CN114083101B - 一种避免钛/钢复合板钛复层稀释破坏的高能束焊接方法 - Google Patents

一种避免钛/钢复合板钛复层稀释破坏的高能束焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种避免钛/钢复合板钛复层稀释破坏的高能束焊接方法，具体包括以下步骤：步骤一：对钛/钢复合板试样直接电子束单道穿透焊接；步骤二：测量步骤一直接焊焊缝尺寸：焊趾间距离W1和焊根间距离W2；步骤三：根据待焊接的钛复层和钢基层厚度确定多金属叠加复合夹层尺寸并制备；步骤四：将步骤三中制备的预置多金属叠加复合夹层预置在待对接处进行钛/钢复合板电子束单道穿透焊接。本发明通过焊前在钛/钢复合板高能束焊接待焊部位预置多金属叠加复合夹层的方式，成功实现了钛/钢复合板的高效率焊接，尤其是避免了钛/钢复合板单面焊双面成形过程导致的钛复层的稀释破坏问题，保持了钛复层的连续性，保证了钛/钢复合板的耐蚀性能。

Description

一种避免钛/钢复合板钛复层稀释破坏的高能束焊接方法
技术领域
本发明属于钛/钢复合板焊接技术领域，尤其涉及一种避免钛/钢复合板钛复层稀释破坏的高能束焊接方法。
背景技术
钛/钢金属层状复合板，是采用轧制、焊接等成形工艺，将性能优异的钛合金与钢铁材料复合而成的一种层状复合材料。其中，价格较高的钛作为复层材料，在复合板中厚度占比较小，主要起提供复合板耐蚀性能的作用；而价格较低的钢铁作为基层材料，厚度占比较大，起到保障复合板强度的作用。通过将钛和钢铁材料在厚度占比上进行合理匹配，能够实现彼此优、缺点互补，从而在综合性能、性价比等方面，相比于单一板材，具有明显优势。例如，耐腐蚀性能好、塑韧性高、性价比高等。目前，钛/钢层状复合板在海洋工程、淡水工程、船舶工程以及机械化工等领域得到广泛的应用。
随着钛/钢层状复合板应用领域与范围的不断扩展，在大型或复杂复合板构件的制造过程中必然涉及到其焊接问题。但是在焊接过程中，钛复层和钢基层之间会发生合金化反应，不仅会产生硬、脆的金属间化合物(如TiFe、TiFe2)，更为重要的是二者的化合反应会导致较薄的钛复层发生稀释破坏，从而使复合板丧失耐腐蚀性等功能属性。当前，钛/钢复合板在焊接过程中导致的钛复层稀释破坏问题，已经成为限制其应用的重点和关键，因而备受关注。
目前，为了解决钛复层在对接焊接过程中出现的稀释问题，国内外通常采用的方法为分层焊接技术。即采用先在待焊接位置处机加出特定坡口，再分别对基层和复层进行焊接的方式。此外，为了避免复层和基层在焊接过程中的直接接触，通常会在基层和复层之间增加一层中间过渡层。上述添加中间层的方式，极大降低了钛层和钢层之间的反应，尤其是解决了焊后钛复层的稀释破坏问题，从而保证了其功能性。但是，分层焊接存在生产效率低，操作过程复杂以及难以实现自动化等明显问题，大大限制了其更为广泛的工程化应用。因此，亟待开发出适合钛/钢复合板的高效优质焊接技术。
