本發(fā)明涉及一種鈦鋼復(fù)合管單面焊雙面成型焊接方法，屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在某些特殊使用環(huán)境下，單一金屬難以滿足工件的性能要求，通過選擇合適的金屬組合，使性能相互補充，則可以獲得能夠適合于這種特殊要求的金屬復(fù)合板。組成復(fù)合板的各層金屬仍保持各自原有的特性，同時性能比單一金屬更優(yōu)越。金屬鈦因其對氧有非常大的親合力，能在其表面上生成一層致密的氧化膜，可保護鈦不受介質(zhì)腐蝕。因此，鈦在酸性、堿性、中性鹽水溶液中和氧化性介質(zhì)中具有很好的穩(wěn)定性和耐腐蝕性，鈦合金被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、海水淡化造船、電力及海洋工程等行業(yè)。但是，鈦合金成本比較高，將鈦合金與其他金屬復(fù)合，制成金屬復(fù)合材料，既可以發(fā)揮鈦的優(yōu)異性能，又可降低成本，鈦-鋼復(fù)合材料就是這樣一種材料。

鈦鋼復(fù)合管是通過液壓法、熱擠壓法、旋壓法、爆炸焊接法、離心鑄造法、堆焊或熱軋等方法，將鈦與鋼制成鈦鋼復(fù)合材料；鈦鋼復(fù)合管包括管內(nèi)部的鈦合金層、管外部的鋼金屬層以及鈦合金層和鋼金屬層的結(jié)合面(復(fù)合界面層)。其中，鈦合金層為金屬復(fù)合板中的耐蝕層，鋼金屬層厚度較厚，為金屬復(fù)合板中的受力層。鈦鋼復(fù)合管既可以發(fā)揮鈦的耐腐蝕的優(yōu)異性能，又可降低單獨使用鈦合金的巨大成本。鈦鋼復(fù)合管以其優(yōu)異的性能，被廣泛用作防腐蝕特殊用管材，在化工用液體氣體用管、石油天然氣輸送管、油井用復(fù)合管具有廣闊的應(yīng)用前景。

鈦鋼復(fù)合管雖然具有非常優(yōu)良的性能，但鈦與鋼的焊接屬于異種金屬的焊接，實際使用中對其接頭連接處耐腐蝕性能、承壓能力及強度都有非常高的要求。由于Fe在Ti中的溶解度極低，當Fe的含量超過0.1％時，則會形成TiFe及TiFe₂等硬脆金屬間化合物，使焊縫的塑性降低、脆性增加，因此鈦鋼復(fù)合管直接熔焊時，鈦與鋼的焊縫在焊接過程中極易形成裂紋。

目前，鈦鋼復(fù)合管的焊接方法主要為鎢極氬弧焊，需要使用不同的焊絲對鈦層、過渡層及鋼層進行多層多道焊接，當采用鎢極氬弧焊進行填絲焊接時，雖然單道熱輸入量較小，但焊接層道數(shù)比較多，熱積累較大，焊縫和熱影響區(qū)金屬在高溫的停留時間比較長，晶粒長大傾向比較明顯，從而造成焊接接頭的韌性及腐蝕性能的降低。對于過渡層的制備，需要專門生產(chǎn)對應(yīng)的焊絲，增加了焊接的成本。激光焊接與傳統(tǒng)焊接方法相比，具有能量密度高，熱輸入低，熱影響區(qū)窄等優(yōu)點，有助于提高焊接接頭質(zhì)量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有鈦鋼復(fù)合管焊接存在的焊接過程操作復(fù)雜，累積熱輸入大，焊接應(yīng)力變形大，焊接效率低的問題，進而提供一種鈦鋼復(fù)合管單面焊雙面成型焊接方法。本方法實現(xiàn)了鈦鋼復(fù)合管的全熔透焊接，提高了鈦鋼復(fù)合管的焊接質(zhì)量及焊接效率，拓展了鈦鋼復(fù)合管的應(yīng)用范圍。

