CN112658484A - 一种钛钢双金属复合板的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛钢双金属复合板的焊接方法，步骤如下：S100、焊接坡口的加工和处理，S101、坡口加工，S102、坡口清洗，S103、坡口组对，S200、基层焊接，S300、过渡层填充焊接，S400、覆层焊接。相对于现有技术，本发明可以有效的保证焊接过程的顺利进行和焊接质量，在保证焊接质量的前提下降低了成本，采用多道叠加的方式完成焊接，焊接残余应力低，焊接质量高，焊接工艺局限性小，便于实际生产应用，可以解决钛钢双金属复合板焊接成本高、焊接接头质量低、焊缝成型差、焊接效率低的问题。

Description

一种钛钢双金属复合板的焊接方法

技术领域

本发明属于焊接工程领域，具体地，涉及一种钛钢双金属复合板的焊接方法。

背景技术

随着制造业的快速发展，金属材料制备加工技术也不断提高。为了获得优良的力学性能，部分稀有金属被应用于制造各种工程结构和工业设备。其中，钛合金有强度高、热强性好、耐腐烛等优点，广泛应用于航空航天、汽车制造、石油化工、海洋工程等行业。通常来讲钛合金具备良好的耐蚀性能和抗冲击能力，因而成为海洋设备制造的理想材料。实际工程应用中，采用单一的贵重金属材料会大大加重企业的生产成本，于是在工业生产中将物理、化学性能差异较大的异种金属制备成的双金属复合板来达到降低成本的目的。其中，钛钢复合板是将钛合金与钢材复合在一起，既可以发挥钛的耐蚀性能，又有合金钢材的高强度，因而被广泛应用。

焊接是工程应用大型结构件制造的重要加工手段，钛钢复合板焊接性能的优劣直接关系到其在工程领域的应用。由于覆层钛板与基层碳钢的热膨胀系数存在较大差异，直接焊接会使得焊缝结合力较弱，覆层与基层板易剥离以及形成未熔合缺陷等问题，并且在焊接钛钢复合板时，异种金属的互溶可能会形成脆硬金属间化合物，增大焊接裂纹倾向，严重影响复合板焊接接头性能，焊接过程中出现的裂纹、气孔等问题给钛钢复合板的应用带来了考验。

因此，如何能够在保证复合板使用性能的基础上，提高钛钢复合板的焊接质量和焊接效率，成为现有技术难以解决的问题。

发明内容

针对现有钛钢复合板焊接技术存在的诸多不足，本发明提供了一种钛钢双金属复合板的焊接方法。该方法针对钛钢双金属复合板，提供了一种包括对双金属复合板基层的焊接面进行坡口加工处理，坡口形式为不对称的双V形坡口，坡口组对后上侧坡口预留出焊接形成过渡层的区域，过渡层区域由基层坡口根部向上延伸到覆层，过渡层焊接时，填充金属形成过渡层，选用同等材质材料或者铜、钒作为过渡层填充金属，在保证力学性能的前提下降低了成本。采用技术成熟、操作简便的TIG进行基层钢材和过渡层焊接，基层焊接方式采用多层焊接，过渡层填充采用单层焊接，多焊道叠加的方式来完成整体的焊接，覆层钛板采用激光电弧复合焊的焊接方法进行焊接，焊接速度快，焊缝成型美观。

采用上述方法可以解决钛钢双金属复合板焊接成本高、焊接接头质量低、焊缝成型差、焊接效率低的问题。

为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：

钛钢双金属复合板的焊接方法，步骤如下：

S100、焊接坡口的加工和处理

S200、基层焊接

S300、过渡层填充焊接

S400、覆层焊接。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、采用本发明的钛钢双金属复合板的焊接方法，可以有效的保证焊接过程的顺利进行和焊接质量。首先，采用不对称的双V形坡口能够保证熔化的金属充满整个坡口，提高复合板的结合强度，相较于对称的双V形坡口，不对称的双V形坡口能够在保证焊接质量的前提下减少焊材的使用，降低焊接的成本。其次，采用了基层-过渡层-覆层的焊接顺序，可以有效的避免在高级焊材上直接堆焊低级焊材造成的成分稀释，过渡层由TIG单道填充形成，过渡层区域由基层坡口根部向上延伸到覆层，钛钢双金属复合板的覆层和基层成分差距很大，热膨胀率差异也大，过渡层可以避免Ti与Fe直接接触形成Ti-Fe脆硬组织，保证焊接质量。基层碳钢采用TIG，操作简便，生产效率高，焊接质量好。最后覆层采用激光电弧复合焊接，在保证焊接质量的前提下提高焊接的速度，焊缝成型美观，焊接接头质量高。

