一种薄规格钛钢层状复合板的搅拌摩擦焊方法与流程

本发明属于焊接领域，涉及一种薄规格钛钢层状复合板的搅拌摩擦焊方法。

背景技术：

钛钢复合板中钢作为结构件，钛合金作为防腐涂层，使得钛钢复合板具有优异耐腐蚀性能及强韧性，在石油化工行业获得广泛的应用。利用钛钢复合板制备的设备，钛合金与容器内的溶液接触、钢作为外壁，既保证了容器的耐腐蚀性能，又保证了设备的强度和刚度。

随着轻量化产业的不断发展，薄规格的钛钢层状复合板的应用越来越受到重视。但由于薄规格钛钢层状复合板的连接存在较多的问题，普通熔焊连接过程中形成缩孔、裂纹等缺陷，特别是形成较多的fe-ti金属间化合物，焊接接头质量差，恶化性能。

搅拌摩擦焊是一种新型的固相连接技术，在焊接过程中，搅拌头沿焊缝旋转移动，通过剧烈摩擦生热及强烈塑性变形使焊缝处材料升温、软化、流动并混合，经过动态再结晶，形成均匀、细小的等轴晶粒组织，实现材料连接。搅拌摩擦焊的工作温度低于被焊材料的熔点，可以有效避免熔焊过程中产生的各种缺陷，并减少脆性金属间化合物的生成。因此在异种材料的连接中有广泛的应用前景。

技术实现要素：

本发明针对薄规格钛钢层状复合板使用熔化焊接产生的焊接接头缺陷多，力学性能达不到使用要求的问题，提供了薄规格钛钢层状复合板搅拌摩擦焊接方法。

为了实现薄规格钛钢层状复合板的连接，避免fe-ti金属间化合物的形成，本发明是通过以下技术方案实现的。

一种薄规格钛钢层状复合板的搅拌摩擦焊方法，包括以下步骤：

第一步，采用爆炸轧制复合工艺制备出薄规格钛钢层状复合板，复合板中钛的厚度小于钢的厚度；

第二步，车光钛钢层状复合板表面，将层状复合板刚性固定在工作台上，复合板装配方式采用对接方式，钛层位于上层，并将同种材料对接；

第三步，根据层状复合板的尺寸选择热输入量，计算轴肩的压力、搅拌头旋转速度以及焊接速度；

第四步，开始焊接前，在焊缝起始位置钻出一个焊接预制孔，轴肩压下量在0.1～0.2mm范围内，搅拌头对准预制孔旋转进入，轴肩在压力作用下压入复合板表面；

第五步，搅拌头旋转停留一段时间，待材料充分软化后，沿焊接方向进行焊接；

第六步，完成焊接后将搅拌头在被焊材料中抬起退出。

进一步地，所述第一步中，薄规格钛钢复合板是采用爆炸轧制复合工艺制备的层状复合板，其尺寸规格为，层状复合板厚度为1～10mm，钛合金板位于复合板的上侧，厚度小于钢板的厚度。

进一步地，所述的第二步中，钛钢复合板对接过程中，将钢—钢对接，钛—钛对接，刚性固定在工作台上。

进一步地，所述的第三步中，搅拌摩擦焊过程中热输入量包含以下两部分热量，第一部分是搅拌摩擦生热qe，第二部分是塑性变形热qp；热量计算公式见公式(1)～公式(3)，

q＝qe+qp(3)

其中，ω为搅拌头转速；ν为焊接速度；ηp为塑性变形产热系数，0.8～0.99；σ为应力；εp塑性应变率；v为体积；δt为时间增量。

进一步地，所述的第三步中，将热输入量控制在9～20kj/mm，搅拌头旋转速度为300～500r/min，焊接速度为40～60mm/min，轴肩压下量钛合金层厚度，搅拌头轴间下压量为0.1～0.2mm。

进一步地，所述第四步中，预制孔深度小于复合板厚度，等于复合板的厚度减去0.2～0.4mm。

进一步地，所述第五步中，搅拌头下插速度10～20mm/min，搅拌头旋转停留时间为5～15s。

本发明提供了一种薄规格钛钢层状复合板的搅拌摩擦焊方法，与现有技术相比，其优点在于：

一、本发明指出了薄规格钛钢层状复合板搅拌摩擦焊最佳热输入量，焊接时，根据薄规格钛钢层状复合板的尺寸特征选择焊接热输入量，计算出轴肩压力和压下量、搅拌头旋转速度和焊接速度，实现薄规格钛钢复合板异种材料的有效连接。

二、该发明中，通过合理控制热输入量，保证搅拌过程中焊接温度低于钢和钛的熔点，既可以避免熔焊过程中的缩孔、夹渣缺陷，也避免异种材料发生相互作用产生fe-ti金属间化合物，提高了焊接接头质量，实现了薄规格钛钢复合板的连接。