本發(fā)明實現(xiàn)其發(fā)明目的所采取的技術(shù)方案是：一種鈦鋼復(fù)合管單面焊雙面成型焊接方法，包括以下步驟：

1)、加工焊接坡口：在待焊鈦鋼復(fù)合管的管端加工帶鈍邊的平底坡口，所述平底坡口的底邊緊貼待焊鈦鋼復(fù)合管的鈦合金層，鈍邊尺寸為鈦合金層厚度；

2)、清理焊接區(qū)域：清理待焊鈦鋼復(fù)合管的坡口、待焊區(qū)及周圍區(qū)域；具體做法是：清理待焊鈦鋼復(fù)合管的坡口和待焊區(qū)域，清理區(qū)域應(yīng)不小于坡口邊緣的15mm，去除雜物和氧化膜，然后用酒精溶液清理待焊區(qū)和待焊區(qū)周圍，去除有機物雜質(zhì)，可減少焊接中夾雜、氣孔等缺陷的產(chǎn)生，保證焊接質(zhì)量。

3)、鈦合金層的打底焊接：使用激光焊接方法對鈦鋼復(fù)合管的鈦合金層進行焊接；

4)、預(yù)置過渡層金屬粉末：使用丙酮作為粘接劑將混合均勻的過渡層金屬粉末制成糊狀，均勻填充于經(jīng)過步驟3)打底焊接之后的待焊鈦鋼復(fù)合管的坡口底部，填充層厚度為1.5-2mm，壓緊并進行烘干處理；所述過渡層金屬粉末由如下重量百分比組成：鈮10-20％，釩30-40％，鈹30-40％，銅10-20％，上述組分重量百分比之和為100％；

5)、過渡層及蓋面層的焊接：使用激光作為熱源熔化步驟4)預(yù)置的金屬粉末，使其與鈦合金層熔合形成過渡層；然后采用熔化極電弧焊進行鈦鋼復(fù)合管的鋼金屬層的填充焊接，形成蓋面層。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

一、本發(fā)明首先采用激光束打底焊接鈦合金層的打底焊接可以減小焊接變形，防止復(fù)合管界面處生成脆性相。采用帶鈍邊的平底坡口有利于置過渡層金屬粉末，制備過渡層以及過渡層與鈦合金層及鋼金屬層的熔合過渡；然后使用激光作為熱源熔化預(yù)置金屬粉末使其與鈦合金熔合良好形成過渡層，提高了焊接效率，同時降低了過渡層焊材制備的成本，有利于過渡層與鈦合金層及鋼金屬層的熔合過渡。最后通過熔化極電弧焊進行鈦鋼復(fù)合管的鋼金屬層的填充焊接。

二、本發(fā)明方法阻隔了Fe與Ti之間形成脆性相，最終實現(xiàn)鈦鋼復(fù)合管的單面焊雙面成型，顯著提高了焊接效率和質(zhì)量；與現(xiàn)有焊接技術(shù)相比，本發(fā)明可以提高復(fù)合管焊接接頭的強韌性，減少焊接層道數(shù)，提高焊接效率及質(zhì)量，拓展鈦鋼復(fù)合管的應(yīng)用范圍。

進一步，本發(fā)明所述步驟1)中加工的帶鈍邊的平底坡口為帶鈍邊的平底梯形坡口，其坡口角度為單側(cè)15-20°，坡口底邊寬度為1.4-2.4mm。

這樣，采用坡口角度為單側(cè)15-20°的平底梯形坡口，有利于鈦合金層的打底焊接的進行，防止復(fù)合管界面處生成脆性相；這個尺寸的坡口底邊用于制備過渡層，有利于過渡層金屬與鈦合金層及鋼金屬層的熔合過渡，阻隔Fe與Ti之間形成脆性相，提高復(fù)合管焊接接頭的強韌性。

本發(fā)明所述步驟2)清理焊接區(qū)域后，需將待焊鈦鋼復(fù)合管組對對接裝配夾緊，裝配間隙為0-0.2mm。

進一步，本發(fā)明所述步驟3)使用激光焊接方法對鈦鋼復(fù)合管的鈦合金層進行焊接之前，先將鈦鋼復(fù)合管預(yù)熱到100-120℃；焊接過程及焊后冷卻過程中采用純度不小于99.999％的高純氬氣對焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及溫度高于295℃的焊縫金屬進行保護。

