本發(fā)明涉及一種基于過渡層控制的雙側(cè)激光鈦鋼復(fù)合板全焊透焊接方法，屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

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，鈦合金成本比價高，將鈦與其他金屬復(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)合板是用爆炸或軋制方法使鈦和鋼達到冶金結(jié)合的金屬復(fù)合板，包括鈦覆層、鋼基層和鈦覆層與鋼基層的結(jié)合面(復(fù)合界面)。其中，鈦覆層厚度較薄，為金屬復(fù)合板中的耐蝕層，鋼基層厚度較厚，為金屬復(fù)合板中的受力層。

鈦鋼復(fù)合板雖然具有非常優(yōu)良的性能，但是鈦與鋼的焊接屬于異種金屬的焊接，鈦和鋼的熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)等物理和化學(xué)性能存在較大差異，導(dǎo)致焊接存在一定困難。目前，鈦鋼復(fù)合板的焊接方法主要為氬弧焊，由于鈦的熔點高、熱容量大、導(dǎo)熱性差，采用熔化極氬弧焊進行焊接時，對金屬的熱輸入比較大，焊接過程中鈦合金高溫停留時間長，焊縫及熱影響區(qū)晶粒長大顯著，從而造成焊接接頭的塑性和斷裂韌性的下降。使接頭的塑性下降。當采用非熔化極氬弧焊進行填絲焊接時，熱輸入量減小，但焊接層道數(shù)比較多，焊接效率低。而且，時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，致使鈦鋼中心焊縫區(qū)容易形成大量硬脆的金屬間化合物，使焊縫的塑性降低、脆性增加。因此鈦鋼復(fù)合板直接熔焊時，鈦與鋼的焊縫在焊接過程中極易形成裂紋，鈦和鋼之間直接采用普通熔焊的方法形成連續(xù)的焊接接頭幾乎不可能。

目前，鈦鋼復(fù)合板的焊接方法(主要是鎢極氬弧焊)，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，存在焊接過程復(fù)雜，累積熱輸入大，焊接速度低，焊接應(yīng)力大等問題。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，工件產(chǎn)生收縮與變形較小等諸多優(yōu)點。采用激光器雙側(cè)同步焊接，可以使焊縫兩側(cè)的金屬同時加熱和冷卻，可以有效降低接頭的變形及應(yīng)力。

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)合板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，進而提供一種基于過渡層控制的雙側(cè)激光鈦鋼復(fù)合板全焊透焊接方法。本方法實現(xiàn)了鈦鋼復(fù)合板的全透焊接，提高了鈦鋼復(fù)合板的焊接接頭的力學(xué)性能，簡化了現(xiàn)有焊接技術(shù)，提高鈦鋼復(fù)合板的生產(chǎn)效率，可促進鈦鋼復(fù)合板的應(yīng)用。

本發(fā)明實現(xiàn)其發(fā)明目的所采取的技術(shù)方案是：一種基于過渡層控制的雙側(cè)激光鈦鋼復(fù)合板全焊透焊接方法，包括以下步驟：

1)、加工焊接坡口：在待焊鈦鋼復(fù)合板的焊接截面的復(fù)合過渡線處，沿復(fù)合過渡線長度方向加工截面為半橢圓形的坡口；復(fù)合過渡線為鈦鋼復(fù)合板從焊接截面的角度看，鈦覆層與鋼基層中間的過渡線；

2)、清理焊接區(qū)域：清理待焊鈦鋼復(fù)合板的坡口、待焊區(qū)以及周圍區(qū)域；

3)、制備過渡層：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，均勻填充于待焊鈦鋼復(fù)合板的坡口處，壓緊并進行烘干處理；所述過渡層金屬粉末由如下重量份的物質(zhì)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％；

