CN117283131A - 一种基于过渡层的钛-钢复合板焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于过渡层的钛‑钢复合板焊接方法。本发明先对钢‑钛复合板开出Y型坡口，采用激光焊接实现大厚度钢基板钝边处的自熔焊接，在采用激光填充铜焊丝堆焊的同时送入纯钒粉的方法在激光焊缝上方制备过渡层，铜丝熔化的情况下大部分钒粉以固体颗粒的形式浮在液态铜表面，而少部分钒颗粒进入熔池，冷却凝固之后钒粉在铜表面形成致密的隔离层，既避免了钒与低碳钢层生成脆性σ相，同时也阻止下一步盖面焊接过程中铜与钛之间反应形成T i‑Cu脆性金属间化合物；最后采用CMT焊接的方法填充焊缝完成钛‑钢复合板的高效高质量焊接。本发明焊接方法工艺稳定，易于操作；选用的过渡层金属铜价格较低，降低了焊接生产成本；过渡层的制备方法高质高效。
Description
技术领域
本发明涉及异种金属材料焊接领域，且特别涉及一种基于过渡层的钛-钢复合板焊接方法。
背景技术
金属层状复合板可以使熔点、热膨胀系数、热导率差异极为悬殊的不同金属实现完美的冶金结合，集不同材料的优点于一体，从而充分发挥不同材料的使用特性，实现两者在经济和性能上的优势互补。钛合金和低碳钢作为两种优缺点十分明显的金属结合形成的层状复合板既具有低碳钢良好的可焊性、成形性、导热性以及较好的力学性能，又具有钛合金优异的耐蚀性。因此，被广泛应用于石油化工、冶金、海洋工程、船舶制造等领域。在钛-钢复合板的实际应用中，其焊接连接问题不可避免，如何获得良好的焊接接头以满足实际应用中对接头性能的要求成为目前钛-钢复合板大规模应用的关键。钛与钢直接焊接时，会产生大量的脆性金属间化合物造成焊接接头脆断。与此同时，钛与铁在物理性能上的差异，使得焊接接头中存在很大的残余应力造成接头力学性能下降。因此，目前传统的焊接方法是钛侧和钢侧分别焊接，互不相熔。但是，这种焊接方法工艺复杂、缺陷概率大难以大规模应用，同时，钛和钢之间的缝隙相当于天然裂纹源，可靠性极低。在此基础上，分析钛-钢两种金属在物理和化学性能上的差异，提出选用合适的金属制备过渡层阻止钛和铁的扩散从而抑制金属间化合物的形成是一种有效的方法。
发明内容
为克服现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种钛-钢复合板焊接方法，此方法采用纯铜和纯钒作为中间过渡层材料进行焊接，可获得性能优异的焊接接头，实现其在工业生产中的大规模应用。
本发明解决钛-钢复合板的焊接问题是通过以下技术方案来实现的。
一种基于过渡层的钛-钢复合板焊接方法，包括以下三个步骤：(1)采用激光焊接的方法实现大厚度钢板自熔焊接；
(2)采用激光填充铜焊丝堆焊同时送入纯钒粉的方式在激光焊缝表面制备过渡层，由于铜的熔点和钒的熔点相差约810℃，且铜的密度比钒高，在铜丝熔化的情况下大部分钒粉以固体颗粒的形式浮在液态铜表面，少部分钒颗粒进入熔池，冷却凝固之后钒粉在铜表面形成致密的隔离层，既避免了钒与低碳钢层生成脆性σ相，同时也阻止铜与钛之间反应形成Ti-Cu脆性金属间化合物；
(3)采用CMT焊接的方法制备钛覆层。
如上所述的基于过渡层的钛-钢复合板焊接方法，具体焊接步骤如下：
1)焊接坡口加工：在钛层侧开Y型坡口，坡口角度为30～60°；
2)使用机械打磨的方法清理坡口表面，清理完毕之后酸洗再用无水乙醇冲洗；
3)采用激光焊接的方法对低碳钢侧进行焊接，以纯氩气作为保护气，气体流量为10～20L/min，激光功率为1000～7000W，焊接速度为20～50mm/s，离焦量为-3～-6mm；
