CN110682020B - 一种钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法 - Google Patents

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Abstract

一种钛‑铁‑不锈钢三层复合板对接焊工艺方法，属于层状异种金属复合板焊接领域。该方法先对钛‑铁‑不锈钢三层复合板母材进行加工处理，制备具有焊接坡口的母材；根据焊接接头的焊接坡口形式，制备焊缝填充金属；将具有焊接坡口的母材置于焊接夹具中，对钛覆层进行第一道次打底焊接，之后置入焊缝填充金属，进行第二道次上层金属焊接，制得钛‑铁‑不锈钢三层复合板对接接头。该方法尤其适用于复合薄板，同时解决了钛‑铁异种金属焊接时易出现脆性金属间化合物的问题，也保留了铁‑不锈钢异种钢焊接时的其原有的抗腐蚀性能，该方法生产的成品率高，生产成本低，焊接效率高，焊接接头强度高，焊接接头的拉伸强度达到母材拉伸强度75％以上。

Description

一种钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法
技术领域
本发明涉及层状异种金属复合板焊接技术领域，具体涉及一种钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法。
背景技术
钛-铁-不锈钢三层复合板是一种新型的结构材料，其设计初衷是应用于实际生活中制造炊具的原始板坯。钛合金具有良好的生物相容性，对人体无毒，作为内层接触食物；工业纯铁作为中间层，是因其良好的导热性能，有利于烹饪过程中对火候的掌握，同时节省板材的成本；不锈钢一侧接触火焰，因其强度较高，能够减小因为碰撞而导致的锅底凹陷和坑洞等意外的发生。同时，钛合金耐腐蚀性强，这是由于它对氧的亲合力特别大，能在其表面上生成一层致密的氧化膜，可保护钛不受介质腐蚀。金属钛在大多数水溶液中，都能在表面生成钝化氧化膜。因此，钛在酸性、碱性、中性盐水溶液中和氧化性介质中具有很好的稳定性，比现有的不锈钢和其它常用有色金属的耐腐蚀性都好，因此钛被大量用作各种化学反应容器、热交换器材料及防腐蚀领域。纯金属板材的缺点是成本较高，采用轧制工艺生产的钛-铁-不锈钢三层复合板，既有钛的耐蚀性，又有普通钢板作为结构件的强度和塑性，成本大幅度下降。
生活炊具或工业容器，其制备过程中，焊接都是必不可少的一道工序。目前，国内外对于异种金属层状复合板焊接的研究主要集中在中厚板，异种金属层状复合板覆层金属厚度适中，其难度不大。但是对于异种金属层状复合薄板，覆层金属属于超薄层，焊接过程困难，极易产生缺陷。钛-铁-不锈钢三层复合板焊接要考虑的是钛-铁异种金属焊接时易出现脆性金属间化合物的问题，同时，钛-铁-不锈钢三层复合板还要考虑铁-不锈钢之间异种钢焊接时易出现的问题，即保证复合板焊接接头强度的同时，最重要的是保证两侧覆层原有的抗腐蚀性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供了一种钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法，该方法尤其适用于复合薄板，同时解决了钛-铁异种金属焊接时易出现脆性金属间化合物的问题，也保留了铁-不锈钢异种钢焊接时的其原有的抗腐蚀性能，该方法生产的成品率高，生产成本低，焊接效率高，焊接接头强度高，焊接接头的拉伸强度达到母材拉伸强度75%以上。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明的一种钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法，包括以下步骤：
步骤1：加工焊接坡口
对需要对接的钛-铁-不锈钢三层复合板母材分别进行加工处理，将钛-铁-不锈钢三层复合板母材中待焊接边缘的铁基层母材和不锈钢覆层母材进行加工去除，得到具有焊接坡口的待焊钛-铁-不锈钢三层复合板母材；
步骤2：制备焊缝填充金属
根据钛-铁-不锈钢三层复合板对接后的焊接坡口的形式和尺寸，制备和焊接坡口相配合的304不锈钢板条和紫铜箔板条；
步骤3：钛覆层焊接