4)、激光雙側(cè)焊接：將待焊鈦鋼復(fù)合板組對裝配夾緊，焊前將待焊鈦鋼復(fù)合板預(yù)熱到100-120℃；使用激光對待焊鈦鋼復(fù)合板進行雙側(cè)(鈦覆層側(cè)和鋼基層側(cè))同步焊接，焊接時控制激光功率與焊接速度之間的匹配，使兩側(cè)(鈦覆層側(cè)和鋼基層側(cè))金屬的熔池底部恰好位于鈦鋼復(fù)合板的復(fù)合界面位置；焊接過程中采用純度不小于99.999％的高純氬氣對焊縫及高溫焊縫區(qū)及熱影響區(qū)進行保護。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)鈦鋼復(fù)合板的全焊透，可以簡化現(xiàn)有焊接技術(shù)，顯著提高焊接效率和質(zhì)量；

2.本發(fā)明通過過渡層的控制，可以提高接頭的強韌性能；

3.與現(xiàn)有焊接技術(shù)相比，本發(fā)明可以減小熱輸入、焊接變形及殘余應(yīng)力；

4.本技術(shù)可以適用的范圍廣，可在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛適用。

進一步，本發(fā)明所述步驟1)在待焊鈦鋼復(fù)合板的焊接截面上加工截面為半橢圓形的坡口，坡口的深度即為半橢圓形短軸a的1/2，半橢圓形的長軸b與待焊鈦鋼復(fù)合板的鈦覆層與鋼基層的結(jié)合面垂直，所述半橢圓形的短軸a＝1-1.6mm、長軸b＝1-2mm。

采用橢圓形作為過渡層坡口，用于填充過渡層金屬粉末；橢圓形與激光焊的焊縫截面相似，通過制備過渡層材料，在激光焊接過程中，有利于過渡層金屬與鈦覆層側(cè)和鋼基層側(cè)的熔合過渡，從而抑制脆性的金屬間化合物的生成，提高復(fù)合板焊接接頭的強韌性能及焊縫的耐腐蝕性能。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，采用短軸a＝1-1.6mm、長軸b＝1-2mm的橢圓坡口尺寸既可保證過渡層金屬與鈦覆層側(cè)和鋼基層側(cè)的熔合過渡，抑制脆性的金屬間化合物的生成，又節(jié)約焊接成本，不改變鈦鋼復(fù)合板原有性能，保證焊接接頭的強韌性能。

進一步，本發(fā)明所述步驟2)清理焊接區(qū)域的具體做法是：清理待焊鈦鋼復(fù)合板的坡口和待焊區(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)。

這樣，可保證焊接中不存在雜質(zhì)，保證焊接質(zhì)量。

進一步，本發(fā)明所述步驟4)將待焊鈦鋼復(fù)合板組對裝配夾緊的裝配間隙為0-0.2mm。

進一步，本發(fā)明所述步驟4)中使用激光對待焊鈦鋼復(fù)合板進行雙側(cè)同步焊接，焊接時控制激光功率與焊接速度之間的匹配，使兩側(cè)金屬的熔池底部恰好位于鈦鋼復(fù)合板的復(fù)合界面位置的具體做法是：先通過前期實驗確定一定焊接速度下達到所需熔深時的鈦覆層側(cè)焊接線能量和鋼基層側(cè)焊接線能量；在實際雙側(cè)同時焊接中，根據(jù)焊接速度，嚴格控制激光功率使鈦覆層側(cè)線能量和鋼基層側(cè)線能量為前期實驗確定的與所述焊接速度對應(yīng)的線能量。

這樣，可以為實際焊接過程參數(shù)的準確設(shè)定提供指導(dǎo)，避免因參數(shù)范圍較大造成的焊接接頭熔合不對稱，生成脆性組織等缺陷。

進一步，本發(fā)明所述步驟4)中采用純度不小于99.999％的高純氬氣保護的高溫焊縫區(qū)及熱影響區(qū)是指焊接過程中溫度大于295℃的區(qū)域。

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)明實施例加工好焊接坡口后的鈦鋼復(fù)合板示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例激光雙側(cè)焊接示意圖。

