一種用於鈦及鈦合金冷弧焊焊接的方法

2023-06-13 19:31:51 1

專利名稱：一種用於鈦及鈦合金冷弧焊焊接的方法
技術領域：
本發明屬於焊接技術領域，尤其涉及到一種用於鈦及鈦合金冷弧焊焊接的方法。
背景技術：
目前常用鈦及鈦合金的焊接方法主要為鎢極氬氣保護焊(TIG)、熔化極惰性氣體保護焊(MIG)、等離子焊(PAW)等，然而上述焊接方法的熱輸入比較大，對於焊縫分布交叉、密集的大型鈦及鈦合金結構件，焊接變形、焊接內應力大造成裂紋等問題都很難解決，同時熱輸入量大，導致焊縫以及熱影響區的性能也會下降。因此急需一種更低熱輸入量的焊接工藝方法來進一步提高產品及焊縫質量。 冷弧焊焊接方法是一種新型焊接技術，通過採用數位化電源和過程的精密控制技術，使得在焊接過程中可大幅度降低焊接熱輸入量，從而顯著減小焊接殘餘應力，焊接變形。 冷弧焊方法第一次將送絲與焊接過程控制直接地聯繫起來，當數位化的過程控制監測到一個短路信號，就會反饋給送絲機，送絲機回抽焊絲，從而使得焊絲與熔滴分離，實現了無電流狀態下的熔滴過渡。在這種焊接方法中，電弧自身輸入熱量的過程很短，短路發生，電弧即熄滅，熱輸入量迅速地減少。 冷弧焊方法由於出現的比較晚，針對目前材料的焊接工藝技術研究正在積極進行
中，在美國、歐洲和日本，冷弧焊焊接技術多應用在鋁合金薄板，鋁合金薄板和鍍鋅鋼板之
間的連接，其焊後變形明顯降低，焊縫成型良好。 冷弧焊焊接方法應用在鈦及鈦合金材料的焊接還是空白。

發明內容
為解決上述問題，本發明提出了一種用於鈦及鈦合金冷弧焊焊接的方法，該方法
通過大量焊接試驗確定鈦及鈦合金冷弧焊宜採用的焊接模式、焊接保護氣種類、焊接飛濺
控制、焊接坡口的設計、焊接工藝參數等方面參數，解決了鈦及鈦合金在焊接過程中產生的
變形，解決了焊縫殘餘應力大容易出現冷裂紋等問題，提高了產品質量。 為實現上述發明目的，本發明採用如下技術方案 所述的一種用於鈦及鈦合金冷弧焊焊接的方法包含焊接坡口設置、焊接模式、保護性氣體選擇、焊接過程中的飛濺控制和焊接工藝參數制定五個步驟，五個步驟分述如下 1、焊接坡口設置 焊接坡口設置分為I型坡口 、 V型坡口和U型坡口 ，三種坡口的相關參數是鈦及鈦合金板厚t 、坡口間隙b 、坡口斜角a 、坡口傾角|3 ;
當t 13mm時採用U型坡口， b = 2 4mm， P = 8 12° ，坡口圓角R設定為3mm 5 n、焊接模式 當t不大於3mm時採用冷弧焊CMT對接焊焊接模式； 當t大於3mm時採用冷弧脈衝焊CMT+P對接焊焊接模式； 當實施角接焊接時t不論其厚度大小均採用冷弧脈衝焊CMT+P角接焊焊接模式； ni、保護性氣體選擇 保護性氣體性質不同，焊接時的電弧形態、熔滴過渡和焊縫成形也不同，對焊接結果有直接影響；鈦及鈦合金焊接採用保護性氣體為He+Ar混合氣，He+Ar混合氣按體積百分比混合的比例是50 80%的He、20 50%的Ar ; 採用He+Ar混合氣保護時，冷弧焊CMT焊接模式和冷弧脈衝焊CMT+P焊接模式的對接焊或角接焊，焊縫均能獲得良好成形，焊接過程穩定，且飛濺較少；
IV、焊接過程中的飛濺控制 焊接過程的飛濺除受保護氣影響外主要受弧長校正、脈衝校正或動態校正的影響，當弧長校正、脈衝校正或動態校正均為正偏差時，則焊接飛濺較小；弧長校正、脈衝校正或動態校正的設置在對接焊縫焊接過程中受焊槍角度、焊接坡口間隙等因素影響；弧長校正控制在0 20%之間，脈衝校正或動態校正控制在0 2. 0之間；