将具有焊接坡口的待焊钛-铁-不锈钢三层复合板母材置于带有氩气保护气氛的焊接夹具中，将钛覆层对接，开启氩气保护气，氩气保护气的流量为2-10L/min，氩气保护气的气流方向和焊接坡口开口方向一致；将钛覆层对齐，钛覆层之间的间隙≤0.1mm；采用微束等离子弧进行钛覆层焊接；
步骤4：加入焊缝填充金属
当待焊钛-铁-不锈钢三层复合板的钛覆层焊接结束后，将步骤2制备的紫铜箔板条贴紧钛覆层放入焊缝中，再将步骤2制备的304不锈钢板条贴紧紫铜箔板条放入焊缝中，并压紧；
步骤5：铁-不锈钢覆层焊接
待焊缝中填入焊缝填充金属后，开启氩气保护气，氩气保护气的流量为2-10L/min，氩气保护气的气流方向和焊接坡口开口方向一致；采用TIG焊进行1-2道次的上层焊接，实现钛-铁-不锈钢三层复合板的对接，得到钛-铁-不锈钢三层复合板对接接头。
所述的步骤1中，加工去除采用铣床。
所述的步骤1中，焊接坡口的加工方式为：将钛-铁-不锈钢三层复合板母材中待焊接边缘均采用铣床进行机械加工，加工掉不锈钢覆层、铁基层，保留钛覆层，作为焊接坡口，保留的钛覆层宽度为0.5-2mm。
所述的步骤2中，制备304不锈钢板条的方法优选为线切割，制备紫铜箔板条的方法优选为裁剪。
所述的步骤2中，紫铜箔板条优选型号为T2紫铜箔板条。
所述的步骤2中，304不锈钢板条的宽度优选为1-4mm、厚度优选为1.5-3mm；紫铜箔板条的宽度优选为1-4mm、厚度优选为0.1-0.3mm。
所述的步骤3中，微束等离子弧的焊接工艺参数为：焊炬高度(焊枪高度距离工件高度)为1-2mm，离子气流量为0.2-0.5L/min，焊接电流为12-20A，焊接速度为10-30mm/s。
所述的步骤3中，焊接结束后，延时30-60s关闭氩气保护气。
所述的步骤4中，焊缝填充金属加入焊缝前，进行打磨，用于减少尺寸公差的同时去除焊缝填充金属氧化物。
所述的步骤5中，TIG焊的工艺参数为：焊炬高度(焊枪高度距离工件高度)为1-2mm，焊接电流为90-110A，焊接速度为200-500mm/min。
在本发明的钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法中，焊接全程均采用氩气作为保护气，对焊缝填充金属及周围环境进行气氛保护。
所述的钛-铁-不锈钢三层复合板的基层为铁基层，为工业纯铁，纯度为99.9wt%以上，基层厚度为1-2mm；所述的钛-铁-不锈钢三层复合板的覆层为钛覆层和不锈钢覆层，钛覆层优选为TA1工业纯钛，钛覆层的厚度为0.1-0.5mm；所述的钛-铁-不锈钢三层复合板的不锈钢覆层采用304不锈钢，其厚度为0.1-0.5mm。
本发明的方法中，焊接全程均采用氩气对焊缝金属及其周围环境进行气氛保护。
采用本发明的方法，制备的钛-铁-不锈钢三层复合板对接接头，其拉伸强度达到母材拉伸强度75%以上。
本发明的一种钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法，其有益效果为：
1、本发明采用类似于U型的焊接坡口，坡口形式简单，加工操作简便；钛-铁-不锈钢三层复合板母材装入夹具后，先对钛覆层采用微束等离子焊接，可实现钛覆层焊缝的一次性焊接成型；整个焊接过程只需进行一次装夹，无需拆装夹具，直接置入焊缝填充金属，采用TIG焊对铁基层以及不锈钢覆层进行焊接，从而实现钛-铁-不锈钢三层复合板的整体焊接。
2、整套焊接工艺流程的优势在于，随着整个焊接过程的进行，无需填入焊接金属，保证了焊接过程操作的简单性；使用的焊缝填充金属与焊接母材不锈钢覆层材料一致，保证了焊接成型后的焊缝具有原复合板一致的性能；整个焊接过程只进行一次母材与焊接夹具的装配，无需进行反复装夹，可实现钛-铁-不锈钢三层复合板的单面焊接双面成形，采用此工艺制备的钛-铁-不锈钢三层复合板对内焊缝，焊缝正背面的形貌美观，成形性能良好，工艺流程简洁，操作难度小，适于推广应用。
3、该方法对复合板进行坡口处理，先对钛合金覆层进行焊接，之后加入填充紫铜箔和不锈钢，紫铜箔作为过渡层起到抑制Ti-Fe脆性化合物产生的作用，不锈钢填充后，保证焊后焊缝金属依然具有不锈钢覆层的耐腐蚀性能，保留了铁-不锈钢异种钢焊接时的其原有的抗腐蚀性能。
附图说明
图1本发明的一种钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法示意图。
