[发明专利]一种纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材焊接方法

说明书

技术领域：

本发明属于复合板材焊接技术领域，具体涉及一种纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材焊接方法。

背景技术：

我国每年因为腐蚀造成的损失影响严重，统计资料表明，2000年以来，我国每年腐蚀损失超过5000亿元，约占国民生产总值的5％，管道腐蚀在其中占到相当比例，并且这个数字还在不断上升。层状结构双金属复合材料可以使强度、熔点、热膨胀系数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身，充分发挥不同材料特性，极大地节约稀贵金属材料，降低设备的制造成本，使稀贵金属在许多领域的应用成为可能。双金属层状结构复合管市场需求较大，今后几年，市场对复合金属管道产品的需求将快速增加，仅我国石油工业年消耗石油钢管100余万吨，耗资100多亿元，其中50％以上的石油钢管基本处于强腐蚀环境中使用，即石油行业防腐管道的市场容量每年超过50亿元。我国每年的钛材消耗量要大于2000吨，约有99％的用于民用。如果采用钛－钢复合材料代替纯钛材，可节约大量昂贵的钛及钛合金。

由于钛或钛合金具有较高化学活性，在焊接过程中容易吸收有害气体(O，N和H)，并与钢中各元素冶金作用产生脆硬的金属间化合物相(Ti_xFe_y，Cu_xTi_y和易碎的TiC)，导致焊缝出现较低的力学性能(包括抗拉强度、延展性和塑韧性等)和不稳定的组织特征。众所周知，由于钛和钢的冶金不相容性，直接熔焊对于钛/钢的焊接是不可行的。因此，采用中间过渡材料来避免易碎和脆硬金属间化合物的产生是一种有效方法。从冶金作用产物考虑，V是唯一能与Ti和Fe都能形成固溶体，而非金属间化合物的金属元素，但其易与钢中的C等元素形成硬脆的VC，因此，将其作为过渡层靠近Ti，阻隔Ti与钢中的Fe作用，生成脆硬金属间化合物相。而Cu是非碳化物形成元素，能与V及钢中各元素形成固溶体，而非金属间化合物。Cu作为过渡层材料可以阻隔V与钢中的C相遇，靠近基层钢。下表1给出了Ti、V、Cu和Fe的物理、化学特性。由于4种元素物理、化学特性差异显著，故而对焊接过程各层熔覆量控制和焊接参数匹配提出了挑战。因此，本发明对上述问题的解决将更有优势，且效能俱佳。

表1 Fe,Cu,V和Ti的物理、化学性质

注:M_p—熔点,S_h—比热容,T_c—热导率,L_ec—线膨胀系数,A_n—原子序数,A_w—原子量,A_r—原子半径

发明内容：

为了克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材焊接工艺，本发明的焊接工艺能够避免层间脆硬金属间化合物Ti_xFe_y、Cu_xTi_y、TiC和VC等的产生，实现纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材的有效对焊连接，保证焊缝的焊接质量和优良的综合力学性能。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种纯钛或钛合金/碳钢层状复合板材焊接方法，具体步骤为：

步骤1：层状复合板材的制备

由工业纯钛或钛合金和碳钢经过爆炸+热轧工艺制备层状复合板材，纯钛或钛合金层与碳钢层为冶金连接，工业纯钛或钛合金层厚度为1～4mm；

步骤2：坡口设计

纯钛或钛合金层一侧为倒置小梯形形状坡口，其深度为4～5mm，纯钛或钛合金层一侧倒置小梯形形状坡口深度大于纯钛或钛合金层厚度，破口角度为60～70°，宽度为6～8mm；碳钢层一侧为正置大梯形形状坡口，其深度为11～20mm，坡口角度为60～80°，宽度为16～22mm；倒置小梯形形状坡口和正置大梯形形状坡口交汇于碳钢层侧且为平面状或圆弧状过渡；

步骤3：定位点焊

层状复合板材完成坡口加工后，组对的一副层状复合板材从碳钢侧进行每隔500mm进行定位点焊，保证组对层状复合板坡口间有0.8～1.5mm宽的间隙；

步骤4：碳钢层坡口焊接

完成定位点焊的纯钛或钛合金/碳钢复合板材从碳钢一侧采用MAG焊接方法进行多层、多道次小线能量焊接，在碳钢层一侧的破口处形成碳钢层熔敷金属区，焊接过程背面纯钛或钛合金层一侧坡口内及周围10～20mm宽范围进行惰性气体保护；

步骤5：纯钛或钛合金层坡口焊接