CN116810095B - 一种厚壁钛材对接焊缝的高效焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料焊接技术领域，具体涉及一种厚壁钛材对接焊缝的高效焊接方法，包括如下步骤：S1、对待焊工件对接接头进行质量检测分析；S2、设计对接接头的坡口结构为U型，通过精密加工保证坡口参数及公差在控制范围内；S3、焊前质量控制；S4、按设定顺序和焊接方式进行层次焊接。本方法焊缝内部表面质量好，焊接熔敷效率高、熔覆效率可达到3.0kg/小时，生产效率可提高40％，材料消耗少，母材和焊材损耗降低30％，首次实现大钝边钛材厚壁焊接接头根部全焊透、高效填充和美观盖面的全自动连续高质量高效智能焊接。

Description

一种厚壁钛材对接焊缝的高效焊接方法

技术领域

本发明属于金属材料焊接技术领域，具体涉及一种厚壁钛材对接焊缝的高效焊接方法。

背景技术

钛材密度小、强度比强度高，与钛合金相比，工业纯钛耐蚀性能好、强度虽比钛合金低，但经济实用，加工性能好而在特定耐蚀工况得到广泛应用。随着石化装置大型化、节能化、高效化和持久化应用需求提升、深空深海探测需求的快速发展，钛加工能力及性能研究的持续提高，大型厚壁钛及钛合金制容器需求趋于旺盛。为了提高投资收益比和效能比，钛制容器部件开始向强度更高的合金化及厚壁化转变。

伴随着技术要求更趋严苛，研发制造周期一再缩短，现有焊接加工技术：普通钨极氩弧焊熔深浅、熔敷效率低、虽焊缝质量优异但过程质量稳定性受环境及人为因素影响大，材料损耗多，如此焊接生产效率低，成本高；

等离子弧焊接和深熔焊，是一种穿透型焊接方法，受一次焊透能力(一次焊透深度在≤16mm)限制，主要用于一次焊透工件及打底焊接，后续焊接需要采用其它方法填充盖面完成，对于16mm以下厚钛材焊接能良好完成高质量高效焊接，对于20mm以上材料部分，只能用于≥20mm的厚壁钛合金对接焊缝打底焊接，填充和盖面无法满足要求，需要采用通用自动钨极氩弧焊进行，不能满足大型高强厚壁钛制容器高质量高效连续生产需要。

电子束焊作为大型厚壁钛及钛合金的高效焊接方法，受电子束穿透能力及真空室限制，持续工作过程中质量稳定性不足，运营成本高，超过真空室规格的大型钛装置需要不断更新真空室，适应性不强，且电子束焊接系统价格昂贵，投入产出比低，不利于大型高强厚壁化容器或制品的高效高质量制造。

窄间隙钨极氩弧焊作为钛厚壁接头焊接的经济实用焊接方法，采用窄坡口，显著降低材料消耗少，坡口加工、焊接时间少，从而生产周期显著缩短；可采用普通钨极氩弧焊开展钛厚壁平板/圆弧形对接窄间隙焊接焊接，人工焊接适应性强，但焊接层次多、熔敷效率低、焊接质量受人为因素影响大、焊缝质量稳定性差，焊接过程中需要人员集中精力，劳动强度大，容易出现夹钨、打弧、侧壁层间不熔合等质量问题，对钛厚壁焊缝连续焊接过程质量带来严重影响。机械式窄间隙钨极氩弧焊，采用了机动控制钨极摆动，进而实现电弧摆动解决钛厚壁工件窄间隙焊接过程中的侧壁熔合问题，但选用的钨极直径小，热输入小，填充材料一般为直径Φ0.8～1.2mm的细丝，解决侧壁熔合问题的同时实现了钛厚壁焊缝的连续高质量焊接，但机械方法磨损大、控制精度要求高，热输入相对较小、熔敷效率低，现大量用于厚壁管道自动焊，钛制厚壁焊接工艺尚处于研究阶段。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种可以实现20mm以上厚壁钛材对接焊缝高质量高效焊接的厚壁钛材对接焊缝的高效焊接方法。

