角磨机打磨钢基层的表面，然后用安装钢丝刷的角磨机打磨侧面，再用安装砂纸型砂轮片的角磨机打磨钢基层的阶梯型坡口，然后对打磨后的钢基层用丙酮擦洗，去除表面的氧化物；
S7：焊接钢基层，使用熔化极保护焊在中间过渡层焊缝上填充堆焊，焊丝的牌号为ER50-6，且保护气体为100％CO2气体，气流量为 17L/min，其中，焊接钢基层的焊接参数为电流190A，电弧电压23V；
S8：检验焊接后的钢基层的焊缝，对钢基层的熔化极气体保护焊焊缝进行表面质量检验和射线检查。
实施例3
本实施例提供了一种钛钢复合板的焊接方法，包括以下步骤：
S1：清理钛履层，焊接前对钛履层的正面与背面的距待焊的边缘不小于40mm的区域进行清理，且清理至区域没有污染物；
S2：焊接钛履层，采用穿孔型等离子弧焊对清理后的钛履层进行焊接，使得I型坡口的钛履层单面焊双面成形，并且焊接钛履层的焊接过程中采用纯氩气对焊缝的正面以及背面及温度大于200℃的高温热影响区进行保护，其中，焊接钛履层的焊接参数为电流80A，焊速400mm/min，离子气流量2.5L/min，保护气流量20.0L/min；
S3：检验焊接后的钛履层的焊缝，对钛履层焊接后的焊缝进行表面质量检验和渗透检验；
S4：焊接中间过渡层，采用熔入型等离子弧焊且焊枪横向摆动，在钛履层与钢基层结合的平面上堆焊厚度约为3mm的钒/铌中间过渡层，且焊接过程中采用纯氩气对焊缝及高温热影响区域进行气体保护，焊接时保证添加进去的钒/铌均匀涂覆并且与钛、钢均实现熔合，其中，焊接中间过渡层的焊接参数为电流80A，离子气流量2.5L/min，保护气流量为20.0L/min；
S5：检验焊接后的中间过渡层的焊缝，保留由0.3mm后的钒/铌熔覆量，加工后对中间过渡层焊缝进行表面质量检查和渗透检查；
S6：清理钢基层，焊接前用安装砂轮片的角磨机打磨钢基层的表面，然后用安装钢丝刷的角磨机打磨侧面，再用安装砂纸型砂轮片的角磨机打磨钢基层的坡口，然后对打磨后的钢基层用丙酮擦洗，去除表面的氧化物；
S7：焊接钢基层，将钛钢复合板预热到200℃，使用熔化极气体保护焊在中间过渡层焊缝上填充堆焊，焊丝的牌号为ER50-6，且活性气体为80％Ar与20％CO2的混合气体，气流量为25L/min，其中，焊接钢基层的焊接参数为电流280A，电弧电压28V；
S8：检验焊接后的钢基层的焊缝，对钢基层的熔化极活性气体保护焊堆焊焊缝进行表面质量检验和射线检查。
实验例1
对实施例3提供的钛钢复合板按照GB 6393-2008复合钢板力学及工艺性能试验方法，对焊接试样进行整体拉伸，测得该焊接接头抗拉强度与基层母材强度相当。
综上所述，本发明实施例提供的钛钢复合板的焊接方法，采用钒 /铌或其合金作为中间过渡层，依次焊接钛履层、中间过渡层以及钢基层；其中，钛履层采用I型坡口等离子焊接的方法进行焊接，钢基层采用机械加工开坡口熔化极气体保护焊方法进行焊接。采用钒/铌及其合金或其它合金材料作为中间过渡层进行焊接，焊缝成形美观且焊接接头无未熔合现象，实现了钛钢复合板的高质量焊接。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种钛钢复合板的焊接方法，其特征在于，其包括：
采用钒/铌或其合金作为中间过渡层，依次焊接钛履层、中间过渡层以及钢基层；
其中，所述钛履层采用I型坡口等离子焊接方法进行焊接，所述钢基层采用机械加工开坡口熔化极气体保护焊方法进行焊接。
2.根据权利要求1所述的钛钢复合板的焊接方法，其特征在于，依次焊接所述钛履层、所述中间过渡层以及所述钢基层具体包括：
清理所述钛履层；
焊接所述钛履层；
检验焊接后的所述钛履层的焊缝；
焊接所述中间过渡层；
检验焊接后的所述中间过渡层的焊缝；
清理所述钢基层；
焊接所述钢基层；
检验焊接后的所述钢基层的焊缝。
3.根据权利要求2所述的钛钢复合板的焊接方法，其特征在于，清理所述钛履层、焊接所述钛履层以及检验焊接后的所述钛履层的焊缝具体包括：
焊接前对所述钛履层的正面与背面的距待焊的边缘不小于40mm的区域进行清理，且清理至所述区域没有污染物；
采用穿孔型等离子弧焊对清理后的所述钛履层进行焊接，使得所述I型坡口的钛履层单面焊双面成形，并且焊接所述钛履层的焊接过程中采用纯氩气对焊缝的正面以及背面及温度大于200℃的高温热影响区进行保护；
对所述钛履层焊接后的焊缝进行表面质量检验和渗透检验。
4.根据权利要求3所述的钛钢复合板的焊接方法，其特征在于：
焊接所述钛履层的焊接参数为电流20～80A，焊速100～400mm/min，离子气流量1.0～2.5L/min，保护气流量2.5～20L/min。
5.根据权利要求2所述的钛钢复合板的焊接方法，其特征在于，焊接所述中间过渡层、检验焊接后的所述中间过渡层的焊接具体包括：
采用熔入型等离子弧焊且焊枪横向摆动，在所述钛履层与所述钢基层结合的平面上堆焊厚度约为0.2mm～3mm的钒/铌或其合金制成的中间过渡层，且焊接过程中采用纯氩气对焊缝及高温热影响区域进行气体保护，焊接时保证添加进去的过渡层均匀覆盖于钛并且与钛、钢均实现熔合，起到隔离作用；
将所述中间过渡层的焊缝进行表面质量检查和渗透检查。
6.根据权利要求5所述的钛钢复合板的焊接方法，其特征在于：
焊接所述中间过渡层的焊接参数为电流20～80A，离子气流量1.0～2.5L/min，保护气流量为2.0～20L/min。
7.根据权利要求2所述的钛钢复合板的焊接方法，其特征在于，清理所述钢基层、焊接所述钢基层以及检验焊接后的所述钢基层的焊缝具体包括：
焊接前用安装砂轮片的角磨机打磨所述钢基层的表面，然后用安装钢丝刷的角磨机打磨侧面，再用安装砂纸型砂轮片的角磨机打磨所述钢基层的所述坡口，去除表面的氧化物；
使用熔化极气体保护焊在所述中间过渡层焊缝上填充堆焊，焊丝按基板的材质选择，且所述气体为80％Ar与20％CO2的混合气体或CO2气体，气流量为10～25L/min；
对所述钢基层的熔化极活性气体保护焊堆焊焊缝进行表面质量检验和射线检查。
8.根据权利要求7所述的钛钢复合板的焊接方法，其特征在于：
焊接所述钢基层的焊接参数为电流100～280A，电弧电压19～28V。
9.权利要求1至8中任一项所述的钛钢复合板的焊接方法在石油管道、化工管道、火力发电、船舶、海洋工程行业中的应用。
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