厚度为11～30mm工业纯钛板的焊接工艺方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种厚度为11?30mm工业纯钛板的焊接工艺方法，更具体的焊接工艺方法是，当工业纯钛板对接焊件的厚度超过小孔型等离子弧能量一次穿透且稳定焊接的厚度时，通过对工业纯钛板焊接性及小孔型等离子弧焊焊接特点的分析，设计适用于小孔型等离子弧焊一次穿透能力范围，且能稳定焊接和得到可靠的打底焊缝质量，并保证后续焊接方法的焊到性的坡口结构形式，实现厚度11?30mm工业纯钛板对接接头的高效高质量焊接。
【背景技术】
[0002]工业纯钛板耐蚀性能好、比强度高、加工性能好等优点而广泛应用于化工容器制造。但钛作为活性金属，不能采用常规的焊接方法如手工焊条电弧焊、埋弧焊、活性气体保护焊等焊接方法进行焊接，只能采用惰性气体保护焊如钨极氩弧焊、熔化极惰性气体保护焊、等离子弧焊和电子束焊等进行焊接；熔化极惰性气体保护焊工艺技术不成熟，设备结构复杂，费用高，电子束焊设备费用高且施焊工件尺寸范围受到限制，都不能广泛应用；钨极氩弧焊由于设备便宜、焊接工艺简单成为现行工业纯钛板焊接的主要焊接方法，但其热输入小，焊接效率低，一次穿透能力小，需要加工成小钝边(O?Irnm)大坡口(40?70° )的坡口结构，加工成本高、材料(母材、焊丝和气体)消耗大、生产效率低。
[0003]近年来，随着科技的发展，在航空航天已经多年应用的高能焊方法一一小孔型等离子弧焊工艺技术的应用已日趋成熟。且随着国内焊接装备制造水平提升，小孔型等离子弧焊设备已经开始国产化成套供应，且性能可靠，使等离子弧焊这一高效焊接工艺装备费用大幅下降，并初步应用于容器制造行业；小孔型等离子弧焊作为一种高能焊接工艺方法，与钨极氩弧焊相比减少了坡口加工，降低了母材损耗和加工时间，组对难度降低，且时间减少，改善了组对精度，焊接过程中1mm厚度工业纯钛板对接接头不开坡口(I型坡口)可实现不填丝一次焊透，节省了焊接材料和焊接气体，减少了多次焊接对产品质量带来的质量隐患，配套适当的保护措施，使10_以下工业纯钛板对接焊接采用小孔型等离子弧焊一次焊接完成，且焊接过程稳定，焊接效率和焊缝质量优异，制造成本大大降低。
[0004]钛材由于密度小、表面张力大，比热容高，导热系数小、熔点1668°C ;当小于等于1mm厚的工业纯钛板，采用小孔型等离子弧焊可不开坡口(即采用I型坡口)一次焊透1mm厚工业纯钛板，实现单面焊双面成型，焊接过程且质量稳定。
[0005]当超过1mm时，11?30mm厚的工业纯钛板，随着厚度增加，工件散热损耗增大，
小孔型等离子弧焊焊接过程稳定性对厚度的敏感性迅速增大，焊接质量稳定性降低；采用I型坡口焊缝出现连续汽包或未焊透等缺陷，这是由于待焊焊件厚度超出小孔型等离子弧焊的穿透能力范围，等离子弧不能穿透工件形成小孔，实现稳定焊接，焊接过程稳定性和焊接接头质量不能有效保证。
[0006]因此，研宄设计适用于11?30mm厚工业纯钛板小孔型等离子弧一次打底穿透并稳定焊接，确保后续封底、填充和盖面焊接的有效进行的坡口结构，实现厚度11?30mm工业纯钛板对接接头的高效高质量焊接，成为工业纯钛板的小孔型等离子弧焊工艺技术研宄方向之一。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题是:针对现有技术中厚度超过1mm的工业纯钛板，采用小孔型等离子弧焊工艺方法进行焊接的缺点；即，小孔型等离子弧的参数对厚度的敏感度增加，稍有变化会造成焊接过程稳定性降低，常出现未焊透、气泡等缺陷，焊接质量显著下降；当采用大钝边(钝边尺寸7-9mm)V型坡口时，按照钝边尺寸设定等离子弧焊焊接参数时，小孔型等离子弧稍偏离焊缝中心，坡口角度存在，实际焊接厚度增加，与所设定焊接参数的焊接厚度不匹配，可能会出现小孔型等离子弧无法形成小孔，造成气孔或未焊透缺陷，焊接过程及质量稳定性也会受到严重影响的问题。
[0008]本发明的目的是，针对厚度11?30mm I型坡口工业纯钛板对接接头无法采用小孔型等离子弧焊高效高质量完成问题进行研宄，设计适用于厚度11?30_工业纯钛板的小孔型等离子弧焊高效高质量焊接的对接坡口结构以及工艺方法。
[0009]为解决上述技术问题所采用的技术方案如下:
[0010]一种厚度为11?30_工业纯钛板的焊接工艺方法，其特征在于，包括如下步骤:
[0011]I)准备两块厚度L = 11?30mm待焊接的工业纯钛板；
[0012]2)将步骤I中的两块待焊接工业纯钛板的焊接边均加工成直边；