为实现上述技术目的，本发明采用以下的技术方案：

一种厚壁钛材对接焊缝的高效焊接方法，包括如下步骤：

S1、对待焊工件对接接头进行质量检测分析，对接接头抗拉强度至少达到相应母材抗拉强度的0.9倍以上；

S2、设计对接接头的坡口结构为U型，通过精密加工保证坡口参数及公差在控制范围内；

S3、焊前质量控制：

S31、焊前清理：对待焊工件坡口每侧坡口及坡口边缘母材表面修磨和擦洗，清理去除表面氧化皮及污物；

S32、组对成型：将两个待焊工件进行组对，组对时保证两个待焊工件钝边正面坡口表面平齐，控制钝边背面错边量≤1.0mm、根部间隙在0～1mm，待焊工件两端各点焊一块与钝边厚度一致的引弧板和熄弧板；根据待焊工件长度，在待封底坡口一侧间隔点焊固定工装，防止打底焊接过程中工件开口影响焊接，并将待焊工件固定在焊接变位机上；调试保护系统效果及保护气体保护质量，施焊后焊缝热影响区达到银白色合格，调试焊接系统运行完好；

S4、焊接

调整焊接系统进行待焊工件起弧点、收弧点及运动轨迹进行识别和记忆；将焊接确定在选定的焊接位置启动焊接；焊接机器人在起弧板上起弧，焊接机器人与焊接变位机联动，在焊接过程中，焊接熔池始终处于结晶和成型的能保证焊接质量的最佳位置，并按以下焊接方式进行焊接：

S41、采用脉冲钨极氩弧焊自熔焊接工艺进行正面打底焊接；

S42、采用粗丝磁控窄间隙钨极氩弧焊在正面窄坡口内进行填充焊焊接到一定焊缝厚度；

S43、采用脉冲钨极氩弧焊自熔焊接工艺进行背面封底焊透性焊接；

S44、采用粗丝磁控窄间隙钨极氩弧焊在背面坡口内进行填充焊接，根据变形量情况确定，在正面和背面坡口进行交替填充焊接，直至距离母材表面2～3mm距离处；

S45、采用脉冲钨极氩弧焊进行盖面层焊缝焊接，完成厚壁钛材对接焊缝焊接。

作为优选的技术方案，厚壁钛材的厚度≥20mm。

作为优选的技术方案，步骤S2中，对接接头的主要坡口参数及允差如下：

钝边b＝4～8mm，加工公差控制在0～0.5mm；

坡口角度α＝6～12°，加工公差控制在0～1.0°；

根部圆角R＝4～6mm，加工公差控制在00.5mm；

钝边中心线距单层距离H的加工公差控制在0～0.2mm。

作为优选的技术方案，步骤S4中，焊接用保护气体为99.99％Ar。

作为优选的技术方案，步骤S4中，焊接用电极为铈钨极，钨极直径均为4～6mm。

作为优选的技术方案，步骤S4中，填充粗丝的直径为2～3mm。

作为优选的技术方案，步骤S4中，焊接系统的电源为额定电流1000A以上的直流数字脉冲焊接电源。

作为优选的技术方案，步骤S41中，打底工艺参数控制在能熔透钝边厚度的55～70％之间。

作为优选的技术方案，步骤S42中，采用粗丝磁控窄间隙钨极氩弧焊在正面窄坡口内填充焊接到两层6～8mm焊缝厚度。

由于采用上述技术方案，本发明具有至少以下有益效果：

(1)通过对待焊工件对接接头进行质量检测分析，对接接头抗拉强度至少达到相应母材抗拉强度的0.9倍以上，这样可以保证质量的在最佳焊接位置进行焊接，避免焊件厚度大、圆弧形工件时焊接位置变化大，焊接层次多、持续时间长、焊接过程不稳定及焊接位置变化引起焊接质量不稳定因素造成焊接过程质量控制难度大的问题。

(2)通过设计对接接头的坡口结构为U型，保持一定钝边量，既可以使组对质量容易保证，其次这种设计结构便于采用全自动磁控窄间隙钨极氩弧焊实现打底封底双面全焊透，并且有利于收缩变形控制。

(3)对接接头的主要坡口参数及允差控制在钝边b＝4～8mm、坡口角度α＝6～12°、根部圆角R＝4～6mm，这个结构设计的坡口宽度小、母材损耗少，填充焊丝少且填充时间短，为厚壁钛材平板或圆弧形对接焊缝高质量高效全过程自动化焊接提供了良好的技术保证。

(4)通过焊前质量控制技术，避免了钛材焊接容易受污物及空气污染、焊缝焊接容易出现焊接质量的问题，焊前坡口清理、焊接系统完好性、保护系统保护效果及气体质量、组对质量保证了焊接过程的高效高质量焊接。