图2为钛覆层焊后焊缝形貌，其中，(a)为焊缝正面，即焊接坡口开口面；(b)为焊缝背面，即为钛覆层对接面。
图3为钛-铁-不锈钢三层复合板焊后焊缝形貌。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明：
实施例1
本实施例中，以1.5mm的钛-铁-不锈钢三层复合板为例进行焊接，其中，基层为工业纯铁，其厚度为1mm，钛覆层的厚度为0.2mm，不锈钢覆层的厚度为0.3mm。对该钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法，其示意图见图1，采用如下焊接方案：
步骤1：加工焊接坡口
焊前对钛-铁-不锈钢三层复合板母材两侧金属进行打磨，去除覆层表面氧化物。
采用工装夹具对钛-铁-不锈钢三层复合板进行夹持，在铣床上进行坡口加工。钛覆层一侧朝下，去除掉上层的铁基层及不锈钢覆层，预留单侧钛覆层宽度为1.5mm，得到具有焊接坡口的待焊复合板母材。
步骤2：制备焊缝填充金属
根据加工好的坡口的尺寸进行焊缝填充金属的制备，裁剪出3mm宽度，0.1mm厚度的T2紫铜箔板条；采用线切割制备3mm宽度，1.5mm厚度的304不锈钢板条。
步骤3：钛覆层焊接
首先，对钛覆层进行焊接，具体方法如下：
将具有焊接坡口的待焊钛-铁-不锈钢三层复合板母材置于带有氩气保护气氛的焊接夹具中，将钛覆层对接，钛覆层之间的间隙≤0.1mm，开启保护气，保护气的气流方向和焊接坡口开口方向一致；采用微束等离子焊接进行钛覆层的对接焊，具体焊接参数如下：焊炬高度1.5mm，离子气流量0.3L/min，保护气流量4L/min，焊接速度15mm/s，焊接电流15.5A。其中为保证焊接过程中，焊缝金属不发生氧化，需提前接通保护气，提前营造保护氛围。焊后焊缝形貌良好，如图2所示。
步骤4：加入焊缝填充金属
根据钛覆层焊缝焊后宽度，对焊缝填充金属进行打磨，减小尺寸公差，同时起到去除焊缝填充金属氧化物的作用。
将处理好的焊缝填充金属依次放入焊缝中，并压紧；（先加入T2紫铜箔板条再加入304不锈钢板条）；
步骤5：铁-不锈钢覆层焊接
采用TIG焊进行焊接，具体焊接参数如下：焊炬高度1.5mm，保护气流量4L/min，焊接速度250mm/min，焊接电流90A，得到钛-铁-不锈钢三层复合板对接接头。其中，为保证焊接过程中，焊缝金属不发生氧化，需提前接通保护气，提前营造保护氛围。焊后焊缝形貌良好，如图3所示。
采用本工艺方案进行的1.5mm厚度的钛-铁-不锈钢复合板对接焊，无需反复装夹，可以实现单面焊接双面成形，焊缝形貌良好，焊缝成形性能优异。焊后对焊接接头进行性能测试，钛-铁-不锈钢三层复合板对接接头拉伸强度为252MPa，达到母材的75%（1.5mm厚度钛-铁-不锈钢复合板拉伸强度为334MPa）。
实施例2
本实施例中，以2mm的钛-铁-不锈钢三层复合板为例进行焊接，其中，基层为工业纯铁，其厚度为1.4mm，钛覆层的厚度为0.3mm，不锈钢覆层的厚度为0.3mm。对该钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法，采用如下焊接方案：
步骤1：加工焊接坡口
对钛-铁-不锈钢三层复合板母材进行加工处理，将钛-铁-不锈钢三层复合板母材中待焊接边缘均采用铣床进行机械加工，加工掉不锈钢覆层、铁基层，保留钛覆层，作为焊接坡口，保留的钛覆层宽度为1.0mm，得到具有焊接坡口的待焊复合板母材；
步骤2：制备焊缝填充金属
根据焊接接头的坡口形式和尺寸，制备和焊接坡口相配合的焊缝填充金属；其中，第一种焊缝填充金属为紫铜箔板条，其厚度为0.2mm，宽度为2.0mm；第二种焊缝填充金属为304不锈钢板条，其厚度为2mm，宽度为2.0mm；
步骤3：钛覆层焊接
将具有焊接坡口的待焊钛-铁-不锈钢三层复合板母材置于带有氩气保护气氛的焊接夹具中，将钛覆层对接，开启保护气，保护气的流量为8L/min，保护气的气流方向和焊接坡口开口方向一致；将钛覆层对齐，钛覆层之间的间隙≤0.1mm；采用微束等离子弧进行第一道次打底焊接，即为钛覆层焊接，焊炬高度为1mm，离子气流量0.3L/min，焊接电流为18A，焊接速度为20mm/s。焊接结束后，延时40s关闭保护气；
步骤4：加入焊缝填充金属
当待焊钛-铁-不锈钢三层复合板的钛覆层焊接结束后，将步骤2制备的紫铜箔板条贴紧钛覆层放入焊缝中，再将步骤2制备的304不锈钢板条贴紧紫铜箔板条放入焊缝中，并将紫铜箔板条和304不锈钢板条压紧；