4)使用机械打磨的方法再次清理低碳钢焊后坡口，清理完毕之后酸洗再用无水乙醇冲洗；
5)采用激光填充铜焊丝堆焊并同时送入纯钒粉的方式在激光焊接焊缝表面制备过渡层，以高纯氩气作为保护气，一侧送入铜丝另一侧送入钒粉，采用激光同时熔化铜丝和钒粉，气体流量为10～20L/min，激光功率为800～3000W，焊接速度为6～40mm/s，送粉速度为6～20g/min，送丝速度为3～6m/min，离焦量为+30～+60mm；
6)使用机械打磨的方法清理坡口表面，清理完毕之后酸洗再用无水乙醇冲洗；
7)采用CMT冷金属过渡焊的方法填充钛丝，以纯氩气作为保护气，气体流量为20L/min，焊接电流为120～210A，焊接电压为12V，送丝速度为7.7～13.4m/min，焊接速度为4～10mm/s。
进一步地，步骤1)中所述的单面Y型坡口，坡口最底部位于钛-钢界面下方且距离钛-钢界面1.0mm及以上。
进一步地，步骤3)中，采用激光焊接的方式实现大厚度钢板的自熔焊接。
进一步地，步骤5)中所述的纯铜丝直径为0.8mm，纯度为99.9％的V粉。
进一步地，步骤7)中所述的钛丝为直径为0.8-1.6mm的TA1或TA2。
与现有技术相比，本发明实现钛-钢复合板的焊接的有益效果是：
1、本发明坡口形式简单，易于加工。
2、本发明所采用的焊接方法工艺成熟，操作灵活简单，焊接效率高。
3、本发明采用激光焊接的方式同时熔化纯铜丝和纯钒粉，由于铜的熔点和钒的熔点相差约810℃，且铜的密度比钒高，在铜丝熔化的情况下钒粉以固体球形颗粒的形式浮在液态铜表面，冷却凝固之后钒粉在铜表明形成致密的隔离带，既避免了钒与低碳钢层生成脆性σ相，同时也阻止了铜与钛之间反应形成Ti-Cu脆性金属间化合物。本发明采用的中间层制备方法高质高效，一次过渡层制备的效果相当于普通的双过渡层。
4、采用本发明的焊接方法焊接的钛-钢复合板性能可满足其在石油化工、海洋工程以及船舶等领域的应用，促进了钛-钢复合板的大规模工业应用。
附图说明
图1是本发明的钛-钢复合板过渡层制备示意图
其中，1为激光光束，2为钒粉，3为铜丝，4为钛层，5为低碳钢层，6为铜熔覆层，7为钒熔覆层，8为低碳钢焊缝，9为黑色框选区域，10为黑色框选区域放大图，
图2是本发明的钛-钢复合板焊缝结构示意图，其中：11为钛层；12为低碳钢层；13为低碳钢焊缝；14为钒熔覆层；15为铜熔覆层；16为钛层。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行清楚、完整的描述。
如图1，一种由低碳钢层和钛层组成的钛-钢复合板在进行焊接时，在钛-钢界面选择激光焊接方法填充铜丝同时填充钒粉制备过渡层实现钛-钢复合板的高质量焊接，焊接方法包括以下步骤：
1)焊接坡口加工：在钛层侧开Y型坡口，坡口角度为39°，坡口的底部位于钛-钢界面下方，且距离钛-钢界面2mm；
2)使用机械打磨的方法清理坡口表面，清理完毕之后酸洗再用无水乙醇冲洗；
3)采用激光焊接的方法对低碳钢侧进行焊接，以高纯氩气作为保护气，气体流量为20L/min，激光功率为5400W，焊接速度为30mm/s，离焦量为-4mm。
4)使用机械打磨的方法再次清理低碳钢焊后坡口，清理完毕之后酸洗再用无水乙醇冲洗；
5)使用纯铜丝和纯钒粉进行过渡层的制备，铜丝的直径为0.8mm纯度为99.99％，钒粉为150～200目的气雾化法制备的球形粉纯度为99.99％，以高纯氩气作为保护气，采用激光焊的方法进行焊接操作，气体流量为20L/min，激光功率为1400W，焊接速度为6mm/s，送粉速度为8.8g/min，送丝速度为8.5m/min，离焦量为+30mm。