2、采用本发明的焊接方法对钛钢双金属复合板进行焊接，过渡层填充金属选择较为常见和廉价的铜、钒或者同成分焊丝，在保证焊接质量的前提下降低了成本，采用多道叠加的方式完成焊接，焊接残余应力低，焊接质量高，焊接工艺局限性小，便于实际生产应用。

采用本发明方法可以解决钛钢双金属复合板焊接成本高、焊接接头质量低、焊缝成型差、焊接效率低的问题。

附图说明

图1是钛钢双金属复合板的整体坡口结构示意图；

图2是双金属复合板焊层示意图；

图3是双金属复合板实际焊接示意图，数字代表焊接顺序；

图中：1、基层，2、覆层，3、坡口组对后焊接形成填充过渡层区域，4、根部打底焊层，5、中部打底焊层，6、上部打底焊层，7、打底封焊层，8、填充过渡层，9、覆面焊层。

具体实施方式

如图1所示，钛钢双金属复合板由基层1、覆层2组成，基层与覆层通过***焊连接，基层1为常用碳钢，厚度5～35mm；覆层2为钛钢，覆层厚度为2～5mm； 3是坡口组对后焊接形成过渡层的区域。

如图1至3所示，钛钢双金属复合板的焊接方法，步骤如下：

S100、焊接坡口的加工和处理，具体步骤如下：

S101、坡口加工，具体方法如下：

采用机加工的方式对钛钢复合板的基层1的焊接面进行打磨处理，在距基层与覆层连接处向基层1延伸2-4mm的位置进行坡口加工，对单侧板材采用机加工方式由该处向覆层一侧加工形成上侧坡口，单侧角度为α，α范围15°～30°；对单侧板材采用机加工方式向基层一侧加工形成下侧坡口，单侧角度为β，β范围为10°～25°，两侧板材对称加工；坡口组对后形成不对称的双V形坡口，相较于对称双V形坡口，采用不对称的双V形坡口可以保证熔化金属充满整个坡口的前提上，降低焊材的使用量，从而降低焊接的成本。

S102、坡口清洗，具体方法如下：

采用机械清洗的方法对复合板的表面进行清洗，具体操作为用不锈钢丝去除复合板表面的锈层及氧化膜，防止焊接过程中产生裂纹和气孔，清理的范围为复合板基层1、覆层2以及整个坡口表面，接着用粗砂纸打磨，再用细砂纸打磨光滑，最后用酒精和丙酮擦拭复合板，去除油脂、污垢杂质，并吹干。

S103、坡口组对，具体方法如下：

焊接之前检查坡口的质量，确保坡口加工完好，在坡口清理干净之后进行坡口组对，坡口组对的间隙a为1～3mm。

坡口组对后，如图1所示，3是焊接时形成填充过渡层的区域，形成过渡层的区域由基层坡口根部向覆层一侧延伸，为了便于后续焊接，焊接形成过渡层的高度应高于基层1～2mm，厚度为3～5mm，焊接时过渡层熔化的填充金属能够充分避免Ti与Fe元素的直接接触，减少脆硬化合物的形成，便于焊接顺利进行。

S200、基层焊接，具体方法如下：

对板材和焊丝预热半小时，基层和填充过渡层焊接均采用TIG，采用这种焊接工艺的原因是：如果热输入过大，复合板在焊接时容易产生较大的热应力，容易产生裂纹；如果热输入过小，基层板较厚，在焊接基层时需要进行多层焊；而激光器难以实现多层多道焊接，TIG具有成本低、操作难度小、工艺成熟、焊缝成型质量较好的优点，故基层和过渡层的焊接采用较为成熟的TIG。覆层采用激光电弧复合焊接，激光电弧复合焊具有热源输入高，焊接质量好的优点，可以提高焊接的速度，避免产生脆硬化合物，保证焊接的质量。