[0013]3)在步骤2中的直边上加工出7.5?8.5mm的钝边L1;
[0014]4)在步骤3中的钝边L1I加工出3?4mm的钝边直边L 2；
[0015]5)将步骤4中的两块待焊接工业纯钛板的焊接边上除去钝边L1的部分L 3加工出坡口，即坡口深度为L3;坡口面角度A为13°?17° ;
[0016]6)将步骤5中的两块待焊接工业纯钛板的焊接边进行对接焊接，且此两块待焊接工业纯钛板的焊接边之间留有0.3-0.7mm的间隙L4;
[0017]7)对步骤6中的两块待焊接工业纯钛板进行焊接；
[0018]7.1、当坡口深度L3S 6mm时，采用小孔型等离子弧焊工艺方法从钝边侧或者坡口侧均可以开始进行打底焊接，然后采用钨极氩弧焊工艺方法或者其他的焊接方法进行封底、填充和盖面，完成两块工业纯钛板的焊接；
[0019]7.2、当坡口深度L3> 6mm时，采用小孔型等离子弧焊工艺从钝边侧开始进行打底焊接，然后采用钨极氩弧焊工艺方法或者其他的焊接方法进行封底、填充和盖面，完成两块工业纯钛板的焊接。
[0020]本发明中所述的小孔型等离子弧焊工艺方法为现有技术中的工艺方法，其具体的方法步骤本发明不作详细的说明。
[0021]本发明焊接工艺方法设计7.5?8.5mm的钝边L1尺寸，是适应小孔型等离子弧焊单面焊双面成型要求；其具体的好处是，小孔型等离子弧焊主要利用等离子弧一次穿透工件厚度形成小孔实现单面焊双面成型，小孔型等离子弧焊能一次穿透1mm的I型对接接头焊接，实现工业纯钛板高效高质量焊接，焊接过程稳定，质量优异。但小孔型等离子弧的穿透能力受材质导热性能、比热容及施焊部位厚度的影响，在材质相同的情况下，施焊厚度成为影响焊缝质量的重要因素，即小孔型等离子弧的穿透能力具有一定的能力范围，超过其范围，不能形成小孔，如此可已看出，一定的小孔型等离子弧的热输入匹配一定的焊接厚度，若存在不匹配，将出现焊接过程不稳定，造成未焊透、气孔等缺陷。从长期实践来看，小孔型等离子弧焊焊接厚度超过10_工业纯钛板，随着厚度增加，受等离子弧的穿透能力限制，散热条件改善，小孔型等离子弧焊接稳定性降低；因此，工业纯钛板以厚度10_以下是其稳定焊接范围值，考虑等小孔型离子弧一次穿透能力；以1mm小孔型等离子弧焊为11?30mm工业纯钛板钝边尺寸设计的参考，同时厚度增大引起的热损失，钝边L1尺寸设计为8_，考虑加工偏差及厚度对同一参数小孔型等离子弧的适应性，选用7.5?8.5_作为钝边加工值。
[0022]本发明中设计的3?4_的钝边直边L2,即在坡口根部设计直边，确保小孔型等离子弧打底焊接过程中，小孔型等离子弧焊的等离子弧偏离坡口中心时，不会造成焊接过程不稳定；其具体的是:对于小孔型等离子弧焊，一定等离子弧能量匹配一定工业纯钛板焊件厚度，焊件厚度增加时，将无法形成穿透性小孔，形成未焊透或气孔等缺陷；当小孔型等离子弧焊接大钝边(7?9mm)Y型坡口结构接头时，焊接过程中，出现等离子弧向左或向右偏离坡口中心时，焊接厚度增加，小孔型等离子弧的穿透能力及焊接稳定性将受到影响，出现焊缝质量问题。因此，设计坡口根部的钝边直边L2来保持焊接过程中等离子弧与厚度的匹配性，防止偏移后，焊接厚度增加，造成焊接过程不稳定。小孔型等离子弧直径在2?3mm，当小孔型等离子弧偏离坡口中心土 1.0mm时，小孔型等离子弧能保持焊透，不影响焊接质量，根据测定等离子弧焊接正面焊缝宽度为4?6mm宽，如此综合考虑，坡口根部设计出每侧3mm的根部直边宽度，考虑加工及焊接要求，设定正偏差为1mm，负偏差为1mm。从而确保小孔型等离子弧焊接过程中钝边厚度的一致性，保证小孔型等离子弧能稳定的形成小孔，单面焊双面成型的焊接过程稳定。
[0023]本发明中设计的坡口面角度A为13°?17°，减少加工量和焊材填充量，同时确保后续焊接有效进行；其具体的是:采用8mm钝边L1，坡口根部带3mm钝边直边匕的Y型坡口结构。设定母材厚度为L，当采用小孔型等离子弧打底完成单面焊双面成型后，8_钝边L1之外L-Smm母材厚度，不能采用小孔型等离子弧焊进行填充焊接，需要采用钨极氩弧焊或其它适宜的焊接方法添加焊接材料填充焊接完成。当坡口面角度为0°时，坡口侧形成矩形截面，矩形截面6mm宽，随着剩余母材厚度L-Smm增加，矩形截面深度增加，后续焊接方法电弧可达性受到影响，造成矩形截面根部直角处未熔合等缺陷。为了适于后续钨极氩弧焊或其他适当方法进行封底、填充和盖面的有利进行，需要设计角度，确保焊接电弧的可达性，结合后续采用的焊接工艺方法(包括钨极直径、电弧长度、钨极伸出瓷嘴长度、焊接过程中的保护效果等)，从填充金属量和工作量等因素综合考虑