CN113732623A - 一种复合板材的对焊连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合板材的对焊连接方法,首先通过组坯+爆炸焊+连续控轧控冷方式将纯钛或钛合金材料和碳钢材料制备成所需规格的双金属层状结构复合板材,再进行特型坡口设计和加工,采用激光+冷金属过渡复合焊接技术、喷涂技术和钨极氩弧焊方法进行焊接。本发明焊接热输入小,过渡层能很好阻隔Ti与Fe和C的互溶,有效避免脆硬金属间化合物的产生,保证了焊缝的综合力学性能。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域,涉及一种复合板材的对焊连接方法。
背景技术
双金属层状结构复合材料可以使强度、熔点、热膨胀系数差异极为悬殊的不同金属实现完美结合,集不同材料优点于一身,充分发挥不同材料特性,极大地节约稀贵金属材料,降低设备的制造成本,提高设备的使用寿命,在各领域有广阔的应用市场。尤其是纯钛及钛合金/碳钢层状结构复合板材,其卓越的耐腐蚀性能在工业生产和社会生活的众多领域将发挥重要作用。
例如,在海洋工程及舰船领域、航空航天领域、军工领域等,纯钛及钛合金/ 碳钢层状结构复合板材及其深加工耐蚀装备是一种极具生命力的新型装备,具有巨大成本优势,在环保、经济和实用性方面成效显著。
众多研究结果显示,纯钛及钛合金和碳钢两种材料物理化学特性差异极大,两者之间无法实现熔焊连接,相互之间即冶金不相容,容易出现大量 TixFey的脆硬金属间化合物,降低焊缝性能。目前,对于纯钛及钛合金/碳钢层状结构复合板材的对焊连接,冶金不相容仍然是难题,解决的方法多采用真空电子束焊、钨极氩弧焊等方法,但其效果非常有限,对于脆硬金属间化合物的抑制作用几乎没有。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合板材的对焊连接方法,解决了现有技术中存在的冶金不相容、脆硬金属间化合物的产生、焊缝性能差的问题。
本发明所采用的技术方案是,一种复合板材的对焊连接方法,具体按照以下步骤实施
步骤1、将纯钛或钛合金层与碳钢层通过组坯、爆炸焊和连续控轧控冷方式制备成层状结构双金属复合板;
步骤2、对步骤1得到的双金属复合板进行坡口加工;
步骤3、对经过坡口加工的双金属复合板进行定位点焊;
步骤4、对碳钢层一侧的坡口进行焊接;
步骤5、对纯钛或钛合金一侧的坡口底部进行清根处理;
步骤6、对纯钛或钛合金一侧的坡口底部进行喷涂,形成过渡沉积层;
步骤7、对纯钛或钛合金一侧的坡口进行焊接。
本发明的特点还在于:
步骤1中纯钛或钛合金层为TA0、TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、 TA7、TA8、TA8-1、TA9、TA9-1、TA10、TA11、TA15、TA17、TA18、TC1、 TC2、TC3、TC4或TC4ELI;碳钢层为20G、20R、Q235、Q345、X52、X60、 X65、X70、X80、X90、X100、X120碳素结构钢或压力容器钢或管线钢。
步骤1中纯钛或钛合金层厚度为1~6mm,碳钢层厚度为10~30mm。
步骤2中坡口形状采用“U+I”型,其中,“I”型坡口加工于碳钢层一侧,深度为10~30mm,“U”型坡口加工于纯钛或钛合金层一侧,深度为1~7mm,坡口外沿宽度为3~10mm,“U”型坡口与“I”型坡口的交点处于碳钢层一侧,且深入碳钢一侧深度为0.5~1.5mm。
步骤3具体为,对经过坡口加工的双金属复合板以坡口边为组对边进行两两组对,坡口间隙为0,然后从组对完成的一对复合板的碳钢层一侧每隔 300mm为一定点进行定位点焊。
步骤4具体为,从碳钢层一侧采用激光+冷金属过渡复合焊接方法进行焊接,焊丝为Φ1.2mm的H08Mn2SiA或ER110S-G或ER120S-G的高强焊丝,形成碳钢层焊缝熔覆金属,焊缝熔覆金属宽度为3~6mm,余高为1~3mm,焊接过程纯钛或钛合金层坡口高温区周围进行高纯氩气保护。
步骤5清根处理后纯钛或钛合金一侧的坡口底部呈圆弧状过渡,且深入碳钢层一侧深度为0.5~1.5mm。
步骤6中过渡沉积层厚度为1.5~2.5mm。
步骤7具体为,采用钨极氩弧焊对纯钛或钛合金一侧的坡口进行焊接,焊丝为或的高纯钛焊丝,形成纯钛或钛合金层焊缝熔覆金属,焊缝熔覆金属宽度为5~12mm,余高为1~3mm焊接过程焊缝高温区周围进行高纯氩气保护,得到复合板材。
焊接过程焊缝高温区周围指长×宽=350mm×30mm范围。