V、焊接工藝參數制定 角接焊和對接焊的焊接工藝參數制定有所不同，分述如下
i)、角接焊橫焊時，送絲速度6. 0 8. 5m/min，焊接速度35 75cm/min ;立焊時，送絲速度5. 5 7. 5m/min，焊接速度45 85cm/min ; 上述橫焊或立焊時的弧長校正0 20% ，脈衝校正0 2. 0，焊絲規格①1. 2mm，採
用He+Ar混合保護氣； ii)、對接焊 當t < 2mm時，採用冷弧焊CMT焊接模式，送絲速度2. 0 6. 4m/min，焊接速度
40 70cm/min，弧長校正8 20%，動態校正1.0 3. O，坡口採用I型； 當t = 2 3mm時，採用冷弧焊CMT焊接模式，送絲速度6. 4 9. Om/min，焊接速
度35 60cm/min，弧長校正8 20% ，動態校正1. 0 3. 0，坡口採用V型； 當t > 3 4mm時，採用冷弧脈衝焊CMT+P焊接模式，送絲速度5. 5 7. 5m/min，
焊接速度30 50cm/min，弧長校正10 15%，脈衝校正1. 0 2. O，坡口採用V型； 當t > 4 6mm時，採用冷弧脈衝焊CMT+P焊接模式，送絲速度6. 0 8. 5m/min，
焊接速度20 40cm/min，弧長校正10 15%，脈衝校正1. 0 2. O，坡口採用V型； 當t > 6 13mm時，採用冷弧脈衝焊CMT+P焊接模式，打底填充送絲速度5. 5
7. 5m/min，焊接速度25 45cm/min，蓋面送絲速度7. 5 8. 5m/min，焊接速度20 30cm/
min，弧長校正10 15%，脈衝校正1. 0 2. O，坡口採用V型； 當t > 13mm時，採用冷弧脈衝焊CMT+P焊接模式，打底填充送絲速度6. 5 9. 5m/min，焊接速度15 45cm/min，蓋面送絲速度7. 5 8. 5m/min，焊接速度15 25cm/min，弧長校正10 15%，脈衝校正1. 0 2. 0，坡口採用U型； 上述對接焊時的焊絲規格0 0. 8 1. 2mm，保護氣採用He+Ar混合氣。
由於採用如上所述的技術方案，本發明具有如下優越性 1、本發明的方法，焊接過程穩定，可獲得無缺陷的、性能合格的焊縫。 2、有效減小鈦及鈦合金複雜結構件焊接變形，降低焊縫殘餘應力，提高了產品質
量和生產效率。


圖1是I型坡口示意 圖2是V型坡口示意 圖3是U型坡口示意圖； 上述圖中t-鈦及鈦合金板厚；b-坡口間隙；a-坡口斜角；P-坡口傾角；R-坡
口圓角。
具體實施方式
實施例1 : 使用本發明的鈦及鈦合金冷弧焊接方法，進行了鈦及鈦合金導流罩模擬件的焊接，焊縫結構形式有4mm+4mm板厚對接焊縫、4mm+16mm板厚角接焊縫、16mm+16mm板厚角接焊縫，對接焊採用V型坡口，坡口面角度a =30°坡口間隙b二2mm。整個焊接過程穩定，焊接效率高，焊縫質量滿足鈦合金導流罩製造標準要求。焊接過程採用的焊接參數如下
焊接送絲速度焊接速度弧長校正脈衝焊絲規保護氣
模式
m/min
cm/min
校正1. 3
格
對接焊 CMT+P 6. 0 6. 8 30 35
10 15
虹2
1. 5
角接
橫焊角接
1. 0
CMT+P 6. 0 7. 55 6 65
CMT+P 5.8
10 20
15
虹2
2. 0
1. 0
種類