基层1采用TIG进行焊接，首先对基层1下侧坡口根部焊接形成根部打底焊层4，焊接电流为110～130A；根部打底焊层焊接完毕之后，采用多层焊焊接方式向下焊接，形成中部打底焊层5和顶部打底焊层6，焊接电流为140～160A；最后采用多道焊焊接，形成打底封焊层7，焊接电流为130～150A，焊丝选用与基层1同材质或者成分相似的焊丝，焊接过程中气体流量为10-15L/min，钨丝直径统一φ2.5mm。

S300、过渡层填充焊接，具体方法如下：

基层焊接结束后，对坡口进行清理，采用TIG单层单道焊接，由基层坡口根部向上焊接填充形成填充过渡层8，选用同等材质的材料或者铜、钒作为过渡层填充金属，过渡层焊接电流为80～120A，气体流量为10-15L/min，过渡层焊接应避免产生咬边、裂纹的焊接缺陷，为了方便后续焊接，过渡填充层高度高于基层1～2mm，厚度3～5mm，过渡层的存在能够避免焊接过程Ti与Fe直接接触形成脆硬化合物。

S400、覆层焊接，具体方法如下：

过渡层填充结束后，对坡口进行清理，采用激光电弧复合焊对覆层2进行焊接，根据等强原则以及耐蚀性标准对焊丝进行选择；整个焊接过程采用激光焊的正面及背面保护装置，保护气为纯度99.99％的氩气；焊接电流80～100A，焊接速度不宜过快，避免出现未焊透；焊前5分钟通入氩气，流量为50L/min；调整正面气体保护装置与复合板板材上表面3-5mm处，焊后将保护装置在焊接接头上方停留30～40s。

焊后一般无需进行热处理。

实施例

一种钛钢复合板的焊接方法(本实施例中基层厚度10mm，覆层厚度2mm)，基层板为Q345钢板，覆层为钛板。

S100、焊接坡口的加工和处理，具体步骤如下：

S101、坡口加工，具体方法如下：

采用机加工的方式对钛钢复合板的基层1的焊接面进行打磨处理，在距离基层与覆层连接处向下2mm处进行坡口加工，对单侧板材覆层2采用机加工方式加工形成上侧坡口，对单侧板材基层1采用机加工方式加工形成下侧坡口，两侧板材对称加工。

S102、坡口清洗，具体方法如下：

采用机械清洗的方法对复合板的表面进行清洗，具体操作为用不锈钢丝去除复合板表面的锈层及氧化膜，防止焊接过程中产生裂纹和气孔，清理的范围为复合板基层1、覆层2以及整个坡口表面，接着用粗砂纸打磨，再用细砂纸打磨光滑，最后用酒精和丙酮擦拭复合板，去除油脂、污垢杂质，并吹干。

S103、坡口组对，具体方法如下:

焊接之前检查坡口质量，确保坡口加工完好，确保坡口清理干净之后进行坡口组对。坡口组对后形成不对称的双V形坡口，组对的间隙a为1mm。

S200、基层焊接，具体方法如下：

采用TIG对基层1进行焊接，形成焊层4～7，在焊接之前清洗坡口，对板材和焊丝预热半小时，预热能够有效提高焊接质量；打底焊丝选用ER50-6焊丝，焊丝直径φ1.2mm，焊接过程采用多层焊；根部打底焊道4焊接电流120～130A；中部打底焊道5、上部打底焊道6的焊接电流为150～160A；打底焊道7焊接电流为140～150A，焊接过程中气体流量统一为10～15L/min，钨丝直径统一φ2.5mm。

S300、过渡层填充焊接，具体方法如下：

基层焊接结束后，对坡口进行清理，过渡层采用TIG单层单道焊接，形成填充过渡层8，过渡层由基层一侧坡口根部向覆层一侧填充，过渡层高于基层 1mm，过渡层厚度3cmm，用纯铜焊丝填充坡口，过渡层焊接电流为80～100A，气体流量为10～15L/min，过渡层焊接应避免产生咬边、裂纹等焊接缺陷。

S400、覆层焊接，具体方法如下：

采用激光电弧复合焊对覆层进行焊接，焊丝选择φ1.6mm的TA10焊丝，形成覆面焊层9。

本实例所采用的不对称双V形坡口角度为45°和60°。

本实例焊接相关条件如表1所示：

结合图3和表1可以看出本焊接方法大部分焊缝使用较便宜的ER50-6焊丝填充，填充过渡层采用纯铜焊丝，可见本发明技术方案中的焊材成本相对较低，保证焊接质量的前提下降低了焊接成本，且避免了直接焊接对高级焊材的损失等一系列弊端，具有较高的推广价值。