步骤5：铁-不锈钢覆层焊接
采用TIG焊进行2道次的焊接，焊炬高度为2mm，保护气流量3L/min，保护气的气流方向和焊接坡口开口方向一致；焊接电流为100A，焊接速度为300mm/min，得到钛-铁-不锈钢三层复合板对接接头。
实施例3
本实施例中，以2mm的钛-铁-不锈钢三层复合板为例进行焊接，其中，基层为工业纯铁，其厚度为1.4mm，钛覆层的厚度为0.3mm，不锈钢覆层的厚度为0.3mm。对该钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法，采用如下焊接方案：
步骤1：加工焊接坡口
对钛-铁-不锈钢三层复合板母材进行加工处理，将钛-铁-不锈钢三层复合板母材中待焊接边缘均采用铣床进行机械加工，加工掉不锈钢覆层、铁基层，保留钛覆层，作为焊接坡口，保留的钛覆层宽度为1.0mm，得到具有焊接坡口的待焊复合板母材；
步骤2：制备焊缝填充金属
根据焊接接头的坡口形式和尺寸，制备和焊接坡口相配合的焊缝填充金属；其中，第一种焊缝填充金属为紫铜箔板条，其厚度为0.2mm，宽度为2.0mm；第二种焊缝填充金属为304不锈钢板条，其厚度为1mm，宽度为2.0mm；
步骤3：钛覆层焊接
将具有焊接坡口的待焊钛-铁-不锈钢三层复合板母材置于带有氩气保护气氛的焊接夹具中，将钛覆层对接，开启保护气，保护气的流量为8L/min，保护气的气流方向和焊接坡口开口方向一致；将钛覆层对齐，钛覆层之间的间隙≤0.1mm；采用微束等离子弧进行第一道次打底焊接，即为钛覆层焊接，焊炬高度为1mm，离子气流量0.3L/min，焊接电流为16.5A，焊接速度为10mm/s。焊接结束后，延时40s关闭保护气；
步骤4：加入焊缝填充金属
当待焊钛-铁-不锈钢三层复合板的钛覆层焊接结束后，将步骤2制备的紫铜箔板条贴紧钛覆层放入焊缝中，再将步骤2制备的304不锈钢板条贴紧紫铜箔板条放入焊缝中，并将紫铜箔板条和304不锈钢板条压紧；
步骤5：铁-不锈钢覆层焊接
采用TIG焊进行2道次的焊接，焊炬高度为2mm，保护气流量3L/min，保护气的气流方向和焊接坡口开口方向一致；焊接电流为90A，焊接速度为250mm/min，得到钛-铁-不锈钢三层复合板对接接头。
实施例4
本实施例中，以1.2mm的钛-铁-不锈钢三层复合板为例进行焊接，其中，基层为工业纯铁，其厚度为1mm，钛覆层的厚度为0.1mm，不锈钢覆层的厚度为0.1mm。对该钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法，采用如下焊接方案：
步骤1：加工焊接坡口
对钛-铁-不锈钢三层复合板母材进行加工处理，将钛-铁-不锈钢三层复合板母材中待焊接边缘均采用铣床进行机械加工，加工掉不锈钢覆层、铁基层，保留钛覆层，作为焊接坡口，保留的钛覆层宽度为0.5mm，得到具有焊接坡口的待焊复合板母材；
步骤2：制备焊缝填充金属
根据焊接接头的焊接坡口形式和尺寸，制备和焊接坡口相配合的焊缝填充金属；其中，第一种焊缝填充金属为紫铜箔板条，其厚度为0.2mm，宽度为1.0mm；第二种焊缝填充金属为304不锈钢板条，其厚度为1mm，宽度为1.0mm；
步骤3：钛覆层焊接
将具有焊接坡口的待焊钛-铁-不锈钢三层复合板母材置于带有氩气保护气氛的焊接夹具中，将钛覆层对接，开启保护气，保护气的流量为6L/min，保护气的气流方向和焊接坡口开口方向一致；将钛覆层对齐，钛覆层之间的间隙≤0.1mm；采用微束等离子弧进行第一道次打底焊接，即为钛覆层焊接，焊炬高度为1mm，离子气流量0.3L/min，焊接电流为18A，焊接速度为20mm/s。焊接结束后，延时30s关闭保护气；
步骤4：加入焊缝填充金属
当待焊钛-铁-不锈钢三层复合板的钛覆层焊接结束后，将步骤2制备的紫铜箔板条贴紧钛覆层放入焊缝中，再将步骤2制备的304不锈钢板条贴紧紫铜箔板条放入焊缝中，并将紫铜箔板条和304不锈钢板条压紧；
步骤5：铁-不锈钢覆层焊接
采用TIG焊进行2道次的焊接，焊炬高度为2mm，保护气流量3L/min，保护气的气流方向和焊接坡口开口方向一致；焊接电流为120A，焊接速度为450mm/min，得到钛-铁-不锈钢三层复合板对接接头。

Claims (9)