65% He+35
% Ar
70% He+30% Ar
70% He+30
虹2
6. 56 4 75 10立焊 2.0 % Ar
實施例2 :
使用本發明的鈦及鈦合金冷弧焊接方法，進行了 lmm厚，300mm長，150mm寬的試板平焊位置對接焊接試驗，採用I型坡口 ，坡口間隙b = 0。焊接過程穩定，焊縫背面有良好成形、焊縫內部質量滿足JB/T4730. 2-2005II級要求。焊接過程採用的焊接參數如下
焊接送絲速度焊接速度弧長校正動態焊絲規保護氣
模式 m/mincm/min % 校正格mm 種類 70%He+30
CMT 4.0 50 55 15 1.2 ①1.2
% Ar 實施例3 : 使用本發明的鈦及鈦合金冷弧焊接方法，進行了 2mm厚，300mm長，150mm寬的試板平焊位置對接焊接試驗，採用V型坡口，坡口面角度a =45° ，坡口間隙b二lmm。焊接過程穩定，焊縫背面有良好成形、焊縫內部質量滿足JB/T4730. 2-2005II級要求。焊接過程採用的焊接參數如下
弧長校正
焊接模式
送絲速度焊接速度
m/min
CMT7.0
cm/min
40 45
動態校正
焊絲規格mm
15
1.5 虹2
保護氣種類
70% He+30% Ar
實施例4 :
使用本發明的鈦及鈦合金冷弧焊接方法，進行了 6mm厚，300mm長，150mm寬的試板平焊位置對接焊接試驗，採用V型坡口，坡口面角度a =25° ，坡口間隙b二2mm。焊接過程穩定，焊縫外觀質量、無損檢測結果均達到了 JB/T4730. 3-2005II級要求。
焊接過程採用的焊接參數如下
焊接送絲速度焊接速度焊絲規格模式
m/min
6
CMT+P 8. 2
cm/min
27 35
保護氣種類50% He+50%
虹2
Ar
實施例5 :
使用本發明的鈦及鈦合金冷弧焊接方法，進行了 4mm厚，300mm長，150mm寬的試板平焊位置對接焊接試驗，採用V型坡口，坡口面角度a =30°坡口間隙b二2mm。測量焊後變形與TIG焊和MIG焊比較分別有較大減小。
焊接過程採用的焊接參數如下
焊接模式
送絲速度焊接速度焊絲規格
m/min
CMT+P 6. 0
cm/min
30 35
虹2
保護氣種類
50% He+50%Ar
焊後變形情況如下
變形量橫向縱向備註
焊接方法mmmm
CMT+P28. 54. 5帶墊板
MIG315帶墊板
TIG266不帶墊板
實施例6 :
7
使用本發明的鈦及鈦合金冷弧焊接方法，進行了 14mm、8mm厚，300mm長，150mm寬的試板平焊位置對接焊接試驗，14mm厚板採用"U型"坡口，坡口面角度13 =12° ，坡口間隙b二3mm，坡口圓角R為設定值等於3mm;8mm厚板採用V型坡口，坡口面角度a = 20° ，坡口間隙b = 3mm。焊縫內部質量滿足JB/T4730. 2-2005II級要求。焊縫力學、工藝性能均能滿足焊縫焊接工藝評定要求。焊接過程採用的焊接參數如下厚度焊接送絲速度焊接速度焊絲規格保護氣位置mm模式m/mincm/min mm 禾中^打底層CMT+P6. 330 40 ①1.2 50%He+50%8蓋面CMT+P6. 820 30 ①1.2 Ar打底CMT+P6. 230 40 ①1.280% He+20% [o川]14 填充CMT+P6. 730 40 ①1.2 Ar蓋面CMT+P7. 