高能束穿透焊技术具有焊接速度快、密度高以及热输入小的优点，在解决钛/钢层状复合板的焊接问题方面有着较好的应用前景。但是，在采用高能束方法实现复合板单面焊双面成形的过程中，钛复层和钢基层之间会发生剧烈的合金化反应，不仅会产生大量金属间化合物，而且会使复层出现严重的稀释破坏问题。一些学者采用焊前预置钒、镍等单金属夹层、再进行穿透焊接，可以明显降低接头中金属间化合物的含量，但是仍难以实现钛复层在焊接过程中不发生稀释破坏。因此，如何改进、设计出更为合理的夹层，进一步避免钛复层在焊接过程中的稀释破坏，从而解决钛/钢复合板的高效化焊接问题，业已成为业界关注的焦点。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种避免钛/钢复合板钛复层稀释破坏的高能束焊接方法，在高能束对接焊接前，在待焊位置预置多金属叠加复合夹层，然后再进行穿透焊接，从而避免钛复层在单面焊双面成形过程中出现的复层稀释破坏问题，以保证钛/钢复合板接头的力学性能与功能性，从而解决钛/钢复合板的高效化焊接问题。
一种避免钛/钢复合板钛复层稀释破坏的高能束焊接方法，具体包括以下步骤：
步骤一：选取与待焊接的钛/钢复合板厚度相同的两块钛/钢复合板作为试样，对试样直接进行电子束单道穿透焊接；
步骤二：测量步骤一直接焊焊缝尺寸：焊趾间距离W1和焊根间距离W2；
步骤三：根据待焊接的钛复层和钢基层厚度确定多金属叠加复合夹层尺寸并制备；
步骤四：将步骤三中制备的预置多金属叠加复合夹层预置在待焊接的钛/钢复合板的对接处进行钛/钢复合板电子束单道穿透焊接。
所述步骤一的具体焊接过程为：
(一)在焊前确定被焊工件的几何尺寸即待焊接的钛/钢复合板中钛复层厚度H1和钢基层厚度H2；
(二)去除被焊件表面油污、灰尘及锈迹，保证对接面的清洁；
(三)将被焊件钛复层和钢基层固定在电子束的焊接工装上，钢基层在上部、钛复层在下部；
(四)将电子束流移动到被焊件的上方，确定施焊位置，完成电子束流的定位；然后按聚焦电流420-440mA、焊接速度80-120mm/min、焊接电流40-50mA、焊接电压50-80kV的参数沿被焊工件对接处行进，保证单面焊双面成形，直至焊接完成。
所述步骤三中的多金属叠加复合夹层为“三明治”结构，包括钛底层、过渡层和钢顶层，所述钛底层与钛复层母材成分一致，钢顶层与钢基层成分一致；所述多金属叠加复合夹层包括两种，第一种是过渡层为单一过渡层，且过渡层采用V或Nb；第二种是过渡层为双层过渡层，此时过渡层为V层与Cu层构成的双层过渡层或Nb与Cu层构成的双层过渡层。
所述步骤三金属叠加复合夹层尺寸的确定方法为：钛底层厚度H3＝(1/2～3/4)H1，钢顶层厚度H5＝(13/16～7/8)H2，过渡层总厚度H4＝(1/4～1/2)H1+(1/8～3/16)H2；其中当过渡层为双层过渡层时，Cu层厚度H6满足(1/3)H4≤H6≤(1/2)H4，另一V层或Nb层的厚度为(1/2)H4≤H7≤(2/3)H4)，其中Cu层靠近钛底层；金属叠加复合夹层总厚度为H＝H1+H2＝H3+H4+H5。
所述步骤三中多金属叠加复合夹层的制备方法为：通过直接粘接法或激光熔覆粉末制备法或增材制造制备法，按照钢顶层在上、过渡层在中、钛底层在下的排布顺序，完成多金属叠加复合夹层的粗制；粗制完成后，将上述粗制的多金属叠加复合夹层根据步骤二中测量的焊缝的焊趾间距离W1、焊根间距离W2和焊缝截面形状，按照钢顶层宽度W3和钛底层宽度W4满足W2≤W3＜W1、0＜W4≤W2)进行机加处理，得到待预置多金属叠加复合夹层。
上述的一种避免钛/钢复合板钛复层稀释破坏的高能束焊接方法，所述步骤四的焊接过程为：
(一)焊前将被焊件钛复层和钢基层机加出与多金属叠加复合夹层尺寸相同的坡口，钢基层坡口宽度W5＝W3、钛复层坡口宽度W6＝W4，同时去除被焊件表面的油污、灰尘及锈迹，保证对接面的清洁；
