CN113210869A - 一种高效的钛合金激光-电弧复合热源管道焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高效的钛合金激光‑电弧复合热源管道焊接工艺，包括如下步骤：根据待焊工件的板材厚度加工坡口，清洁焊接部位的油污，保持待焊工件表面干燥；根据待焊工件的大小在正式焊接前对其进行点焊固定；选用激光‑TIG电弧复合的主式进行焊接；根据待焊工件的坡口形式确定有无冷填丝/盖面焊接，如需要，则选用预设直径的焊丝按照预设的送丝速度进行填充；待焊工件通过薄板单层焊接与厚板多层多道焊接实现管道纵、环缝高质量焊缝成形；焊后对不符合标准的焊缝进行打磨并清理飞溅物。本发明简化了焊接步骤，焊接方式简单，材料选用准确规范，能保证钛管焊接质量。

Description

一种高效的钛合金激光-电弧复合热源管道焊接工艺

技术领域

本发明涉及材料工程焊接技术领域，具体而言，尤其涉及一种高效的钛合金激光-电弧复合热源管道焊接工艺。

背景技术

钛合金输送管道由于其具有良好的耐腐蚀性，因此在海洋工程，油气输送、化学工业等领域得到了广泛的应用。

焊接技术作为管道制造的关键技术，对最终管道的质量起着决定性作用。钛合金具有热导率小的特点，在焊接时熔池冷却速度较慢，熔池持续受电弧热原作用，焊接熔池会逐渐增大，熔池中较多的液态金属导致了大的熔池自重，当熔池自重逐渐增大超过底部熔池支撑力阈值后，熔池就会失稳引起焊缝烧穿。因此，钛合金的焊接需要保证接头完全熔透形成有效连接，同时还应减小熔池体积，钛合金焊接应选用能量密度高且热输入小的焊接方法。

TIG焊接作为钛合金焊接最常选用的方法，由于其具有操作灵活、适应性强的特点，在钛合金焊接中已经得到了广泛的应用。为了减小焊接熔池体积，提高焊接的稳定性，在TIG焊接时，需要减小电弧的能量，而电弧能量的减小直接导致了焊接速度的降低。在钛合金长输管道的实际生产过程中，常采用脉冲TIG焊接工艺。

脉冲TIG热源具有间歇加热效应，峰值电弧与基值电弧交替作用熔池，参数可控性及适应性较好，在保证全熔透情况下，避免了焊接熔池受大电流电弧持续作用引起的熔池增大，提高了钛合金熔化焊接的稳定性。但是，由于电弧热源的能量分散、能量密度低、热源能量穿透能力差，因此，焊接速度的提升仍旧受到了很大的限制。而采用高能束焊接方法，由于其能量密度非常集中，同时熔池中的液体钛合金拥有负的表面张力梯度，焊接接头易形成咬边缺陷，降低接头使用的安全系数。

综上，目前亟需提供一种适合钛合金的管道焊接方法，用以解决现有技术中存在的缺陷。

发明内容

根据上述提出钛合金电弧焊接与高能束焊接方法存在的技术问题，同时注意到钛合金长输管道焊接过程中，脉冲电弧热源的稳定性优势，以及高能量密度激光热源的高效性优势，本发明针对壁厚为1～8mm管径为φ110～φ150mm的钛合金长输管道焊接，提出了一种优质高效的激光-电弧复合热源管道焊接工艺，既保留电弧热源的低成本广泛适用性，又保留了激光热源的高效性。

本发明提出的激光-电弧复合热源从整体来看，兼具了电弧热源的脉冲特性与激光热源的高效性，主要利用激光增加了电弧的穿透力，提高能量密度减小焊接热输入，同时电弧增加了激光能量作用范围，使得熔池中的热源热量重新分配，在减小熔池体积的同时，还可以降低熔池表面温度梯度、减小熔池自重及改善熔池流动，达到抑制烧穿与咬边目的。从而实现钛合金稳定高速焊接，得到优质的焊接接头。