本发明的有益效果是:本发明一种复合板材的对焊连接方法,焊接坡口设计简单且易于加工,对大壁厚复合板可实现穿透焊,大大提高了焊接效率;另外,焊接热输入小,显著降低了纯钛及钛合金/碳钢双金属复合界面的热影响,保证了结合强度;同时过渡层能有效阻隔Ti与Fe、C等有害元素的互溶,避免了脆硬金属间化合物TixFey的产生,成功实现了纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材的有效对焊连接,且能保证焊缝的焊接质量和优良的综合力学性能。
附图说明
图1是通过本发明方法得到的复合板材的结构示意图。
其中,1.纯钛或钛合金层,2.纯钛或钛合金层焊缝熔覆金属,3.近钛过渡层,4.近钢过渡层,5.碳钢层,6.碳钢层焊缝熔覆金属。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种复合板材的对焊连接方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1、将纯钛或钛合金层1与碳钢层5通过组坯、爆炸焊和连续控轧控冷方式制备成层状结构双金属复合板;纯钛或钛合金层1为TA0、TA1、 TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、TA8、TA8-1、TA9、TA9-1、TA10、 TA11、TA15、TA17、TA18、TC1、TC2、TC3、TC4或TC4ELI;碳钢层5 为20G、20R、Q235、Q345、X52、X60、X65、X70、X80、X90、X100、 X120碳素结构钢或压力容器钢或管线钢;纯钛或钛合金层1厚度为1~6mm,碳钢层5厚度为10~30mm;
步骤2、对步骤1得到的双金属复合板进行坡口加工;坡口形状采用“U+I”型,其中,“I”型坡口加工于碳钢层一侧,深度为10~30mm,“U”型坡口加工于纯钛或钛合金层一侧,深度为1~7mm,坡口外沿宽度为 3~10mm,“U”型坡口与“I”型坡口的交点处于碳钢层一侧,且深入碳钢一侧深度为0.5~1.5mm;
步骤3、对经过坡口加工的双金属复合板以坡口边为组对边进行两两组对,坡口间隙为0,然后从组对完成的一对复合板的碳钢层一侧每隔300mm 为一定点进行定位点焊;
步骤4、从碳钢层一侧采用激光+冷金属过渡复合焊接方法进行焊接,焊丝为Φ1.2mm的H08Mn2SiA或ER110S-G或ER120S-G的高强焊丝,形成碳钢层焊缝熔覆金属6,焊缝熔覆金属宽度为3~6mm,余高为1~3mm,焊接过程纯钛或钛合金层坡口高温区周围350mm×30mm范围内进行高纯氩气保护;
步骤5、对纯钛或钛合金一侧的坡口底部进行清根处理,清根处理后纯钛或钛合金一侧的坡口底部呈圆弧状过渡,且深入碳钢层一侧深度为 0.5~1.5mm;
步骤6、采用喷涂材料为细小颗粒状的高纯V粉或高纯Nb粉或高纯 Mo粉或高纯Ta粉或高纯W粉或高纯Co粉或高纯Mn粉和高纯Ag粉和高纯Cu粉,对纯钛或钛合金一侧的坡口底部进行喷涂,形成过渡沉积层,过渡沉积层厚度为1.5~2.5mm,全部覆盖碳钢层;
步骤7、对纯钛或钛合金一侧的坡口采用钨极氩弧焊进行焊接,焊丝为或的高纯钛焊丝,形成纯钛或钛合金层焊缝熔覆金属2,焊缝熔覆金属宽度为5~12mm,余高为1~3mm焊接过程焊缝高温区周围 350mm×30mm范围内进行高纯氩气保护,得到如图1所示的焊接态复合板材。
组对好的一幅复合板材,在焊接前需要进行定位点焊,目的是为了防止焊接过程两块复合板发生相对位移,增大坡口间隙,造成焊缝无法成形或产生严重焊接缺陷。
实施例
一种复合板材的对焊连接方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1、将TA1纯钛层和Q345B碳钢层通过组坯+爆炸焊+连续控轧控冷方式制备成层状结构双金属复合板,复合板材总壁厚为(2+14)mm=16mm, Q345B碳钢层厚度为14mm,TA1纯钛层厚度为2mm;
步骤2、对步骤1得到的双金属复合板进行两纵边“U+I”型坡口铣削加工,并对坡口两边10~20mm范围内进行表面清理,坡口加工具体参数为:“U”型坡口位于TA1纯钛层一侧,深度为4mm,坡口外沿宽度为9mm,底部为圆弧过渡状,“I”型坡口位于Q345B碳钢层一侧且深度为12mm;
步骤3、完成坡口加工后,对组对好的一副TA1/Q345B层状结构复合板材从碳钢层一侧每隔300mm长为一个定位点进行定位点焊,点焊后的复合板坡口间隙为0;
