基于过渡层控制的双侧激光钛钢复合板全焊透焊接方法与流程

本发明涉及一种基于过渡层控制的双侧激光钛钢复合板全焊透焊接方法，属于焊接技术领域。

背景技术：

金属钛因其对氧有非常大的亲合力，能在其表面上生成一层致密的氧化膜，可保护钛不受介质腐蚀。因此，钛在酸性、碱性、中性盐水溶液中和氧化性介质中具有很好的稳定性和耐腐蚀性，钛合金被广泛应用于石油、化工、冶金、海水淡化造船、电力及海洋工程等行业。但是，钛合金成本比价高，将钛与其他金属复合，制成金属复合材料，既可以发挥钛的优异性能，又可降低成本，钛-钢复合材料就是这样一种材料。钛钢复合板是用爆炸或轧制方法使钛和钢达到冶金结合的金属复合板，包括钛覆层、钢基层和钛覆层与钢基层的结合面(复合界面)。其中，钛覆层厚度较薄，为金属复合板中的耐蚀层，钢基层厚度较厚，为金属复合板中的受力层。

钛钢复合板虽然具有非常优良的性能，但是钛与钢的焊接属于异种金属的焊接，钛和钢的热导率、线膨胀系数等物理和化学性能存在较大差异，导致焊接存在一定困难。目前，钛钢复合板的焊接方法主要为氩弧焊，由于钛的熔点高、热容量大、导热性差，采用熔化极氩弧焊进行焊接时，对金属的热输入比较大，焊接过程中钛合金高温停留时间长，焊缝及热影响区晶粒长大显著，从而造成焊接接头的塑性和断裂韧性的下降。使接头的塑性下降。当采用非熔化极氩弧焊进行填丝焊接时，热输入量减小，但焊接层道数比较多，焊接效率低。而且，时Fe在Ti中的溶解度极低，当Fe的含量超过0.1％时，则会形成TiFe及TiFe₂等硬脆金属间化合物，致使钛钢中心焊缝区容易形成大量硬脆的金属间化合物，使焊缝的塑性降低、脆性增加。因此钛钢复合板直接熔焊时，钛与钢的焊缝在焊接过程中极易形成裂纹，钛和钢之间直接采用普通熔焊的方法形成连续的焊接接头几乎不可能。

目前，钛钢复合板的焊接方法(主要是钨极氩弧焊)，需要使用不同的焊丝对钛层、过渡层及钢层进行多层多道焊接，存在焊接过程复杂，累积热输入大，焊接速度低，焊接应力大等问题。激光焊接与传统焊接方法相比，具有能量密度高，热输入低，热影响区窄，工件产生收缩与变形较小等诸多优点。采用激光器双侧同步焊接，可以使焊缝两侧的金属同时加热和冷却，可以有效降低接头的变形及应力。

技术实现要素：

本发明的发明目的是为了解决现有钛钢复合板焊接存在的焊接过程操作复杂，累积热输入大，焊接应力变形大，焊接效率低的问题，进而提供一种基于过渡层控制的双侧激光钛钢复合板全焊透焊接方法。本方法实现了钛钢复合板的全透焊接，提高了钛钢复合板的焊接接头的力学性能，简化了现有焊接技术，提高钛钢复合板的生产效率，可促进钛钢复合板的应用。

本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种基于过渡层控制的双侧激光钛钢复合板全焊透焊接方法，包括以下步骤：

1)、加工焊接坡口：在待焊钛钢复合板的焊接截面的复合过渡线处，沿复合过渡线长度方向加工截面为半椭圆形的坡口；复合过渡线为钛钢复合板从焊接截面的角度看，钛覆层与钢基层中间的过渡线；

2)、清理焊接区域：清理待焊钛钢复合板的坡口、待焊区以及周围区域；

3)、制备过渡层：使用丙酮作为粘接剂将混合均匀的过渡层金属粉末制成糊状，均匀填充于待焊钛钢复合板的坡口处，压紧并进行烘干处理；所述过渡层金属粉末由如下重量份的物质组成：铌10-20％，钒30-40％，铍30-40％，铜10-20％，上述组分重量百分比之和为100％；