本发明采用的技术手段如下：

一种高效的钛合金激光-电弧复合热源管道焊接工艺，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、根据待焊工件的板材厚度加工坡口，清洁焊接部位的油污，保持待焊工件表面干燥；

步骤S2、根据待焊工件的大小在正式焊接前对其进行点焊固定；

步骤S3、选用激光-TIG电弧复合的主式进行焊接，其中，Ar气纯度为99.99％；根据待焊工件的坡口形式确定有无冷填丝/盖面焊接，如需要，则选用预设直径的焊丝按照预设的送丝速度进行填充；

步骤S4、待焊工件通过薄板单层焊接与厚板多层多道焊接实现管道纵、环缝高质量焊缝成形；

步骤S5、焊后对不符合标准的焊缝进行打磨并清理飞溅物。

进一步地，激光-TIG电弧复合焊接是指激光焊接在前，TIG电弧焊接在后的焊接形式，其中，激光热源选用具有脉冲特性且最大脉冲功率峰值为10000W的激光器，其后的TIG电弧采用非熔化极气体保护焊接直流正极性接法。

进一步地，所述激光热源与TIG电弧热源之间的夹角为45°～80°，激光束中心线与非熔化极尖端的距离需要根据不同的焊接参数进行调整，范围为1～3mm。

进一步地，所述激光焊接的焊接参数为：激光脉冲激发电流50～150A，脉冲宽度：2～4ms，离焦量：0mm，薄板焊接速度150～1500mm/min，厚板打底焊接速度150～200mm/min，厚板填充焊接速度240～300mm/min。

进一步地，所述非熔化极气体保护焊为钨极氩弧焊，其焊接参数：氩气气体流量：5～20L/min、焊接电流：60～300A、电弧电压：8～10V、钨极直径：Φ2.4mm～3.2mm、焊接速度：240～300mm/min。

进一步地，所述步骤S1中，待焊工件为1-3mm厚度的板材时，无需开坡口；待焊工件为3-8mm厚度的板材时，需要开单边20～30°，钝边1～2mm的坡口。

进一步地，所述点焊固定是根据待焊工件的大小，点焊的长度选择5～10mm；当待焊工件的长度大于1000mm的纵缝焊接，其点焊距离应为500mm，如果不足500mm，应在焊缝两头点焊。

进一步地，所述点焊采用单TIG填丝焊接工艺，点焊工艺为电弧电流150～200A，送丝速度为100～120mm/min，焊接时间2～3s。

进一步地，所述步骤S3中，待焊工件的板材厚度为1～3mm时，根据实际需要确定有无冷填丝，如果有，送丝速度根据公式(1)进行确定，

式中：k为余高决定的成型系数，取值为1.2～1.3，s为填充面积，取值为以板材厚度为直径的半圆面积，d为焊丝直径，v_w为焊接速度，V为送丝速度；焊接电流选用60～300A，激光脉冲激发电流50～150A，脉冲频率为20～35Hz，脉宽为3ms，焊接速度选用300～1500mm/min。

进一步地，所述步骤S3中，针对待焊工件的板材厚度为3～8mm的坡口，首先要进行打底焊接，焊接工艺为电弧电流200～300A，激光平均功率300～1000W，焊接速度150～200mm/min，正面保护气流量25～30L/min，背面气流量8L/min；打底焊接完成之后，需要进行填充盖面焊接，采用激光-TIG电弧复合填丝焊接工艺，送丝速度根据公式(1)进行选择，其他工艺参数为激光平均功率300～1000W，电弧电流180～250A，焊接速度为240～300mm/min。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