附图说明

图1为本发明实施例的焊接前装配示意图；

图2为本发明实施例的搅拌头外观设计示意图；

图3为本发明实施例的搅拌针压下阶段示意图；

图4为本发明实施例的搅拌焊接过程示意图。

图中：1-1为工作台夹具，1-2为被焊板材，1-3为预制孔，2-1为搅拌轴轴肩，2-2为搅拌针，4-1为复合板的钢板，4-2为复合板的钛合金板，4-3为搅拌头，4-4为旋转方向，4-5为焊接方向。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1:

第一步，采用爆炸轧制复合工艺制备厚度为1mm的ta2/q235钛钢复合板，其中钢的厚度为0.8mm，钛合金的厚度为0.2mm，将复合板表面车光，并清理表面的氧化膜和油污。

第二步，如图1和图4所示，将ta2/q235钛钢复合板对接好，其中钢—钢对接、钛—钛对接，刚性固定在工作台上。

第三步，热输入量为9.32kj/mm，搅拌头旋转速度300r/min，焊接速度40mm/min。搅拌头材料为铼钨合金。搅拌针形状为圆柱形，无螺纹结构，如图2所示，选用长度为0.6mm、直径为2mm的搅拌针。

第四步，制备预制孔，预制孔深度为0.7mm，直径2mm。搅拌针以300r/min的旋转速度开始旋转，并以10mm/min的速度插入钛钢复合板上的预制孔中；搅拌头轴肩压下量为0.1mm，压入钛合金侧，如图3所示，旋转停留10s，材料升温软化；

第五步，搅拌头以40mm/min的焊接速度进行焊接，如图4所示，保持焊接平稳。

第六步，完成焊接后轴肩连同搅拌针同步从被焊材料中抬起退出。

采用上述方法焊接钛钢复合板，制备出抗拉强度达基体材料80％的高强度焊接接头。微观组织未发现ti-fe金属间化合物。获得了质量高的钛钢复合薄板焊接接头。

实施例2：

第一步，采用爆炸轧制复合工艺制备厚度为1.8mm的ta2/q235钛钢复合板，其中钢的厚度为1.5mm，钛合金的厚度为0.3mm，将复合板侧面车光，并清理表面的氧化膜和油污。

第二步，如图1和图4所示，将ta2/q235钛钢复合板对接好，其中钢—钢对接、钛—钛对接，刚性固定在工作台上。

第三步，热输入量为13.86kj/mm，搅拌头旋转速度400r/min，焊接速度55mm/min。搅拌头材料为铼钨合金，搅拌针形状为圆柱形，无螺纹结构，选用长度为1.3mm、直径为3mm的搅拌针。如图2所示。

第四步，制备预制孔，预制孔深度为1.3mm，直径3mm。搅拌针以400r/min的旋转速度开始旋转，并以15mm/min的速度插入钛钢复合板上的预制孔中；搅拌头轴肩压下量为0.2mm，压入钛合金侧，如图3所示，旋转停留15s，材料升温软化；

第五步，搅拌头以55mm/min的焊接速度进行焊接，如图4所示，保持焊接平稳。

第六步，完成焊接后轴肩连同搅拌针同步从被焊材料中抬起退出。

采用上述方法焊接钛钢复合板，避免了钢和钛合金的相互作用，阻止了fe-ti金属间化合物的形成，获得了质量高的钛钢复合薄板焊接接头。

实施例3：

第一步，采用爆炸轧制复合工艺制备厚度为6mm的ta2/q235钛钢复合板，其中钢的厚度为5mm，钛合金的厚度为1mm，将复合板侧面车光，并清理表面的氧化膜和油污。

第二步，如图1和图4所示，将ta2/q235钛钢复合板对接好，其中钢—钢对接、钛—钛对接，刚性固定在工作台上。

第三步，热输入量为17.53kj/mm，搅拌头旋转速度450r/min，焊接速度60mm/min。搅拌头材料为铼钨合金，搅拌针形状为圆柱形，无螺纹结构，选用长度为5mm、直径为4mm的搅拌针。如图2所示。

第四步，制备预制孔，预制孔深度为5.2mm，直径4mm。搅拌针以450r/min的旋转速度开始旋转，并以20mm/min的速度插入钛钢复合板上的预制孔中；搅拌头轴肩压下量为0.4mm，压入钛合金侧，如图3所示，旋转停留20s，材料升温软化；

第五步，搅拌头以60mm/min的焊接速度进行焊接，如图4所示，保持平稳焊接。

第六步，完成焊接后轴肩连同搅拌针同步从被焊材料中抬起退出。

采用上述方法焊接钛钢复合板，避免了钢和钛合金的相互作用，阻止了fe-ti金属间化合物的形成，获得了质量高的钛钢复合薄板焊接接头。