Claims (10)

1.一种钛钢双金属复合板的焊接方法，步骤如下：

S100、焊接坡口的加工和处理

S200、基层焊接

S300、过渡层填充焊接

S400、覆层焊接。

2.根据权利要求1所述的钛钢双金属复合板的焊接方法，其特征在于，S100包括：S101、坡口加工，S102、坡口清洗，S103、坡口组对；S101具体方法如下：采用机加工的方式对钛钢复合板的基层的焊接面进行打磨处理，在距基层与覆层连接处向基层延伸2-4mm的位置进行坡口加工，对单侧板材采用机加工方式由该处向覆层一侧加工形成上侧坡口，单侧角度为α，α范围15°～30°；对单侧板材采用机加工方式向基层一侧加工形成下侧坡口，单侧角度为β，β范围为10°～25°，两侧板材对称加工；坡口组对后形成不对称的双V形坡口。

3.根据权利要求1-2所述的钛钢双金属复合板的焊接方法，其特征在于，S102具体方法如下：采用机械清洗的方法对复合板的表面进行清洗，具体操作为用不锈钢丝去除复合板表面的锈层及氧化膜，防止焊接过程中产生裂纹和气孔，清理的范围为复合板基层、覆层以及整个坡口表面，接着用粗砂纸打磨，再用细砂纸打磨光滑，最后用酒精和丙酮擦拭复合板，去除油脂、污垢杂质，并吹干。

4.根据权利要求1-3所述的钛钢双金属复合板的焊接方法，其特征在于，S103具体方法如下：焊接之前检查坡口的质量，确保坡口加工完好，在坡口清理干净之后进行坡口组对，坡口组对的间隙a为1～3mm，坡口组对后，形成过渡层的区域由基层坡口根部向覆层一侧延伸，焊接形成过渡层的高度应高于基层1～2mm，厚度为3～5mm。

5.根据权利要求4所述的钛钢双金属复合板的焊接方法，其特征在于，S200具体方法如下：对板材和焊丝预热半小时，基层和填充过渡层焊接均采用TIG，覆层采用激光电弧复合焊接。

6.根据权利要求5所述的钛钢双金属复合板的焊接方法，其特征在于，S300具体方法如下：基层焊接结束后，对坡口进行清理，采用TIG单层单道焊接，由基层坡口根部向上焊接填充形成填充过渡层，选用同等材质的材料或者铜、钒作为过渡层填充金属，过渡层焊接电流为80～120A，气体流量为10-15L/min，过渡层焊接应避免产生咬边、裂纹的焊接缺陷，过渡填充层高度高于基层1～2mm，厚度3～5mm，过渡层的存在能够避免焊接过程Ti与Fe直接接触形成脆硬化合物。

7.根据权利要求6所述的钛钢双金属复合板的焊接方法，其特征在于，S400具体方法如下：过渡层填充结束后，对坡口进行清理，采用激光电弧复合焊对覆层进行焊接，根据等强原则以及耐蚀性标准对焊丝进行选择；整个焊接过程采用激光焊的正面及背面保护装置，保护气为纯度99.99％的氩气；焊接电流80～100A，焊接速度不宜过快，避免出现未焊透；焊前5分钟通入氩气，流量为50L/min；调整正面气体保护装置与复合板板材上表面3-5mm处，焊后将保护装置在焊接接头上方停留30～40s。

8.根据权利要求7所述的钛钢双金属复合板的焊接方法，其特征在于，基层采用TIG进行焊接，首先对基层下侧坡口根部焊接形成根部打底焊层，焊接电流为110～130A；根部打底焊层焊接完毕之后，采用多层焊焊接方式向下焊接，形成中部打底焊层和顶部打底焊层，焊接电流为140～160A；最后采用多道焊焊接，形成打底封焊层，焊接电流为130～150A，焊丝选用与基层同材质或者成分相似的焊丝，焊接过程中气体流量为10-15L/min，钨丝直径统一φ2.5mm。

9.根据权利要求8所述的钛钢双金属复合板的焊接方法，其特征在于，焊后无需进行热处理。

10.根据权利要求9所述的钛钢双金属复合板的焊接方法，其特征在于，钛钢双金属复合板由基层、覆层组成，基层与覆层通过***焊连接，基层为常用碳钢，厚度5～35mm；覆层为钛钢，覆层厚度为2～5mm。

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