(二)在待对接处预置步骤三中制备完毕的多金属叠加复合夹层，并将待焊件固定在电子束的焊接工装上，保证钢基层在上、钛复层在下，且多金属叠加复合夹层与复合板之间紧密贴合；
(三)将电子束流移动到被焊件的上方，将多金属叠加复合夹层所在位置处确定为施焊位置，人工操控电子束数控平台，使电子束流沿复合金属夹层运行一次，以完成电子束焊接起始点的定位，在保证单面焊双面成形的基础上，按照步骤一的参数正式施焊，直至焊接完成。
本发明的有益效果是：
1、本发明在钛/钢层状复合板高能束对接焊前在待焊位置预置多金属复合夹层，能够有效避免复层在单道焊双面成形焊接过程中出现的稀释破坏问题，从而大大提高接头的包括力学性能在内的综合性能以及保证其功能性。
2、本发明提出的在钛/钢双金属层状复合板对接处预置复合金属夹层的单道穿透焊接方式，具有工艺装配简单、焊接效率高、焊接过程方便、可靠、接头综合性能高的特点，工业应用前景广泛。
附图说明
图1为步骤一中对钛/钢复合板直接高能束单道穿透焊接示意图；
图2为本发明提供的多金属叠加复合夹层的示意图(其中图(a)为过渡层是单一过渡层的多金属叠加复合夹层，图(b)为过渡层是双层过渡层的多金属叠加复合夹层)；
图3为本发明提供的预置多金属复合夹层的钛/钢复合板高能束单道穿透焊接示意图(其中图(a)为过渡层是单一过渡层的多金属叠加复合夹层时的示意图，图(b)为过渡层是双层过渡层的多金属叠加复合夹层时的示意图)；
其中，
1-基层，2-复层，3-多金属叠加复合夹层，H1-复层厚度，H2-基层厚度，H3-钛底层厚度，H4-过渡层总厚度，H6-Cu层厚度，H7-过渡金属层厚度，H5-钢顶层厚度，H-复合板总厚度(H＝H1+H2＝H3+H4+H5，H4＝H6+H7)。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。
实施例1
一种避免钛/钢复合板钛复层稀释破坏的高能束焊接方法，具体包括以下步骤：
步骤一：如图1所示，选取与待焊接的钛/钢复合板厚度相同的两块钛/钢复合板作为试样，对试样直接进行电子束单道穿透焊接
(一)在焊前确定被焊工件的几何尺寸，即待焊接的钛/钢复合板中钛复层2厚度H1和钢基层1厚度H2，本实施例中钛/钢复合板中钛复层2厚度H1＝2mm、钢基层1厚度H2＝8mm；
(二)去除被焊件表面油污、灰尘及锈迹，保证对接面的清洁；
(三)将被焊件钛/钢复合板固定在电子束的焊接工装上，钢基层1在上部、钛复层2在下部；
(四)将电子束流移动到被焊件的上方，确定施焊位置，完成电子束流的定位；然后在保证单面焊双面成形的基础上，沿被焊工件对接处行进，直至焊接完成；本实施例中的焊接参数为聚焦电流420mA、焊接速度100mm/min、焊接电流45mA、焊接电压65kV，保证单面焊双面成形。
步骤二：测量步骤一直接焊焊缝尺寸
步骤一直接焊结束后，左右焊趾和焊跟之间形成上宽下窄的四边形，测量上述步骤一中所得焊缝的焊趾间距离W1和焊根间距离W2；本实施例中焊趾间距离为W1＝8mm，焊根间的距离W2＝3mm。
步骤三：确定多金属叠加复合夹层3尺寸并制备
(一)确定多金属叠加复合夹层3尺寸：
如图2(a)所示，所述多金属叠加复合夹层3为“三明治”结构，包括钛底层、过渡层和钢顶层，所述钛底层与钛复层2母材成分一致，钢顶层与钢基层1成分一致。本实施例中所述多金属叠加复合夹层3的过渡层是单一过渡层，且过渡层采用V作为过渡金属层；