220 30 ①1.2焊縫力學性能如下編號試樣厚度/mm試樣寬度/mm Rm/Mpa 備註LS-1 825550斷焊縫LS-2 825570LS-ll 1425610斷焊縫LS-21 1425580焊縫工藝性能如下編號試樣厚度/mmD = 10a結果評定備註LW-3 8180°合格 面彎LW-4 8180°合格 背彎LW-5 14180°合格 面彎LW-6 14180°合格 背彎實施例7 :使用本發明的鈦及鈦合金冷弧焊接方法，進行了 12mm厚，300mm長，150mm板平焊位置對接焊接試驗，採用V型坡口，坡口面角度a =15° ，坡口間隙b二3mm。測量焊後焊縫殘餘應力與TIG焊和MIG焊比較分別有較大減小。
焊接過程採用的焊接參數如下
厚度
焊接送絲速度焊接速度焊絲規格保護氣 位置 mm模式m/mincm/min mm 禾中類 打底 CMT+P 6.0 30 40 。1.2 70%He+30% 12 填充 CMT+P 6.8 30 40 。1.2 Ar 蓋面 CMT+P 7.2 20 30 。1.2 焊縫殘餘應力測試數據參考如下 距離焊縫 焊接 中心距離 0 5 1020 3045 60 方法 d/mm 縱向應力 187.9 154.3 132.3 44.3 8.4 -28.5 -45.2 o x/MPa TIG焊 橫向應力 4.1 53.341.1 48.3 61.869.4 62.5 o y/Mpa 縱向應力 98.90 108.2 117.5 67.7 -3.60 -12.1 -50.7 o x/MPa MIG焊 橫向應力 18.00 30.70 27.10 47.6 9.806.90 0.50 o y/MPa 縱向應力 -105. CMT+P 87.80 92.40 21.80 5.40 -40.6 -80.1 o x/MPa 6 冷弧 橫向應力 脈衝焊40.50 43.70 19.00 2.30 16.80 9.10 25.10 o y/MPa 本發明沒有採用純Ar作保護性氣體，是因為冷弧焊CMT焊接模式的焊縫很難獲得
良好的成形，而冷弧脈衝焊CMT+P焊接模式的對接焊和角接焊，焊縫均能夠獲得良好成形，但焊接過程中飛濺非常大，而且焊接穩定性差。
9
權利要求
一種用於鈦及鈦合金冷弧焊焊接的方法，其特徵在於包含焊接坡口設置、焊接模式、保護性氣體選擇、焊接過程中的飛濺控制和焊接工藝參數制定五個步驟，五個步驟分述如下I、焊接坡口設置焊接坡口設置分為I型坡口、V型坡口和U型坡口，三種坡口的相關參數是鈦及鈦合金板厚t、坡口間隙b、坡口斜角α、坡口傾角β；當t＜2mm時採用I型坡口，b＝0～1mm；當t＝2～13mm時採用V型坡口，b＝1～3mm，α＝15～45°；當t＞13mm時採用U型坡口，b＝2～4mm，β＝8～12°，坡口圓角R設定為3mm；II、焊接模式當t不大於3mm時採用冷弧焊CMT對接焊焊接模式；當t大於3mm時採用冷弧脈衝焊CMT+P對接焊焊接模式；當實施角接焊接時t不論其厚度大小均採用冷弧脈衝焊CMT+P角接焊焊接模式；III、保護性氣體選擇保護性氣體性質不同，焊接時的電弧形態、熔滴過渡和焊縫成形也不同，對焊接結果有直接影響；鈦及鈦合金焊接採用保護性氣體為He+Ar混合氣，He+Ar混合氣按體積百分比混合的比例是50～80％的He、20～50％的Ar；採用He+Ar混合氣保護時，冷弧焊CMT焊接模式和冷弧脈衝焊CMT+P焊接模式的