焊接前預(yù)熱到100-120℃能減緩焊后的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴散氫的逸出，避免產(chǎn)生氫致裂紋，提高了焊接接頭的抗裂性；同時可減少焊接區(qū)域被焊工件之間的溫度差，降低焊接應(yīng)力和焊接應(yīng)變速率，有利于避免產(chǎn)生焊接裂紋。

對焊縫及周圍區(qū)域的保護主要可以防止高溫鈦合金及過渡層金屬被氧化，造成焊接缺陷；由于鈦在高溫下有很強的化學(xué)活潑性，鈦在300℃以上快速吸氫，600℃以上快速吸氧，700℃以上快速吸氮。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，對鈦在焊接過程及焊后冷卻過程中溫度高于295℃的區(qū)域進行保護可以有效保護鈦合金不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

更進一步，本發(fā)明所述步驟3)使用激光焊接方法對鈦鋼復(fù)合管的鈦合金層進行焊接的焊接參數(shù)為：激光功率2.0-3.0kW，激光焦距300mm，焊接速度1.5-2.0m/min，線能量為：q＝65-75J/mm。

經(jīng)大量試驗發(fā)現(xiàn)，采用以上焊接參數(shù)可以減少焊接熱輸入，從而可以減少焊接變形和熱應(yīng)力；還可以減小焊接熱影響區(qū)的寬度，有利于焊縫成型及焊接質(zhì)量。

進一步，本發(fā)明所述步驟5)中使用激光作為熱源熔化步驟4)預(yù)置的金屬粉末，使其與鈦合金層熔合形成過渡層的具體操作要求是：焊接時調(diào)整激光光斑位置時應(yīng)使光斑尺寸大于過渡層填充金屬的最大寬度，使用激光能量熔化預(yù)置金屬粉末形成過渡層，同時保證側(cè)壁熔合良好，所用焊接參數(shù)為：激光功率2.0-2.5kW，焊接速度為0.6-1.2m/min，光斑尺寸1.8-2.8mm。

這樣，通過控制激光光斑大小，可以保證過渡層金屬粉末與焊接坡口熔合良好，且與鈦合金側(cè)及鋼側(cè)金屬形成穩(wěn)定的過渡層，抑制硬脆金屬間化合物的生成，保證焊接接頭的強韌性。

進一步，本發(fā)明所述步驟5)中采用熔化極電弧焊進行鈦鋼復(fù)合管的鋼金屬層的填充焊接，所用的焊絲為CHW-62GX，所用焊接參數(shù)為：焊接電流為100-160A，電壓為16-20V，干伸長8-12mm，焊接速度為0.6-0.9m/min。

經(jīng)大量試驗發(fā)現(xiàn)，采用以上焊接參數(shù)可以防止填充金屬穿過過渡層形成金屬間化合物；同時減少鋼金屬層焊接時的熱輸入量，減少合金元素的燒損，降低熱影響區(qū)寬度，保證焊縫的韌性；此外還可以減小焊接變形及焊接殘余應(yīng)力。

進一步，本發(fā)明所述步驟5)采用熔化極電弧焊進行鈦鋼復(fù)合管的鋼金屬層的填充焊接中，對于鋼金屬層厚度大于3mm的鈦鋼復(fù)合管采用多層焊填充焊接。

鋼金屬層焊接時為防止參數(shù)過大電弧力對過渡層金屬的沖擊與鈦合金層接觸形成金屬間化合物，同時厚板焊接為了保證填充量及控制線能量，對于鋼金屬層厚度大于3mm的鈦鋼復(fù)合管需要采用小的焊接參數(shù)進行多層焊接。

進一步，本發(fā)明所述步驟5)過渡層及蓋面層的焊接過程及焊后冷卻過程中中，采用純度不小于99.999％的高純氬氣對焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及溫度高于295℃的焊縫金屬進行保護。

對焊縫及周圍區(qū)域的保護主要可以防止高溫鈦合金及過渡層金屬被氧化，造成焊接缺陷；另外，由于鈦在高溫下有很強的化學(xué)活潑性，鈦在300℃以上快速吸氫，600℃以上快速吸氧，700℃以上快速吸氮。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，對焊接過程及焊后冷卻過程中溫度高于295℃的區(qū)域進行保護可以有效保護鈦合金不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步詳細說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例鈦鋼復(fù)合管全熔透焊接的焊接坡口設(shè)計圖。