本实施例中的多金属叠加复合夹层3为单过渡层多金属叠加复合夹层3，各部分的厚度尺寸如下：钛底层厚度H3＝1.5mm、过渡层总厚度H4＝1.5mm、钢顶层厚度H5＝7mm，多金属叠加复合夹层3的总厚度与复合板总厚度H相同，为H＝10mm；
(二)制备多金属叠加复合夹层3：
根据上述尺寸通过直接粘接法或激光熔覆粉末制备法或增材制造制备法，按照钢顶层在上、过渡层在中、钛底层在下的排布顺序，完成多金属叠加复合夹层3的粗制。粗制完成后，将上述粗制的多金属叠加复合夹层3根据步骤二中测量的焊缝的焊趾间距离W1、焊根间距离W2和焊缝截面形状进行机加处理，得到待预置多金属叠加复合夹层3；本实施例中的复合金属夹层制备方式为直接粘接法，各层的宽度尺寸为：钢顶层宽度W3＝3mm、钛底层宽度W4＝3mm，坡口形式为I形坡口。
步骤四：如图3(a)所示，将步骤三中制备的预置多金属叠加复合夹层3预置在待焊接的钛/钢复合板的对接处进行钛/钢复合板电子束单道穿透焊接：
(一)焊前将被焊件钛/钢复合板机加出与多金属叠加复合夹层3尺寸相同的坡口，钢基层1坡口宽度W5＝W3、钛复层2坡口宽度W6＝W4；本实施例中按照钢基层1宽度3mm、钛复层2宽度3mm机加工I形坡口，同时去除被焊件表面的油污、灰尘及锈迹，保证对接面的清洁。
(二)在待对接处预置步骤三中制备完毕的多金属叠加复合夹层3，将待焊件固定在电子束的焊接工装上，保证钢基层1在上、钛复层2在下，且多金属叠加复合夹层3与复合板之间紧密贴合；
(三)将电子束流移动到被焊件的上方，将多金属叠加复合夹层3所在位置处确定为施焊位置，具体为多金属叠加复合夹层3宽度的中间位置；人工操控电子束数控平台，使电子束流沿复合金属夹层运行一次，以完成电子束焊接起始点坐标的确定，完成电子束流的定位，在保证单面焊双面成形的基础上，按照步骤一的参数正式施焊，直至焊接完成。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例中多金属叠加复合夹层3的过渡层是单一过渡层，且过渡层采用Nb作为过渡金属层，其余设置及方法步骤与实施例1相同。
实施例3
一种避免钛/钢复合板钛复层稀释破坏的高能束焊接方法，具体包括以下步骤：
步骤一：如图1所示，选取与待焊接的钛/钢复合板厚度相同的两块钛/钢复合板作为试样，对试样直接进行电子束单道穿透焊接
(一)在焊前确定被焊工件的几何尺寸，即待焊接的钛/钢复合板中钛复层2厚度H1和钢基层1厚度H2，本实施例中钛/钢复合板中钛复层2厚度H1＝2mm、钢基层1厚度H2＝8mm；
(二)去除被焊件表面油污、灰尘及锈迹，保证对接面的清洁；
(三)将被焊件钛/钢复合板固定在电子束的焊接工装上，钢基层1在上部、钛复层2在下部；
(四)将电子束流移动到被焊件的上方，确定施焊位置，完成电子束流的定位；然后在保证单面焊双面成形的基础上，沿被焊工件对接处行进，直至焊接完成；本实施例中的焊接参数为聚焦电流420mA、焊接速度100mm/min、焊接电流45mA、焊接电压65kV，保证单面焊双面成形。
步骤二：测量步骤一直接焊焊缝尺寸
步骤一直接焊结束后，左右焊趾和焊跟之间形成上宽下窄的四边形，测量上述步骤一中所得焊缝的焊趾间距离W1和焊根间距离W2；本实施例中焊趾间距离为W1＝8mm，焊根间的距离W2＝3mm。
步骤三：确定多金属叠加复合夹层3尺寸并制备
(一)确定多金属叠加复合夹层3尺寸：