采用本发明的焊接工艺简化了焊接步骤，焊接方式简单，材料选用准确规范，能保证钛管焊接质量，为厚度8mm以下的钛管焊接提供了一种规范的焊接方式，有利用钛合金管道的快速安全的焊接，保证焊接质量，减少焊接变形，减低接头应力。此焊接工艺，节省焊接填充材料，较通用的单电弧对接焊工艺提高焊接生产效率2～3倍，缩短工程建造周期。此焊接工艺，采用焊接机器人控制的电弧行走轨迹，可以实现柔性化、曲面的高效焊接。

基于上述理由本发明可在工程焊接领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明热源作用效果及焊接过程示意图。

图2为本发明实例2焊后焊缝横截面形貌图。

图中：1、激光；2、电弧；3、激光“匙孔”；4、加工材料。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明提供了一种高效的钛合金激光-电弧复合热源管道焊接工艺，包括如下步骤：

一、焊接准备

(1)坡口加工，针对1-3mm厚度板无需开坡口，可跳过此步。而针对3-8mm的厚度的板材，需要开单边20～30°，钝边1～2mm的坡口；

(2)清洁焊接部位的油污；

(3)检查工件表面是否潮湿，如果工件表面潮湿需等干燥后再进行焊接；

(4)焊接方式及焊接材料的选择，选用激光-TIG电弧复合的主式进行焊接，其中Ar气纯度为99.99％；激光-TIG电弧复合焊接是指激光1焊接在前，TIG电弧2焊接在后的焊接形式(如图1所示，图中3为激光“匙孔”，4为加工材料)，其中，激光热源选用具有脉冲特性且最大脉冲功率峰值为10000W的激光器，其后的TIG电弧采用非熔化极气体保护焊接直流正极性接法。

进一步地，所述激光热源与TIG电弧热源之间的夹角约为45°～80°，激光束中心线与非熔化极尖端的距离需要根据不同的焊接参数进行调整，范围为1～3mm，激光热源与电弧热源之间的距离需要是一个优化后的距离。

进一步地，所述激光-电弧复合热源管道焊接工艺规范包括激光焊接工艺规范与非熔化极气体保护焊接的工艺规范；

所述激光焊接的焊接参数为：激光脉冲激发电流50～150A，脉冲宽度：2～4ms，离焦量：0mm，薄板焊接速度150～1500mm/min，厚板打底焊接速度150～200mm/min，厚板填充焊接速度240～300mm/min。

所述非熔化极气体保护焊为钨极氩弧焊，其焊接参数：氩气气体流量：5～20L/min、焊接电流：60～300A、电弧电压：8～10V、钨极直径：Φ2.4mm～3.2mm、焊接速度：240～300mm/min。

二、点焊固定

(1)为了防止在焊接过程中，工件受热引起变形和错边导致的烧穿，正式施焊前需要给被焊接工件进行定位焊接，根据焊接结构件的大小，点焊的长度选择5～10mm；长度大于1000mm的纵缝焊接其点焊距离应为500mm，如果不足500mm，应在焊缝两头点焊。

(2)点焊采用单TIG填丝焊接工艺，点焊工艺为电弧电流150～200A，送丝速度为100～120mm/min，焊接时间2～3s，注意的问题为临时点焊的高度和宽度不得超过以后焊缝尺寸，应是以后焊缝的一部分，弧坑应填满，点焊焊缝有裂纹时必须割掉重焊。

三、焊接

(1)针对1～3mm厚度板材焊接时，为平位置焊接不用开设坡口，即为I型坡口，根据实际需要确定有无冷填丝，如果有应选用1.2mm直径的焊丝，送丝速度根据公式(1)进行确定，

式中：k为余高决定的成型系数，近似取值为1.2～1.3，s为填充面积，近似取值为以板材厚度为直径的半圆面积，d为焊丝直径，v_w为焊接速度，V为送丝速度。焊接电流选用60～300A，激光脉冲激发电流50～150A，脉冲频率为20～35Hz，脉宽为3ms，焊接速度选用300～1500mm/min。