4)、激光双侧焊接：将待焊钛钢复合板组对装配夹紧，焊前将待焊钛钢复合板预热到100-120℃；使用激光对待焊钛钢复合板进行双侧(钛覆层侧和钢基层侧)同步焊接，焊接时控制激光功率与焊接速度之间的匹配，使两侧(钛覆层侧和钢基层侧)金属的熔池底部恰好位于钛钢复合板的复合界面位置；焊接过程中采用纯度不小于99.999％的高纯氩气对焊缝及高温焊缝区及热影响区进行保护。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明能够实现钛钢复合板的全焊透，可以简化现有焊接技术，显著提高焊接效率和质量；

2.本发明通过过渡层的控制，可以提高接头的强韧性能；

3.与现有焊接技术相比，本发明可以减小热输入、焊接变形及残余应力；

4.本技术可以适用的范围广，可在工业生产领域广泛适用。

进一步，本发明所述步骤1)在待焊钛钢复合板的焊接截面上加工截面为半椭圆形的坡口，坡口的深度即为半椭圆形短轴a的1/2，半椭圆形的长轴b与待焊钛钢复合板的钛覆层与钢基层的结合面垂直，所述半椭圆形的短轴a＝1-1.6mm、长轴b＝1-2mm。

采用椭圆形作为过渡层坡口，用于填充过渡层金属粉末；椭圆形与激光焊的焊缝截面相似，通过制备过渡层材料，在激光焊接过程中，有利于过渡层金属与钛覆层侧和钢基层侧的熔合过渡，从而抑制脆性的金属间化合物的生成，提高复合板焊接接头的强韧性能及焊缝的耐腐蚀性能。经试验发现，采用短轴a＝1-1.6mm、长轴b＝1-2mm的椭圆坡口尺寸既可保证过渡层金属与钛覆层侧和钢基层侧的熔合过渡，抑制脆性的金属间化合物的生成，又节约焊接成本，不改变钛钢复合板原有性能，保证焊接接头的强韧性能。

进一步，本发明所述步骤2)清理焊接区域的具体做法是：清理待焊钛钢复合板的坡口和待焊区域，清理区域应不小于坡口边缘的15mm，去除杂物和氧化膜，然后用酒精溶液清理待焊区和待焊区周围，去除有机物杂质。

这样，可保证焊接中不存在杂质，保证焊接质量。

进一步，本发明所述步骤4)将待焊钛钢复合板组对装配夹紧的装配间隙为0-0.2mm。

进一步，本发明所述步骤4)中使用激光对待焊钛钢复合板进行双侧同步焊接，焊接时控制激光功率与焊接速度之间的匹配，使两侧金属的熔池底部恰好位于钛钢复合板的复合界面位置的具体做法是：先通过前期实验确定一定焊接速度下达到所需熔深时的钛覆层侧焊接线能量和钢基层侧焊接线能量；在实际双侧同时焊接中，根据焊接速度，严格控制激光功率使钛覆层侧线能量和钢基层侧线能量为前期实验确定的与所述焊接速度对应的线能量。

这样，可以为实际焊接过程参数的准确设定提供指导，避免因参数范围较大造成的焊接接头熔合不对称，生成脆性组织等缺陷。

进一步，本发明所述步骤4)中采用纯度不小于99.999％的高纯氩气保护的高温焊缝区及热影响区是指焊接过程中温度大于295℃的区域。

由于钛在高温下有很强的化学活泼性，钛在300℃以上快速吸氢，600℃以上快速吸氧，700℃以上快速吸氮。经试验发现，对钛在焊接过程及焊后冷却过程中温度高于295℃的区域进行保护可以有效保护钛不发生化学反应。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例加工好焊接坡口后的钛钢复合板示意图。