對接焊或角接焊，焊縫均能獲得良好成形，焊接過程穩定，且飛濺較少；IV、焊接過程中的飛濺控制焊接過程的飛濺除受保護氣影響外主要受弧長校正、脈衝校正或動態校正的影響，當弧長校正、脈衝校正或動態校正均為正偏差時，則焊接飛濺較小；弧長校正、脈衝校正或動態校正的設置在對接焊縫焊接過程中受焊槍角度、焊接坡口間隙等因素影響；弧長校正控制在0～20％之間，脈衝校正或動態校正控制在0～2.0之間；V、焊接工藝參數制定角接焊和對接焊的焊接工藝參數制定有所不同，分述如下i)、角接焊橫焊時，送絲速度6.0～8.5m/min，焊接速度35～75cm/min；立焊時，送絲速度5.5～7.5m/min，焊接速度45～85cm/min；上述橫焊或立焊時的弧長校正0～20％，脈衝校正0～2.0，焊絲規格Ф1.2mm，採用He+Ar混合保護氣；ii)、對接焊當t＜2mm時，採用冷弧焊CMT焊接模式，送絲速度2.0～6.4m/min，焊接速度40～70cm/min，弧長校正8～20％，動態校正1.0～3.0，坡口採用I型；當t＝2～3mm時，採用冷弧焊CMT焊接模式，送絲速度6.4～9.0m/min，焊接速度35～60cm/min，弧長校正8～20％，動態校正1.0～3.0，坡口採用V型；當t＞3～4mm時，採用冷弧脈衝焊CMT+P焊接模式，送絲速度5.5～7.5m/min，焊接速度30～50cm/min，弧長校正10～15％，脈衝校正1.0～2.0，坡口採用V型；當t＞4～6mm時，採用冷弧脈衝焊CMT+P焊接模式，送絲速度6.0～8.5m/min，焊接速度20～40cm/min，弧長校正10～15％，脈衝校正1.0～2.0，坡口採用V型；當t＞6～13mm時，採用冷弧脈衝焊CMT+P焊接模式，打底填充送絲速度5.5～7.5m/min，焊接速度25～45cm/min，蓋面送絲速度7.5～8.5m/min，焊接速度20～30cm/min，弧長校正10～15％，脈衝校正1.0～2.0，坡口採用V型；當t＞13mm時，採用冷弧脈衝焊CMT+P焊接模式，打底填充送絲速度6.5～9.5m/min，焊接速度15～45cm/min，蓋面送絲速度7.5～8.5m/min，焊接速度15～25cm/min，弧長校正10～15％，脈衝校正1.0～2.0，坡口採用U型；上述對接焊時的焊絲規格Ф0.8～1.2mm，保護氣採用He+Ar混合氣。
全文摘要
一種用於鈦及鈦合金冷弧焊焊接的方法包含焊接坡口設置、焊接模式、保護性氣體選擇、焊接過程中的飛濺控制和焊接工藝參數制定五個步驟。焊接坡口設置分為I型坡口、V型坡口和U型坡口。焊接模式有冷弧焊CMT對接焊、冷弧脈衝焊CMT+P對接焊或冷弧脈衝焊CMT+P角接焊。保護性氣體選擇He+Ar混合氣。焊接過程的飛濺除受保護氣影響外主要受弧長校正、脈衝校正或動態校正的影響，弧長校正控制在0～20％之間，脈衝校正或動態校正控制在0～2.0之間。焊接工藝參數制定因角接焊和對接焊而有所不同。焊接過程穩定，可獲無缺陷、性能合格的焊縫，有效減小鈦及鈦合金複雜結構件焊接變形，降低焊縫殘餘應力，提高了產品質量和生產效率。
文檔編號B23K9/16GK101695784SQ20091020931
公開日2010年4月21日 申請日期2009年11月4日 優先權日2009年11月4日
發明者何剛, 崔永傑, 張建欣, 柳軍 申請人:中國船舶重工集團公司第七二五研究所;