6)使用机械打磨的方法清理过渡层表面，清理完毕之后酸洗然后再用无水乙醇冲洗；
7)采用CMT(冷金属过渡焊)的方法填充钛丝至与钛侧表面平齐，选用的钛丝为直径为1.0mm的TA2焊丝，以高纯氩气作为保护气，气体流量为20L/min，焊接电流为210A，焊接电压为14V，送丝速度为6.7m/min，焊接速度为15mm/s。
本发明的优点在于过渡层的制备工艺，采用激光焊接的方式同时熔化纯铜丝和纯钒粉，由于铜的熔点和钒的熔点相差约810℃，且铜的密度比钒高，在铜丝熔化的情况下钒粉以固体球形颗粒的形式浮在液态铜表面，冷却凝固之后钒粉在铜表明形成致密的隔离带，这样既避免了钒与低碳钢层生成脆性σ相，同时也阻止了铜与钛之间反应形成T i-Cu脆性金属间化合物。一道焊接工艺制备的过渡层效果相当于普通的双过渡层，极大地提高了钛-钢复合板的焊接效率，具有很高的实用价值。
Claims (6)
1.一种基于过渡层的钛-钢复合板焊接方法，其特征在于包括以下三个步骤：
(1)采用激光焊接的方法实现大厚度钢板自熔焊接；
(2)采用激光填充铜焊丝堆焊同时送入纯钒粉的方式在激光焊缝表面制备过渡层，由于铜的熔点和钒的熔点相差约810℃，且铜的密度比钒高，在铜丝熔化的情况下大部分钒粉以固体颗粒的形式浮在液态铜表面，少部分钒颗粒进入熔池，冷却凝固之后钒粉在铜表面形成致密的隔离层，既避免了钒与低碳钢层生成脆性σ相，同时也阻止铜与钛之间反应形成Ti-Cu脆性金属间化合物；
(3)采用CMT焊接的方法制备钛覆层。
2.根据权利要求1所述的基于过渡层的钛-钢复合板焊接方法，其特征在于具体焊接步骤如下：
1)焊接坡口加工：在钛层侧开Y型坡口，坡口角度为30～60°；
2)使用机械打磨的方法清理坡口表面，清理完毕之后酸洗再用无水乙醇冲洗；
3)采用激光焊接的方法对低碳钢侧进行焊接，以纯氩气作为保护气，气体流量为10～20L/min，激光功率为1000～7000W，焊接速度为20～50mm/s，离焦量为-3～-6mm；
4)使用机械打磨的方法再次清理低碳钢焊后坡口，清理完毕之后酸洗再用无水乙醇冲洗；
5)采用激光填充铜焊丝堆焊并同时送入纯钒粉的方式在激光焊接焊缝表面制备过渡层，以高纯氩气作为保护气，一侧送入铜丝另一侧送入钒粉，采用激光同时熔化铜丝和钒粉，气体流量为10～20L/min，激光功率为800～3000W，焊接速度为6～40mm/s，送粉速度为6～20g/min，送丝速度为3～6m/min，离焦量为+30～+60mm；
6)使用机械打磨的方法清理坡口表面，清理完毕之后酸洗再用无水乙醇冲洗；
7)采用CMT冷金属过渡焊的方法填充钛丝，以纯氩气作为保护气，气体流量为20L/min，焊接电流为120～210A，焊接电压为12V，送丝速度为7.7～13.4m/min，焊接速度为4～10mm/s。
3.根据权利要求2所述的基于过渡层的钛-钢复合板焊接方法，其特征在于步骤1)中所述的单面Y型坡口，坡口最底部位于钛-钢界面下方且距离钛-钢界面1.0mm及以上。
4.根据权利要求2中所述的基于过渡层的钛-钢复合板焊接方法，其特征在于步骤3)中，采用激光焊接的方式实现大厚度钢板的自熔焊接。
5.根据权利要求2中所述的一种基于过渡层的钛-钢复合板焊接方法，其特征在于步骤5)中所述的纯铜丝直径为0.8mm，纯度为99.9％的V粉。
6.根据权利要求2中所述的一种基于过渡层的钛-钢复合板焊接方法，其特征在于步骤7)中所述的钛丝为直径为0.8-1.6mm的TA1或TA2焊丝。
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