(5)焊接方式采用独特、适应钛材厚壁的焊接方式，按照设定焊接顺序、焊接参数来完成焊缝智能焊接，在焊接过程中，焊接机器人与焊接变位机联动，始终使焊接熔池处于能有效保证焊缝质量的最佳位置如平位或规定位置，采用大功率脉冲钨极氩弧焊直流电源、大直径钨极、粗丝填充，焊缝内部表面质量好、焊接熔敷效率高、熔覆效率可达到3.0kg/小时、生产效率可提高40％、材料消耗少、母材和焊材损耗降低30％，首次实现大钝边(4～8mm)钛材厚壁焊接接头根部全焊透、高效填充和美观盖面的全自动连续高质量高效智能焊接。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明实施例中待焊工件对接接头的坡口结构示意图；

图2是本发明实施例中待焊工件对接接头的坡口结构及参数尺寸；

图3是本发明实施例中焊缝焊接层次示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

下面以42mm厚TA2圆弧形对接焊缝焊接为例进行说明。

一种厚壁钛材对接焊缝的高效焊接方法，包括如下步骤：

S1、对待焊工件对接接头进行质量检测分析，对接接头抗拉强度至少达到相应母材抗拉强度的0.9倍以上；

S2、如图1所示，设计对接接头的坡口结构为U型，通过精密加工保证坡口参数及公差在控制范围内；对接接头的主要坡口参数及允差如下：

钝边b＝4～8mm，加工公差控制在0～0.5mm；

坡口角度α＝6～12°，加工公差控制在0～1.0°；

根部圆角R＝4～6mm，加工公差控制在00.5mm；

钝边中心线距单层距离H的加工公差控制在0～0.2mm；

如图2所示，本实施例中，主要坡口参数为钝边b＝4mm，坡口角度α＝10°，根部圆角R＝4mm，钝边中心线距单层距离为21mm。

S3、焊前质量控制：

S31、焊前清理：对待焊工件坡口每侧坡口及坡口边缘25mm范围的母材表面修磨和擦洗：清理去除表面氧化皮，丙酮或无水酒精擦洗去除坡口及坡口边缘40mm范围内灰尘、油渍等污物；

S32、组对成型：按图1所示将两个待焊工件进行组对，组对时保证两个待焊工件钝边正面坡口表面平齐，控制钝边背面错边量≤1.0mm、根部间隙p在0～1mm，待焊工件两端各点焊一块长80mm、宽60mm、与钝边厚度一致、材质为TA2的引弧板和熄弧板；根据待焊工件长度，在待封底坡口一侧间隔一定距离点焊马鞍型TA2固定工装，防止打底焊接过程中工件开口影响焊接，并将待焊工件固定在焊接变位机上；对工件焊接区域做好保护，防止灰尘等进入；调试保护系统效果及保护气体保护质量，施焊后焊缝热影响区达到银白色合格，调试焊接系统运行完好；

S4、焊接

调整焊接机器人使电极端部对中坡口中心，调节焊接机器人识别焊接起始点、坡口区域及工件坡口焊接运行轨迹，将起弧点调整至平焊位置或适于焊接熔池结晶规定位置；启动焊接，焊接机器人在起弧板上起弧，焊接机器人与焊接变位机联动，在焊接过程中，焊接熔池始终处于结晶和成型的能保证焊接质量的最佳位置，实现在最优和最易保证质量位置实施高效焊接；具体焊接顺序如下：(参考图3，数字1-14代表焊缝焊接层次)

S41、采用脉冲钨极氩弧焊自熔焊接工艺进行正面打底焊接，打底工艺参数控制在能熔透钝边厚度的55～70％之间；

S42、采用粗丝(直径为2～3mm)磁控窄间隙钨极氩弧焊按表1工艺参数在正面窄坡口内进行填充焊焊接，填充到两层6～8mm焊缝厚度；

S43、采用热输入较大的脉冲钨极氩弧焊自熔焊接工艺进行背面封底焊透性焊接；

S44、采用粗丝磁控窄间隙钨极氩弧焊按表1工艺参数在背面坡口内进行填充焊接，根据变形量情况确定，在正面和背面坡口进行交替填充焊接，直至距离母材表面2～3mm距离处；

S45、采用脉冲钨极氩弧焊进行盖面层焊缝焊接，完成厚壁钛材对接焊缝焊接。

其中，焊接用保护气体为99.99％Ar，焊接用电极为铈钨极，钨极直径均为4～6mm。

焊接不需要预热，焊接系统的电源为额定电流1000A的直流数字脉冲焊接电源。采用焊接机器人抓磁控窄间隙焊枪，与焊接变位机联动，电源极性直流正接，具体焊接参数如下表1。

表1焊接工艺参数

S5、焊缝质量检验和试验

对42mm钛厚壁圆弧形对接焊缝进行外观检测，表面成型良好，无咬边、气孔、裂纹等缺陷，焊缝及热影响区为银白色；

按NB/T47013-2015进行100％射线、超声及表面着色等无损检测和评定，具体试验结果如下:

