一种焊接钛/钢复合板三层中间过渡层及焊接方法技术

一种焊接钛/钢复合板三层中间过渡层及焊接方法，它涉及焊接技术领域，本发明专利技术要解决钛/钢复合板过渡层焊接中“危险点”—钛/钢界面区的过度熔化和铜过渡层与钢之间的渗透裂纹的问题。本发明专利技术的过渡层，钛/钢界面处的过渡层为纯镍、纯铜和纯铌，在钛/钢界面横向使用铜作为过渡层进行焊接；所述的钛/钢复合板中的钛覆层厚度为1mm以上，钢覆层厚度为7mm以上。方法为：装配，试件开坡口，堆焊纯铜熔覆层，按自熔打底焊

【技术实现步骤摘要】
一种焊接钛/钢复合板三层中间过渡层及焊接方法


[0001]本专利技术属于焊接
，具体涉及钛/钢复合板的一种纵向三层过渡配合横向过渡层的过渡焊接方法。

技术介绍

[0002]钛/钢复合板兼具钛合金和钢的优点，在具有较高强度的同时，还具有优异的抗腐蚀性能，且相较于钛合金成本更低，在石油化工设备，压力容器等领域有着广阔的应用前景。从工艺适应性的要求来看，熔化焊工艺是最适合钛/钢复合板的焊接工艺。目前钛/钢复合板焊接主要以钛板搭接焊和对接焊、复合板过渡焊工艺为主。采取搭接结构存在结构臃肿，盖板间存在明显缝隙等问题；在此基础上发展的对接焊工艺克服了接头结构不合理的问题；而过渡层焊接可以解决上述的问题，但也面临着更多的冶金问题。
[0003]钛/钢复合板在进行熔化焊接时存在一系列问题，一方面，钛与钢的线胀系数，热导率等物理性质差异巨大，二者直接焊接时会出现较大的应力和变形；另一方面，钛与钢的冶金相容性很差，在焊接过程中钛与钢的相互溶入会导致脆硬的金属间化合物TiFe，TiFe2的生成，严重降低了接头的力学性能。
[0004]目前一些学者就上述问题展开了钛/钢复合板过渡焊接的相关研究，公开号为CN102699484B的专利公开了一种使用纯铌作为过渡层进行钛/钢复合板焊接的焊接方法，其坡口为V型坡口，过渡层与钛覆层都使用惰性气体保护焊，焊接顺序为钢层
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过渡层
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钛层；公开号为CN103785962B的专利公开了一种使用纯钒作为过渡层进行钛/钢复合板焊接的焊接方法，钛侧开矩形坡口，钢侧直接对接装配，钢侧使用等离子焊焊透，使用钨极氩弧焊堆焊0.5
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1mm厚的钒层后使用熔化极气体保护焊堆焊钛层；公开号为CN106112263B的专利公开了一种以T2紫铜作为过渡层的钛/钢复合板焊接方法，开V型坡口且钛层留有短边，焊接时均使用激光焊接，焊接顺序为钛层
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过渡层
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钢层；公开号为CN108067732A的专利公开了一种以钼作为过渡层的钛/钢复合板焊接方法，坡口形式及焊接顺序与CN106112263B相近，过渡层使用钼作为过渡层；公开号为CN107984054B的专利公开了一种镍及镍基合金作为过渡层的钛/钢复合板焊接方法，该方法均采用钨极氩弧焊进行焊接，开V型坡口且钛侧留有平台，先在钛侧坡口表面堆焊了镍隔离层，再使用镍填充坡口后进行钛盖面。
[0005]公开号为CN113145994A的专利公开了一种使用铜镍的双过渡层钛/钢复合板焊接方法，开X型坡口，钛侧焊接方法均为钨极氩弧焊，焊接顺序为钢基层
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铜层
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镍层
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钛盖面；公开号为CN113319405B的专利公开了一种使用铜钒或铜铌作为过渡层的钛/钢复合板双丝熔化极气保焊方法，该方法均采用熔化极气体保护焊，包括CMT与脉冲两种方式，采用双丝的焊接方式并采用两种方式的组合，开X型坡口，焊接顺序为钢打底
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铜层
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铌层
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钛层
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钢基层，铜层焊接是在钢侧打底焊之后进行，采用双丝CMT/脉冲MIG覆盖住钛/钢界面；钢铁研究总院的安同邦提出了一种以铜铌作为过渡层的钛/钢复合板焊接方法，该方法开X型坡口，且在钛侧留有平台，焊接顺序为铜过渡
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铌层
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钛层
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钢层。焊接方法均采用钨极氩弧焊，装配后在坡口表面焊接一层铜过渡层，铌层焊接填满平台以下坡口，未全覆盖铜层，然后按顺
序完成其他层的焊接。
[0006]CN110238504B公开了一种钛合金与钢高强度扩散连接方法，该方法采用镍、铜、铌为复合中间层进行钛合金和钢的真空扩散连接，提高了钛合金与钢的连接强度。该专利所提出的扩散焊接工艺方法只适用于单一异种金属的焊接，无法用于钛/钢复合板的焊接。
[0007]综上所述，目前钛/钢复合板过渡层焊接可以分为单层过渡焊接和双层过渡焊接。单层过渡焊接时，无论是采用铜过渡层焊接，还是采用铌过渡层焊接，都容易在钛侧或钢侧中的一侧出现大量的脆硬的金属间化合物，引起接头力学性能的下降甚至裂纹产生。双层过渡焊接时，采用铜/铌双金属过渡焊接，钛侧焊接时的冶金性能得到了改善，但是，在装配后进行铜层的焊接时，电弧会因坡口的角度而产生偏离，导致坡口处钛覆层产生一定的熔化而向下流淌，使铜层中混入大量的钛元素，产生大量的脆硬金属间化合物。同时，在铜与钢进行焊接时，铜与钢的熔点相差较大，焊接时容易出现渗透裂纹，也会导致接头性能下降。
[0008]除了纵向的过渡形式外，钛/钢界面处的横向过渡也尤为重要，该处钛/钢复合板界面处金属存在熔化风险，已有方法都只是从纵向隔离钛和钢的角度出发，设计过渡层材料，但现有的方法未对“危险点
”‑‑