图2是本发明实施例激光双侧焊接示意图。

图中，1.1为钛覆层，1.2为钢基层，2.1为焊接坡口，2.2为中间过渡层，3为激光束。

具体实施方式

本发明的一种具体实施方式是：采用的钛钢复合板的尺寸规格是3mm+3mm，由轧制方法获得。

上述钛钢复合板全焊透焊接方法，包括以下步骤：

1)、加工焊接坡口：在待焊钛钢复合板的焊接截面的复合过渡线处，沿复合过渡线长度方向加工截面为半椭圆形的坡口，坡口的深度即为半椭圆形短轴a的1/2，半椭圆形的长轴b与待焊钛钢复合板的钛覆层与钢基层的结合面垂直，所述半椭圆形的短轴a＝1-1.6mm、长轴b＝1-2mm；加工坡口之后的待焊钛钢复合板如图1所示。

2)、清理焊接区域：清理待焊钛钢复合板的坡口、待焊区以及周围区域；具体做法为清理待焊钛钢复合板的坡口和待焊区域，清理区域应不小于坡口边缘的15mm，去除杂物和氧化膜，然后用酒精溶液清理待焊区和待焊区周围，去除有机物杂质。

3)、制备过渡层：使用丙酮作为粘接剂将混合均匀的过渡层金属粉末制成糊状，均匀填充于待焊钛钢复合板的坡口处，压紧并进行烘干处理；所述过渡层金属粉末由如下重量份的物质组成：铌10-20％，钒30-40％，铍30-40％，铜10-20％，上述组分重量百分比之和为100％；

4)、激光双侧焊接：将待焊钛钢复合板组对装配夹紧，装配间隙为0-0.2mm，焊前将钛钢复合板预热到100-120℃；如图2所示，使用激光对待焊钛钢复合板进行双侧同步焊接，焊接时控制激光功率与焊接速度之间的匹配，使两侧金属的熔池底部恰好位于钛钢复合板的复合界面位置；焊接过程中采用纯度不小于99.999％的高纯氩气对焊缝及温度大于295℃的高温焊缝区及热影响区进行保护。

本例中所述步骤4)中使用激光对待焊钛钢复合板进行双侧同步焊接，焊接时控制激光功率与焊接速度之间的匹配，使两侧金属的熔池底部恰好位于钛钢复合板的复合界面位置的具体做法是：先通过前期实验确定一定焊接速度下得到达到所需熔深时的钛覆层侧焊接线能量和钢基层侧焊接线能量；在实际双侧同时焊接中，根据焊接速度，严格控制激光功率使钛覆层侧线能量和钢基层侧线能量为前期实验确定的与所述焊接速度对应的线能量。

本例中的前期实验的具体步骤是：为确定焊接过程中使用的焊接参数，使用准备好坡口及中间过渡层的试板，在钛覆层侧进行单侧焊接，所用的焊接参数为：在4s时间内激光功率由3.0kW线性减小为2.0kW，焊接速度2m/min，激光焦距300mm，焊后沿焊缝中心方向加工试样，制取金相试样，通过测量不同位置的焊缝熔深，确定焊缝熔深为3-3.2mm时的激光功率，得到所需熔深时的钛覆层侧的焊接线能量。采用同样的方法获得钢基层侧的焊接线能量，再通过改变焊接速度为2.5m/min获得最终的参数范围。

本例中在实际双侧同时焊接时，所用激光器为光纤激光器，焊接所用参数为：激光功率2.5-3.0kW，焊接速度2-2.5m/min，激光焦距300mm，焦点位于两块试板的装配中心，两侧同时焊接过程中需要严格控制激光功率与焊接速度之间的匹配，控制钛覆层侧线能量为：q＝65-70J/mm，钢基层侧线能量为：q＝45-50J/mm，使两侧金属的熔池底部恰好位于钛钢复合板的复合界面位置，实现两侧金属的全熔透焊接。