圖2是本發(fā)明實施例加工好焊接坡口后的鈦鋼復(fù)合管示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例鈦鋼復(fù)合管鈦合金層焊接示意圖。

圖4是本發(fā)明實施例鈦鋼復(fù)合管過渡層激光束焊接示意圖。

圖5是本發(fā)明實施例鈦鋼復(fù)合管焊后的焊縫截面示意圖。

圖中，d₁為鋼金屬層厚度，d₂為鈦合金層厚度(鈍邊尺寸)，θ為兩側(cè)焊接坡口總角度，a為平底坡口底邊寬度；1.1為鋼金屬層，1.2為鈦合金層，2.1為焊接坡口，2.2為預(yù)置的過渡層金屬粉末，3.1為焊接鈦合金層時所用激光束，3.2為焊接過渡層時所用激光束，4.1為鈦合金層焊縫，4.2為過渡層焊縫，4.3為鋼金屬層焊縫。

具體實施方式

實施例一

本發(fā)明的一種具體實施方式是：一種鈦鋼復(fù)合管(鈦合金層3mm+鋼金屬層3-8mm，由軋制方法獲得)單面焊雙面成型焊接方法，包括以下步驟：

1)、加工焊接坡口：在待焊鈦鋼復(fù)合管的管端加工帶鈍邊的平底梯形坡口，所述平底坡口的底邊緊貼待焊鈦鋼復(fù)合管的鈦合金層，鈍邊尺寸為鈦合金層厚度；所述坡口角度為單側(cè)15-20°，坡口底邊尺寸為1.4-2.4mm；圖1是本例焊接坡口設(shè)計圖，圖2是本例加工好焊接坡口后的鈦鋼復(fù)合管示意圖；

2)、清理焊接區(qū)域：清理待焊鈦鋼復(fù)合管的坡口和待焊區(qū)域，清理區(qū)域應(yīng)不小于坡口邊緣的15mm，去除雜物和氧化膜，然后用酒精溶液清理待焊區(qū)和待焊區(qū)周圍，去除有機物雜質(zhì)，可減少焊接中夾雜、氣孔等缺陷的產(chǎn)生，保證焊接質(zhì)量；

3)、鈦合金層的打底焊接：使用激光焊接方法對鈦鋼復(fù)合管的鈦合金層進行焊接；焊接之前，先將鈦鋼復(fù)合管預(yù)熱到100-120℃；焊接過程及焊后冷卻過程中采用純度不小于99.999％的高純氬氣對焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及溫度高于295℃的焊縫金屬進行保護；所述激光焊接的焊接參數(shù)為：激光功率2.0-3.0kW，激光焦距300mm，焊接速度1.5-2.0m/min，線能量為：q＝65-75J/mm；圖3為本例鈦合金層焊接示意圖；

4)、預(yù)置過渡層金屬粉末：使用丙酮作為粘接劑將混合均勻的過渡層金屬粉末制成糊狀，均勻填充于經(jīng)過步驟3)打底焊接之后的待焊鈦鋼復(fù)合管的坡口底部，填充層厚度為1.5-2mm，壓緊確保無空隙，并進行烘干處理；所述過渡層金屬粉末由如下重量百分比組成：鈮10-20％，釩30-40％，鈹30-40％，銅10-20％，上述組分重量百分比之和為100％；

5)、過渡層及蓋面層的焊接：使用激光作為熱源熔化步驟4)預(yù)置的金屬粉末，使其與鈦合金層熔合形成過渡層，其具體操作要求是：焊接時調(diào)整激光光斑位置時應(yīng)使光斑尺寸大于過渡層填充金屬的最大寬度，使用激光能量熔化預(yù)置金屬粉末形成過渡層，同時保證側(cè)壁熔合良好，所用焊接參數(shù)為：激光功率2.0-2.5kW，焊接速度為0.6-1.2m/min，光斑尺寸1.8-2.8mm；圖4為本例鈦鋼復(fù)合管過渡層激光束焊接示意圖；