如图2(b)所示，所述多金属叠加复合夹层3为“三明治”结构，包括钛底层、过渡层和钢顶层，所述钛底层与钛复层2母材成分一致，钢顶层与钢基层1成分一致。本实施例中所述多金属叠加复合夹层3的过渡层是双层过渡层，且过渡层为V层与Cu层构成的双层过渡层，其中Cu层靠近钛底层，V作为过渡金属层；
本实施例中的多金属叠加复合夹层3为双层过渡层多金属叠加复合夹层3，各部分的厚度尺寸如下：钛底层厚度H3＝1.5mm、过渡层总厚度H4＝1.5mm，其中Cu层厚度H6＝0.5mm、V层即过渡金属层厚度H7＝1mm、钢顶层厚度H5＝7mm，多金属叠加复合夹层3的总厚度与复合板总厚度相同，为H＝10mm；
(二)制备多金属叠加复合夹层3：
根据上述尺寸通过直接粘接法或激光熔覆粉末制备法或增材制造制备法，按照钢顶板在上、过渡层在中、钛底层在下的排布顺序，完成多金属叠加复合夹层3的粗制。粗制完成后，将上述粗制的多金属叠加复合夹层3根据步骤二中测量的焊缝的焊趾间距离W1、焊根间距离W2和焊缝截面形状进行机加处理，得到待预置多金属叠加复合夹层3；本实施例中的复合金属夹层制备方式为直接粘接法，各层的宽度尺寸为：钢顶层宽度W3＝3mm、钛底层宽度W4＝3mm，坡口形式为I形坡口。
步骤四：如图3(b)所示，将步骤三中制备的预置多金属叠加复合夹层3预置在待焊接的钛/钢复合板的对接处进行钛/钢复合板电子束单道穿透焊接
(一)焊前将被焊件钛钢复合板机加出与多金属叠加复合夹层3尺寸相同的坡口，钢基层1坡口宽度W5＝W3、钛复层2坡口宽度W6＝W4；本实施例中按照钢基层1宽度3mm、钛复层2宽度3mm机加工I形坡口，同时去除被焊件表面的油污、灰尘及锈迹，保证对接面的清洁。
(二)在待对接处预置步骤三中制备完毕的多金属叠加复合夹层3，将待焊件固定在电子束的焊接工装上，保证钢基层1在上、钛复层2在下，且多金属叠加复合夹层3与复合板之间紧密贴合；
(三)将电子束流移动到被焊件的上方，将多金属叠加复合夹层3所在位置处确定为施焊位置，具体为多金属叠加复合夹层3宽度的中间位置；人工操控电子束数控平台，使电子束流沿复合金属夹层运行一次，以完成电子束焊接起始点坐标的确定，完成电子束流的定位，在保证单面焊双面成形的基础上，按照步骤一的参数正式施焊，直至焊接完成。
实施例4
本实施例与实施例3的区别仅在于，本实施例中多金属叠加复合夹层3的过渡层是双层过渡层，且过渡层为Nb层与Cu层构成的双层过渡层，其中Cu层靠近钛底层，其余设置及方法步骤与实施例3相同。
本发明通过焊前在钛/钢复合板高能束焊接待焊部位预置多金属叠加复合夹层3的方式，成功实现了钛/钢复合板的高效率焊接，尤其是避免了钛/钢复合板单面焊双面成形过程导致的钛复层2的稀释破坏问题，保持了钛复层2的连续性，保证了钛/钢复合板的耐蚀性能。
本发明操作工艺简单，易于实现，适用于钛/钢复合板的焊接，在钛/钢层状复合板高能束焊接时，提供合理有效的夹层，从而解决钛/钢复合板的高效化焊接问题，保证了接头的质量以及接头的耐蚀性，对于推动高能束焊接技术在异质金属层状复合板焊接领域的工业化应用，具有重要意义。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种避免钛/钢复合板钛复层稀释破坏的高能束焊接方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一：选取与待焊接的钛/钢复合板厚度相同的两块钛/钢复合板作为试样，对试样直接进行电子束单道穿透焊接；