(2)针对3～8mm厚度板材，首先要进行打底焊接，焊接工艺为电弧电流200～300A，激光平均功率300～1000W，焊接速度150～200mm/min，正面保护气流量25～30L/min，背面气流量8L/min。

打底焊接完成之后，需要进行填充盖面焊接，采用激光-TIG复合填丝焊接工艺，送丝速度根据公式(1)进行选择，其他工艺参数为激光平均功率300～1000W，电弧电流180～250A，焊接速度为240～300mm/min。

(3)通过薄板单层焊接与厚板多层多道焊接实现管道纵、环缝高质量焊缝成形。

四、焊后处理

对不美观的焊缝进行打磨，并清理飞溅物。

实施例1：壁厚1mm管径φ110mm TA2钛合金管道纵缝焊接

一、焊接前准备

(1)检查工件表面是否潮湿，如果工件表面潮湿需等干燥后再进行焊接；

(2)清洁焊接部位的油污；

(3)焊接方式及焊接材料的选择，选用激光-TIG电弧复合的主式进行焊接，其中Ar气纯度为99.99％。

二、点焊固定

(1)根据焊接结构件的大小，点焊的长度选择5mm；

(2)点焊注意问题，点焊固定的宽度不得超过3mm，应是以后焊缝的一部分，点焊焊缝有裂纹时必须割掉重焊。

三、焊接

对I形坡口，选择不填丝焊接工艺，焊接电流选用60A，激光平均功率为380W，焊接速度1500mm/min。

四、焊后处理

(1)对不美观的焊缝进行打磨，并清理飞溅物；

(2)用火焰或机械校正影响质量及外观的焊接变形。

实施例2：壁厚8mm管径φ150mm TC4钛合金管道纵缝焊接

一、焊接前准备

(1)坡口加工，单边20°，钝边2mm；

(2)检查工件表面是否潮湿，如果工件表面潮湿需等干燥后再进行焊接；

(3)清洁焊接部位的油污；

(4)焊接方式及焊接材料的选择，选用激光-TIG电弧复合的主式进行焊接，其中Ar气纯度为99.99％。

二、点焊固定

(1)根据焊接结构件的大小，点焊的长度选择10mm；

(2)点焊注意问题，点焊固定的高度与宽度不得超过0.8mm与3mm，应是以后焊缝的一部分，点焊焊缝有裂纹时必须割掉重焊。

三、焊接

打底焊接：焊接工艺为电弧电流240A，激光平均功率780W，焊接速度300mm/min，正面保护气流量2L/min，背面气流量8L/min。

填充盖面：选择冷填丝焊接工艺，焊接工艺为电弧电流260A，激光平均功率400W，焊接速度300mm/min，焊丝直径1.2mm，送丝速度2500mm/min。

四、焊后处理

(1)对不美观的焊缝进行打磨，并清理飞溅物；

(2)用火焰或机械校正影响质量及外观的焊接变形。

如图2所示，为钛合金板材焊接后的焊缝横截面形貌，整体呈现T字形，焊缝成型良好，内部无气孔、夹渣、未焊透等缺陷。打底层焊缝钝边处主要依靠激光的能量融化，因此晶粒更加细小，呈等轴晶分布。填充层晶粒为垂直于熔合线向焊缝中心方向生长的柱状晶。该焊接方法与单TIG焊接相比具有更快的焊接速度，同时明显减小焊缝接头和热影响区的晶粒尺寸，具有更好的力学性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种高效的钛合金激光-电弧复合热源管道焊接工艺，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、根据待焊工件的板材厚度加工坡口，清洁焊接部位的油污，保持待焊工件表面干燥；

步骤S2、根据待焊工件的大小在正式焊接前对其进行点焊固定；

步骤S3、选用激光-TIG电弧复合的主式进行焊接，其中，Ar气纯度为99.99％；根据待焊工件的坡口形式确定有无冷填丝/盖面焊接，如需要，则选用预设直径的焊丝按照预设的送丝速度进行填充；