步骤4、采用激光+冷金属过渡复合焊接方法从Q345B碳钢层一侧“I”型坡口处进行焊接,焊接过程TA1纯钛层“U”型坡口内高温区周围长×宽=350mm×30mm范围内进行高纯氩气保护,待Q345B碳钢层焊缝熔覆金属成型且冷却致室温后,对TA1纯钛层一侧“U”型坡口内进行清根处理,且保证“U”型坡口底部的圆弧状过渡,然后再采用喷涂技术对“U”型坡口底部进行过渡层的喷涂沉积,Cu做近钢层,Mo做近钛层,喷涂过渡层厚度为2mm,待过渡层喷涂结束后采用钨极氩弧焊对TA1纯钛层一侧“U”型坡口进行填充和盖面焊,形成TA1纯钛层焊缝熔覆金属,焊接过程钛层焊缝高温区周围长×宽=350mm×30mm范围内进行高纯氩气保护;冷金属过渡焊采用Φ1.2mm的H08Mn2SiA焊丝,钨极氩弧焊采用的高纯钛焊丝;
焊接过程焊接工艺参数如表1、表2和表3,得到的复合板焊缝性能测试结果如表4;
表1 Q345B碳钢层一侧的焊接参数
表2纯Mo、Cu粉末的喷涂参数
<u>金属粉末</u> | <u>加速气体压力P1/MPa</u> | <u>送粉气体压力P2/MPa</u> | <u>气体加热温度T/℃</u> | <u>喷涂距离D/mm</u> |
<u>Cu</u> | <u>3.0~5.0</u> | <u>3.5~5.5</u> | <u>150~450</u> | <u>5~10</u> |
<u>Mo</u> | <u>3.5~5.0</u> | <u>4.5~6.5</u> | <u>250~550</u> | <u>8~15</u> |
表3 TA1纯钛层一侧的焊接试验参数
表4 TA1/Q345B钛/钢层状结构复合板焊缝性能测试结果
由上表4可知,通过本发明的焊接方法焊接的复合板材焊缝抗拉强度和焊缝冲击韧性优异。
Claims (10)
1.一种复合板材的对焊连接方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施
步骤1、将纯钛或钛合金层与碳钢层通过组坯、爆炸焊和连续控轧控冷方式制备成层状结构双金属复合板;
步骤2、对步骤1得到的双金属复合板进行坡口加工;
步骤3、对经过坡口加工的双金属复合板进行定位点焊;
步骤4、对碳钢层一侧的坡口进行焊接;
步骤5、对纯钛或钛合金一侧的坡口底部进行清根处理;
步骤6、对纯钛或钛合金一侧的坡口底部进行喷涂,形成过渡沉积层;
步骤7、对纯钛或钛合金一侧的坡口进行焊接得到复合板材。
2.根据权利要求1所述的一种复合板材的对焊连接方法,其特征在于,所述步骤1中纯钛或钛合金层为TA0、TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、TA8、TA8-1、TA9、TA9-1、TA10、TA11、TA15、TA17、TA18、TC1、TC2、TC3、TC4或TC4ELI;碳钢层为20G、20R、Q235、Q345、X52、X60、X65、X70、X80、X90、X100、X120碳素结构钢或压力容器钢或管线钢。
3.根据权利要求1所述的一种复合板材的对焊连接方法,其特征在于,所述步骤1中纯钛或钛合金层厚度为1~6mm,碳钢层厚度为10~30mm。
4.根据权利要求1所述的一种复合板材的对焊连接方法,其特征在于,所述步骤2中坡口形状采用“U+I”型,其中,“I”型坡口加工于碳钢层一侧,深度为10~30mm,“U”型坡口加工于纯钛或钛合金层一侧,深度为1~7mm,坡口外沿宽度为3~10mm,“U”型坡口与“I”型坡口的交点处于碳钢层一侧,且深入碳钢一侧深度为0.5~1.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种复合板材的对焊连接方法,其特征在于,所述步骤3具体为,对经过坡口加工的双金属复合板以坡口边为组对边进行两两组对,坡口间隙为0,然后从组对完成的一对复合板的碳钢层一侧每隔300mm为一定点进行定位点焊。
6.根据权利要求1所述的一种复合板材的对焊连接方法,其特征在于,所述步骤4具体为,从碳钢层一侧采用激光+冷金属过渡复合焊接方法进行焊接,冷金属过渡焊焊丝为Φ1.2mm的H08Mn2SiA或ER110S-G或ER120S-G的高强焊丝,形成碳钢层焊缝熔覆金属,焊缝熔覆金属宽度为3~6mm,余高为1~3mm,焊接过程纯钛或钛合金层坡口高温区周围进行高纯氩气保护。
7.根据权利要求1所述的一种复合板材的对焊连接方法,其特征在于,所述步骤5清根处理后纯钛或钛合金一侧的坡口底部呈圆弧状过渡,且深入碳钢层一侧深度为0.5~1.5mm。
8.根据权利要求1所述的一种复合板材的对焊连接方法,其特征在于,所述步骤6中过渡沉积层厚度为1.5~2.5mm。
10.根据权利要求6或9所述的一种复合板材的对焊连接方法,其特征在于,所述焊接过程焊缝高温区周围指长×宽=350mm×30mm范围。
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