所述步骤一的具体焊接过程为：
步骤1.1：在焊前确定被焊工件的几何尺寸即待焊接的钛/钢复合板中钛复层厚度H1和钢基层厚度H2；
步骤1.2：去除被焊件表面油污、灰尘及锈迹，保证对接面的清洁；
步骤1.3：将被焊件钛复层和钢基层固定在电子束的焊接工装上，钢基层在上部、钛复层在下部；
步骤1.4：将电子束流移动到被焊件的上方，确定施焊位置，完成电子束流的定位；然后按聚焦电流420-440mA、焊接速度80-120mm/min、焊接电流40-50mA、焊接电压50-80kV的参数沿被焊工件对接处行进，保证单面焊双面成形，直至焊接完成；
步骤二：测量步骤一直接焊焊缝尺寸：焊趾间距离W1和焊根间距离W2；
步骤三：根据待焊接的钛复层和钢基层厚度确定多金属叠加复合夹层尺寸并制备；
所述步骤三中的多金属叠加复合夹层为“三明治”结构，包括钛底层、过渡层和钢顶层，所述钛底层与钛复层母材成分一致，钢顶层与钢基层成分一致；所述多金属叠加复合夹层包括两种，第一种是过渡层为单一过渡层，且过渡层采用V或Nb；第二种是过渡层为双层过渡层，此时过渡层为V层与Cu层构成的双层过渡层或Nb与Cu层构成的双层过渡层；多金属叠加复合夹层的总厚度与复合板总厚度H相同；
所述步骤三中多金属叠加复合夹层的制备方法为：通过直接粘接法或激光熔覆粉末制备法或增材制造制备法，按照钢顶层在上、过渡层在中、钛底层在下的排布顺序，完成多金属叠加复合夹层的粗制；粗制完成后，将上述粗制的多金属叠加复合夹层根据步骤二中测量的焊缝的焊趾间距离W1、焊根间距离W2和焊缝截面形状，按照钢顶层宽度W3和钛底层宽度W4满足W2≤W3＜W1、0＜W4≤W2进行机加处理，得到待预置多金属叠加复合夹层；
步骤四：将步骤三中制备的预置多金属叠加复合夹层预置在待焊接的钛/钢复合板的对接处进行钛/钢复合板电子束单道穿透焊接。
2.根据权利要求1所述的一种避免钛/钢复合板钛复层稀释破坏的高能束焊接方法，其特征在于：所述步骤三多金属叠加复合夹层尺寸的确定方法为：钛底层厚度H3＝(1/2～3/4)H1，钢顶层厚度H5＝(13/16～7/8)H2，过渡层总厚度H4＝(1/4～1/2)H1+(1/8～3/16)H2；其中当过渡层为双层过渡层时，Cu层厚度H6满足(1/3)H4≤H6≤(1/2)H4，另一V层或Nb层的厚度为(1/2)H4≤H7≤(2/3)H4，其中Cu层靠近钛底层；多金属叠加复合夹层总厚度为H＝H1+H2＝H3+H4+H5。
3.根据权利要求1所述的一种避免钛/钢复合板钛复层稀释破坏的高能束焊接方法，其特征在于：所述步骤四的焊接过程为：
步骤3.1：焊前将被焊件钛复层和钢基层机加出与多金属叠加复合夹层尺寸相同的坡口，钢基层坡口宽度W5＝W3、钛复层坡口宽度W6＝W4，同时去除被焊件表面的油污、灰尘及锈迹，保证对接面的清洁；
步骤3.2：在待对接处预置步骤三中制备完毕的多金属叠加复合夹层，并将待焊件固定在电子束的焊接工装上，保证钢基层在上、钛复层在下，且多金属叠加复合夹层与复合板之间紧密贴合；
步骤3.3：将电子束流移动到被焊件的上方，将多金属叠加复合夹层所在位置处确定为施焊位置，人工操控电子束数控平台，使电子束流沿复合金属夹层运行一次，以完成电子束焊接起始点的定位，在保证单面焊双面成形的基础上，按照步骤一的参数正式施焊，直至焊接完成。
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