圖中，1.1為鈦覆層，1.2為鋼基層，2.1為焊接坡口，2.2為中間過渡層，3為激光束。

具體實施方式

本發(fā)明的一種具體實施方式是：采用的鈦鋼復(fù)合板的尺寸規(guī)格是3mm+3mm，由軋制方法獲得。

上述鈦鋼復(fù)合板全焊透焊接方法，包括以下步驟：

1)、加工焊接坡口：在待焊鈦鋼復(fù)合板的焊接截面的復(fù)合過渡線處，沿復(fù)合過渡線長度方向加工截面為半橢圓形的坡口，坡口的深度即為半橢圓形短軸a的1/2，半橢圓形的長軸b與待焊鈦鋼復(fù)合板的鈦覆層與鋼基層的結(jié)合面垂直，所述半橢圓形的短軸a＝1-1.6mm、長軸b＝1-2mm；加工坡口之后的待焊鈦鋼復(fù)合板如圖1所示。

2)、清理焊接區(qū)域：清理待焊鈦鋼復(fù)合板的坡口、待焊區(qū)以及周圍區(qū)域；具體做法為清理待焊鈦鋼復(fù)合板的坡口和待焊區(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)。

3)、制備過渡層：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，均勻填充于待焊鈦鋼復(fù)合板的坡口處，壓緊并進行烘干處理；所述過渡層金屬粉末由如下重量份的物質(zhì)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％；

4)、激光雙側(cè)焊接：將待焊鈦鋼復(fù)合板組對裝配夾緊，裝配間隙為0-0.2mm，焊前將鈦鋼復(fù)合板預(yù)熱到100-120℃；如圖2所示，使用激光對待焊鈦鋼復(fù)合板進行雙側(cè)同步焊接，焊接時控制激光功率與焊接速度之間的匹配，使兩側(cè)金屬的熔池底部恰好位于鈦鋼復(fù)合板的復(fù)合界面位置；焊接過程中采用純度不小于99.999％的高純氬氣對焊縫及溫度大于295℃的高溫焊縫區(qū)及熱影響區(qū)進行保護。

本例中所述步驟4)中使用激光對待焊鈦鋼復(fù)合板進行雙側(cè)同步焊接，焊接時控制激光功率與焊接速度之間的匹配，使兩側(cè)金屬的熔池底部恰好位于鈦鋼復(fù)合板的復(fù)合界面位置的具體做法是：先通過前期實驗確定一定焊接速度下得到達到所需熔深時的鈦覆層側(cè)焊接線能量和鋼基層側(cè)焊接線能量；在實際雙側(cè)同時焊接中，根據(jù)焊接速度，嚴格控制激光功率使鈦覆層側(cè)線能量和鋼基層側(cè)線能量為前期實驗確定的與所述焊接速度對應(yīng)的線能量。

本例中的前期實驗的具體步驟是：為確定焊接過程中使用的焊接參數(shù)，使用準備好坡口及中間過渡層的試板，在鈦覆層側(cè)進行單側(cè)焊接，所用的焊接參數(shù)為：在4s時間內(nèi)激光功率由3.0kW線性減小為2.0kW，焊接速度2m/min，激光焦距300mm，焊后沿焊縫中心方向加工試樣，制取金相試樣，通過測量不同位置的焊縫熔深，確定焊縫熔深為3-3.2mm時的激光功率，得到所需熔深時的鈦覆層側(cè)的焊接線能量。采用同樣的方法獲得鋼基層側(cè)的焊接線能量，再通過改變焊接速度為2.5m/min獲得最終的參數(shù)范圍。

本例中在實際雙側(cè)同時焊接時，所用激光器為光纖激光器，焊接所用參數(shù)為：激光功率2.5-3.0kW，焊接速度2-2.5m/min，激光焦距300mm，焦點位于兩塊試板的裝配中心，兩側(cè)同時焊接過程中需要嚴格控制激光功率與焊接速度之間的匹配，控制鈦覆層側(cè)線能量為：q＝65-70J/mm，鋼基層側(cè)線能量為：q＝45-50J/mm，使兩側(cè)金屬的熔池底部恰好位于鈦鋼復(fù)合板的復(fù)合界面位置，實現(xiàn)兩側(cè)金屬的全熔透焊接。