钛/钢复合板界面处进行保护，在焊接热源的影响下该处钛、铁极易相互扩散形成化合物层，且该处存在过渡层与母材之间的作用，元素混杂，十分容易形成脆硬的金属间化合物，这会大大降低接头的力学性能。整体隔离的方法，对坡口就行全面覆盖，虽然保护了界面区，但同时过渡层材料和钛、钢母材在钨极氩弧焊的较大热输入下大面积接触，同样带来冶金相容性问题。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是为了解决钛/钢复合板过渡层焊接中“危险点”—钛/钢界面区的过度熔化和铜过渡层与钢之间的渗透裂纹的问题，提供了一种改进钛/钢复合过渡层材料设计和焊接工艺，提出对钛/钢界面处进行精准的(小范围)、有效的(低热输入)保护策略和对铜和钢之间进行隔离的措施。
[0010]为了实现上述目的，本专利技术的技术解决方案是：
[0011]待焊接试件装配之前，首先借助夹具将已开坡口试件的焊接面调整至平焊位置，采用CMT焊接方法堆焊纯铜熔覆层，熔覆层厚度1
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3mm，宽度2
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4mm，保证熔覆层覆盖钛/钢界面。
[0012]将待焊接试件进行装配，按自熔打底焊
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钢基板焊接
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镍过渡层焊接
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铜过渡层焊接
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铌过渡层焊接
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钛过渡层焊接的顺序进行焊接。
[0013]首先采用TIG焊接方法进行钢基板的焊接。在完成焊接钢基板打底焊和填充焊之后，采用TIG焊接方法在钢打底焊表面焊接一薄层镍，镍层厚度1
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2mm，保证镍过渡层焊后覆盖住钛/钢界面以下的钢基板。然后，使用纯铜焊丝采用CMT焊接方法摆动焊接纯铜过渡层，摆动频率1
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10Hz，摆动幅度1
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2mm，铜焊道边缘距钛覆板表面1
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2mm。在焊接铌过渡层时，第一层使用小规范TIG焊接方法焊接薄层的铌避免铜层的过度熔化，第二层使用正常规范TIG焊接方法来焊接较厚的铌层进一步隔离铜元素。最后，使用纯钛焊丝采用TIG焊接方法焊接钛盖面层。
[0014]本专利技术的一种焊接钛/钢复合板本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种焊接钛/钢复合板三层中间过渡层，其特征在于，钛/钢界面处的过渡层为纯镍、纯铜和纯铌，在钛/钢界面横向使用铜作为过渡层进行焊接；所述的钛/钢复合板中的钛覆层厚度为1mm以上，钢覆层厚度为7mm以上。2.根据权利要求1所述的一种焊接钛/钢复合板三层中间过渡层，其特征在于，所述的钛覆层为TA2钛覆层，所述的钢覆层为低碳钢覆层。3.采用权利要求1所述的一种焊接钛/钢复合板三层中间过渡层的焊接方法，其特征在于，该焊接方法包含以下步骤：1)待焊接试件装配之前，首先借助夹具将已开坡口试件的焊接面调整至平焊位置，在试件的焊接面堆焊纯铜熔覆层，熔覆层厚度1
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3mm，宽度2
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4mm，保证熔覆层覆盖钛/钢界面；2)将待焊接试件进行装配，按自熔打底焊
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钢基板焊接
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镍过渡层焊接
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铜过渡层焊接
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铌过渡层焊接
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钛过渡层焊接的顺序进行焊接；所述的镍过渡层焊接是通过如下方式实现：在完成钢基板打底焊和填充焊之后，采用TIG焊接方法在钢打底焊表面焊接一层镍，镍层厚度为1
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2mm，保证镍过渡层焊后覆盖住钛/钢界面以下的钢基板；所述的纯铜过渡层焊接是通过如下方式实现：使用纯铜焊丝焊接纯铜过渡层，摆动频率为1
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10Hz，摆动幅度为1
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2mm，铜焊道边缘距钛覆板表面距离为1
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2mm；所述的铌过渡层焊接是通过如下方式实现：铌过渡层焊接是进行两层焊接，第一层采用TIG的焊接条件为：焊接电流为130
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140A，焊接速度为2
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3mm/s，送丝速度为5
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6mm/s，焊接厚度小于等于1mm的铌...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡奉雅，闫久春，王佳骥，陈伟，付魁军，于汉臣，韩严法，宋洺达，傅博，刘锦，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：