然后采用熔化極電弧焊進行鈦鋼復(fù)合管的鋼金屬層的填充焊接，形成蓋面層，熔化極電弧焊所用的焊絲為CHW-62GX，所用焊接參數(shù)為：焊接電流為100-160A，電壓為16-20V，干伸長8-12mm，焊接速度為0.6-0.9m/min；對于鋼金屬層厚度大于3mm的鈦鋼復(fù)合管采用多層焊填充焊接。

本例中在過渡層及蓋面層的焊接過程及焊后冷卻過程中，采用純度不小于99.999％的高純氬氣對焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及溫度高于295℃的焊縫金屬進行保護，焊接氣體保護為20L/min。

圖5示出，本實施例鈦鋼復(fù)合管焊后的焊縫截面示意圖。

實施例二

本發(fā)明的另一種具體實施方式是：一種鈦鋼復(fù)合管(鈦合金層3mm+鋼金屬層3-8mm，由軋制方法獲得)單面焊雙面成型焊接方法，包括以下步驟：

1)、加工焊接坡口：在待焊鈦鋼復(fù)合管的管端加工帶鈍邊的平底坡口，所述平底坡口的底邊緊貼待焊鈦鋼復(fù)合管的鈦合金層，鈍邊尺寸為鈦合金層厚度；所述坡口角度為單側(cè)15-20°，坡口底邊尺寸為1.4-2.4mm；

2)、清理焊接區(qū)域：清理待焊鈦鋼復(fù)合管的坡口和待焊區(qū)域，清理區(qū)域應(yīng)不小于坡口邊緣的15mm，去除雜物和氧化膜，然后用酒精溶液清理待焊區(qū)和待焊區(qū)周圍，去除有機物雜質(zhì)，可減少焊接中夾雜、氣孔等缺陷的產(chǎn)生，保證焊接質(zhì)量；

3)、鈦合金層的打底焊接：使用激光焊接方法對鈦鋼復(fù)合管的鈦合金層進行焊接；焊接之前，先將鈦鋼復(fù)合管預(yù)熱到100-120℃；焊接過程及焊后冷卻過程中采用純度不小于99.999％的高純氬氣對焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及溫度高于295℃的焊縫金屬進行保護；所述激光焊接的焊接參數(shù)為：激光功率2.0-3.0kW，激光焦距300mm，焊接速度1.5-2.0m/min，線能量為：q＝65-75J/mm；

4)、預(yù)置過渡層金屬粉末：使用丙酮作為粘接劑將混合均勻的過渡層金屬粉末制成糊狀，均勻填充于經(jīng)過步驟3)打底焊接之后的待焊鈦鋼復(fù)合管的坡口底部，填充層厚度為1.5-2mm，壓緊確保無空隙，并進行烘干處理；所述過渡層金屬粉末由如下重量百分比組成：鈮10-20％，釩30-40％，鈹30-40％，銅10-20％，上述組分重量百分比之和為100％；

5)、過渡層及蓋面層的焊接：使用激光作為熱源熔化步驟4)預(yù)置的金屬粉末，使其與鈦合金層熔合形成過渡層，其具體操作要求是：焊接時調(diào)整激光光斑位置時應(yīng)使光斑尺寸大于過渡層填充金屬的最大寬度，使用激光能量熔化預(yù)置金屬粉末形成過渡層，同時保證側(cè)壁熔合良好，所用焊接參數(shù)為：激光功率2.0-2.5kW，焊接速度為0.6-1.2m/min，光斑尺寸1.8-2.8mm；

然后采用熔化極電弧焊進行鈦鋼復(fù)合管的鋼金屬層的填充焊接，形成蓋面層，熔化極電弧焊所用的焊絲為CHW-62GX，所用焊接參數(shù)為：焊接電流為100-160A，電壓為16-20V，干伸長8-12mm，焊接速度為0.6-0.9m/min；對于鋼金屬層厚度大于3mm的鈦鋼復(fù)合管采用多層焊填充焊接。

本例中在過渡層及蓋面層的焊接過程及焊后冷卻過程中，采用純度不小于99.999％的高純氬氣對焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及溫度高于295℃的焊縫金屬進行保護，焊接氣體保護為20L/min。