1.一种钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：加工焊接坡口
对需要对接的钛-铁-不锈钢三层复合板母材分别进行加工处理，将钛-铁-不锈钢三层复合板母材中待焊接边缘的铁基层母材和不锈钢覆层母材进行加工去除，得到具有焊接坡口的待焊钛-铁-不锈钢三层复合板母材；
步骤2：制备焊缝填充金属
根据钛-铁-不锈钢三层复合板对接后的焊接坡口的形式和尺寸，制备和焊接坡口相配合的304不锈钢板条和紫铜箔板条；
步骤3：钛覆层焊接
将具有焊接坡口的待焊钛-铁-不锈钢三层复合板母材置于带有氩气保护气氛的焊接夹具中，将钛覆层对接，开启氩气保护气，氩气保护气的流量为2-10L/min，氩气保护气的气流方向和焊接坡口开口方向一致；将钛覆层对齐，钛覆层之间的间隙≤0.1mm；采用微束等离子弧进行第一道次打底焊接，即为钛覆层焊接；
步骤4：加入焊缝填充金属
当待焊钛-铁-不锈钢三层复合板的钛覆层焊接结束后，将步骤2制备的紫铜箔板条贴紧钛覆层放入焊缝中，再将步骤2制备的304不锈钢板条贴紧紫铜箔板条放入焊缝中，并压紧；
步骤5：铁-不锈钢覆层焊接
待焊缝中填入焊缝填充金属后，开启氩气保护气，氩气保护气的流量为2-10L/min，氩气保护气的气流方向和焊接坡口开口方向一致；采用TIG焊进行1-2道次的上层焊接，实现钛-铁-不锈钢三层复合板的对接，得到钛-铁-不锈钢三层复合板对接接头。
2.根据权利要求1所述的钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法，其特征在于，所述的步骤1中，焊接坡口的加工方式为：将钛-铁-不锈钢三层复合板母材中待焊接边缘均采用铣床进行机械加工，加工掉不锈钢覆层、铁基层，保留钛覆层，作为焊接坡口，保留的钛覆层宽度为0.5-2mm。
3.根据权利要求1所述的钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法，其特征在于，所述的步骤2中，304不锈钢板条的宽度为1-4mm、厚度为1.5-3mm；紫铜箔板条的宽度为1-4mm、厚度为0.1-0.3mm。
4.根据权利要求1所述的钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法，其特征在于，所述的步骤3中，焊接结束后，延时30-60s关闭氩气保护气。
5.根据权利要求1所述的钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法，其特征在于，所述的步骤3中，微束等离子弧的焊接工艺参数为：焊炬高度为1-2mm，离子气流量为0.2-0.5L/min，焊接电流为12-20A，焊接速度为10-30mm/s。
6.根据权利要求1所述的钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法，其特征在于，所述的步骤4中，焊缝填充金属加入焊缝前，进行打磨，用于减少尺寸公差的同时去除焊缝填充金属氧化物。
7.根据权利要求1所述的钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法，其特征在于，所述的步骤5中，TIG焊的工艺参数为：焊炬高度为1-2mm，焊接电流为90-110A，焊接速度为200-500mm/min。
8.根据权利要求1所述的钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法，其特征在于，所述的钛-铁-不锈钢三层复合板的基层为铁基层，为工业纯铁，纯度为99.9wt%以上，基层厚度为1-2mm；所述的钛-铁-不锈钢三层复合板的覆层为钛覆层和不锈钢覆层，钛覆层为TA1工业纯钛，钛覆层的厚度为0.1-0.5mm；所述的钛-铁-不锈钢三层复合板的不锈钢覆层采用304不锈钢，其厚度为0.1-0.5mm。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的钛-铁-不锈钢三层复合板对接焊工艺方法，其特征在于，制备的钛-铁-不锈钢三层复合板对接接头，其拉伸强度达到母材拉伸强度75%以上。
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