A、射线检测按最高技术等级B级，焊接接头合格级别均达到I级合格；

B、超声检测按最高技术等级B级，焊接接头合格级别均达到I级合格；

C、着色检测按最高技术等级C级，焊接接头合格级别均达到I级合格；

按规定进行拉伸、弯曲、冲击等各项力学性能试验，各项力学性能指标也符合标准要求。

以上试验结果表明，本发明进行钛厚壁(≥20mm)圆弧形或平板对接焊缝焊接，在分析焊缝质量和性能、形状要求基础上，选用的焊接装置配套合理、设计的坡口结构、参数尺寸及允差、焊前准备质量控制技术及设定焊接方式及参数符合钛厚壁圆弧形或平板对接接头质量和性能控制要求。

本发明方法与现有工艺相比，焊接熔敷效率高、熔覆效率可达到3.0kg/小时，生产效率可提高40％，材料消耗少，母材和焊材损耗降低30％，首次实现大钝边(4～8mm)钛材厚壁焊接接头根部全焊透、高效填充和美观盖面的全自动连续高质量高效智能焊接。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域内的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种厚壁钛材对接焊缝的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、对待焊工件对接接头进行质量检测分析，对接接头抗拉强度至少达到相应母材抗拉强度的0.9倍；

S2、设计对接接头的坡口结构为U型，通过精密加工保证坡口参数及公差在控制范围内；

S3、焊前质量控制：

S31、焊前清理：对待焊工件坡口每侧坡口及坡口边缘母材表面修磨和擦洗，清理去除表面氧化皮及污物；

S32、组对成型：将两个待焊工件进行组对，组对时保证两个待焊工件钝边正面坡口表面平齐，控制钝边背面错边量≤1.0mm、根部间隙在0～1mm，待焊工件两端各点焊一块与钝边厚度一致的引弧板和熄弧板；根据待焊工件长度，在待封底坡口一侧间隔点焊固定工装，防止打底焊接过程中工件开口影响焊接，并将待焊工件固定在焊接变位机上；调试保护系统效果及保护气体保护质量，施焊后焊缝热影响区达到银白色合格，调试焊接系统运行完好；

S4、焊接

调整焊接系统进行待焊工件起弧点、收弧点及运动轨迹进行识别和记忆；将焊接确定在选定的焊接位置启动焊接；焊接机器人在起弧板上起弧，焊接机器人与焊接变位机联动，在焊接过程中，焊接熔池始终处于结晶和成型的能保证焊接质量的最佳位置，并按以下焊接方式进行焊接：

S41、采用脉冲钨极氩弧焊自熔焊接工艺进行正面打底焊接；

S42、采用粗丝磁控窄间隙钨极氩弧焊在正面窄坡口内进行填充焊焊接到两层6～8mm焊缝厚度；

S43、采用脉冲钨极氩弧焊自熔焊接工艺进行背面封底焊透性焊接；

S44、采用粗丝磁控窄间隙钨极氩弧焊在背面坡口内进行填充焊接，根据变形量情况确定，在正面和背面坡口进行交替填充焊接，直至距离母材表面2～3mm距离处；

S45、采用脉冲钨极氩弧焊进行盖面层焊缝焊接，完成厚壁钛材对接焊缝焊接；所述厚壁钛材的厚度≥20mm。

2.如权利要求1所述的厚壁钛材对接焊缝的焊接方法，其特征在于：步骤S2中，对接接头的主要坡口参数及允差如下：

钝边b=4～8mm，加工公差控制在0～0.5mm；

坡口角度α=6～12°，加工公差控制在0～1.0°；

根部圆角R=4～6mm，加工公差控制在0.5mm；

钝边中心线距单层距离H的加工公差控制在0～0.2mm。

3.如权利要求1所述的厚壁钛材对接焊缝的焊接方法，其特征在于：步骤S4中，焊接用保护气体为99.99%Ar。

4.如权利要求1所述的厚壁钛材对接焊缝的焊接方法，其特征在于：步骤S4中，焊接用电极为铈钨极，钨极直径均为4～6mm。

5.如权利要求1所述的厚壁钛材对接焊缝的焊接方法，其特征在于：步骤S4中，填充粗丝的直径为2～3mm。

6.如权利要求1所述的厚壁钛材对接焊缝的焊接方法，其特征在于：步骤S4中，焊接系统的电源为额定电流1000A以上的直流数字脉冲焊接电源。

7.如权利要求1所述的厚壁钛材对接焊缝的焊接方法，其特征在于：步骤S41中，打底工艺参数控制在能熔透钝边厚度的55～70%之间。