步骤S4、待焊工件通过薄板单层焊接与厚板多层多道焊接实现管道纵、环缝高质量焊缝成形；

步骤S5、焊后对不符合标准的焊缝进行打磨并清理飞溅物。

2.根据权利要求1所述的高效的钛合金激光-电弧复合热源管道焊接工艺，其特征在于，激光-TIG电弧复合焊接是指激光焊接在前，TIG电弧焊接在后的焊接形式，其中，激光热源选用具有脉冲特性且最大脉冲功率峰值为10000W的激光器，其后的TIG电弧采用非熔化极气体保护焊接直流正极性接法。

3.根据权利要求2所述的高效的钛合金激光-电弧复合热源管道焊接工艺，其特征在于，所述激光热源与TIG电弧热源之间的夹角为45°～80°，激光束中心线与非熔化极尖端的距离需要根据不同的焊接参数进行调整，范围为1～3mm。

4.根据权利要求3所述的高效的钛合金激光-电弧复合热源管道焊接工艺，其特征在于，所述激光焊接的焊接参数为：激光脉冲激发电流50～150A，脉冲宽度：2～4ms，离焦量：0mm，薄板焊接速度150～1500mm/min，厚板打底焊接速度150～200mm/min，厚板填充焊接速度240～300mm/min。

5.根据权利要求3所述的高效的钛合金激光-电弧复合热源管道焊接工艺，其特征在于，所述非熔化极气体保护焊为钨极氩弧焊，其焊接参数：氩气气体流量：5～20L/min、焊接电流：60～300A、电弧电压：8～10V、钨极直径：Φ2.4mm～3.2mm、焊接速度：240～300mm/min。

6.根据权利要求1所述的高效的钛合金激光-电弧复合热源管道焊接工艺，其特征在于，所述步骤S1中，待焊工件为1-3mm厚度的板材时，无需开坡口；待焊工件为3-8mm厚度的板材时，需要开单边20～30°，钝边1～2mm的坡口。

7.根据权利要求1所述的高效的钛合金激光-电弧复合热源管道焊接工艺，其特征在于，所述点焊固定是根据待焊工件的大小，点焊的长度选择5～10mm；当待焊工件的长度大于1000mm的纵缝焊接，其点焊距离应为500mm，如果不足500mm，应在焊缝两头点焊。

8.根据权利要求7所述的高效的钛合金激光-电弧复合热源管道焊接工艺，其特征在于，所述点焊采用单TIG填丝焊接工艺，点焊工艺为电弧电流150～200A，送丝速度为100～120mm/min，焊接时间2～3s。

9.根据权利要求1或6所述的高效的钛合金激光-电弧复合热源管道焊接工艺，其特征在于，所述步骤S3中，待焊工件的板材厚度为1～3mm时，根据实际需要确定有无冷填丝，如果有，送丝速度根据公式(1)进行确定，

式中：k为余高决定的成型系数，取值为1.2～1.3，s为填充面积，取值为以板材厚度为直径的半圆面积，d为焊丝直径，v_w为焊接速度，V为送丝速度；焊接电流选用60～300A，激光脉冲激发电流50～150A，脉冲频率为20～35Hz，脉宽为3ms，焊接速度选用300～1500mm/min。

10.根据权利要求1或6或9所述的高效的钛合金激光-电弧复合热源管道焊接工艺，其特征在于，所述步骤S3中，针对待焊工件的板材厚度为3～8mm的坡口，首先要进行打底焊接，焊接工艺为电弧电流200～300A，激光平均功率300～1000W，焊接速度150～200mm/min，正面保护气流量25～30L/min，背面气流量8L/min；打底焊接完成之后，需要进行填充盖面焊接，采用激光-TIG电弧复合填丝焊接工艺，送丝速度根据公式(1)进行选择，其他工艺参数为激光平均功率300～1000W，电弧电流180～250A，焊接速度为240～300mm/min。

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