一種鈦‑鋼複合板對接焊縫的電熔爆包覆焊接系統及方法與流程
2023-06-02 01:32:21
本發明屬於材料加工領域，涉及一種鈦-鋼複合板對接焊縫的電熔爆包覆焊接系統及方法。
背景技術：
鈦以其優異的耐腐蝕性、較高的比強度、高低溫範圍內性能穩定等諸多優點被廣泛應用於工業領域。但是鈦在礦石中與氧原子結合緊密，增加了提煉難度，冶煉成本高，一定程度上減少了鈦的工業應用。而鋼是最常用的結構材料，其力學性能、焊接性、熱穩定性好，價格低廉，但是鋼鐵的耐腐蝕性能遠不如鈦或鈦合金，且鋼的密度較大。但鋼相對於鈦有更高的強度並且具有價格優勢，因此，將鈦和鋼相結合得到鈦鋼複合材料，兼具鈦及鈦合金耐腐蝕好、比強度高、鋼的高強度和價格低廉的特點，在工程領域有更廣闊的應用前景，尤其是對於結構件中，用部分鋼取代鈦，以滿足強度要求，可降低生產成本。
儘管鈦-鋼複合材料有其優越性，但在結構製造中，兩種不同的材料屬性也給其焊接成型方法帶來了問題。鈦和鋼在熱力學性能、物理化學性能等方面存在巨大差異。根據鈦-鐵二元相圖，室溫下鐵在鈦中的溶解度極低，僅為0.05％～0.1％左右，超出溶解度後，開始有金屬間化合物TiFe和Ti2Fe形成，兩者的硬度分別約為600HV和1000HV，這些金屬間化合物非常脆，易導致接頭發生脆性斷裂，此外兩種材料之間的熱應力失配也是導致開裂的另一個重要因素。
針對以上問題，國內學者對鈦-鋼複合板對接焊展開了大量研究。西安理工大學褚巧玲等人使用TIG填絲對接焊CP-Ti/Q345複合板，焊絲為Cu/V焊絲。焊後發現接頭存在大量裂紋和缺陷：V/Ti界面有未焊透缺陷；Cu/V和CP-Ti/Q345/V存在大量裂紋；CP-Ti/Q345/V結合界面可觀察到TiFe脆性相，以上缺陷均致使鈦-鋼複合板對接焊接頭產生應力集中，力學性能下降。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供了一種鈦-鋼複合板對接焊縫的電熔爆包覆焊接系統及方法，該系統及方法能夠有效的解決鈦-鋼複合板對接焊時焊縫區Ti-Fe金屬間化合物脆性相多、接頭脆性大、力學性能差的問題。
為達到上述目的，本發明所述的鈦-鋼複合板對接焊縫的電熔爆包覆焊接系統包括基座、弧形鈦板、鋁箔、絕緣箔、開關、電容器組及若干支撐架；
預對接鈦-鋼複合板由復板及基板組成，基板及復板依次位於基座上，復板的中部開設有坡口，基板上表面的中部為圓弧面，弧形鈦板通過支撐架固定於復板的上表面上，絕緣箔及鋁箔均為圓弧形結構，且絕緣箔及鋁箔依次設於弧形鈦板上，鋁箔、絕緣箔、弧形鈦板及復板上的坡口均正對基板上的圓弧面，電容器組的正負極經開關分別與弧形鈦板的兩端相連接。
支撐架的數目為四個。
本發明所述的鈦-鋼複合板對接焊縫的電熔爆包覆焊接方法包括以下步驟：
1)製備弧形鈦板、圓弧形結構的絕緣箔及鋁箔，再在復板的中部加工坡口，並將基板上表面的中部加工為圓弧面，再打磨所述坡口、圓弧面及弧形鈦板，去除坡口、圓弧面及弧形鈦板表面的氧化物；
2)將基板及復板依次置於基座上，再將弧形鈦板通過支撐架固定於復板上，再將絕緣箔及鋁箔依次置於弧形鈦板上，使絕緣箔、鋁箔、弧形鈦板及復板上的坡口均正對基板上的圓弧面，然後將電容器組的正負極通過開關與鋁箔的兩端相連接；
3)閉合開關，電容器組輸出的瞬間電流使鋁箔氣化產生衝擊力，驅使弧形鈦板與基板上的圓弧面及復板上的坡口發生撞擊，形成冶金結合，然後再打磨復板的上表面，完成鈦-鋼複合板對接焊縫的電熔爆包覆焊接。
其特徵在於：基板的材質為合金鋼或不鏽鋼。
復板的材質為TA1純鈦或TA2純鈦，復板的厚度小於等於2mm。
支撐架的高度根據鈦-鋼複合板與弧形鈦板之間形成的弧形焊縫決定，支撐架的高度為1-3mm。
電容器組輸出的瞬間電流的電流峰值為100KA-140KA、電壓峰值為7KV-10KV。
鋁箔1的厚度為0.075mm。
弧形鈦板撞擊到預對接鈦-鋼複合板之前的飛行速度為500m/s-600m/s，飛行時間為10μs-20μs。
本發明具有以下有益效果：
本發明所述的鈦-鋼複合板對接焊縫的電熔爆包覆焊接系統及方法在具體操作時，通過電容器組輸出瞬間電流，並通過瞬間電流使鋁箔氣化產生衝擊力，再通過該衝擊力推動弧形鈦板與基板上的圓弧面及復板上的坡口進行撞擊，形成冶金結合，由於電容器組輸出的瞬間電流較大，弧形鈦板在衝擊預對接鈦-鋼複合板之前的速度較大，從而使衝擊後形成的鈦-鋼複合板對接焊時焊縫區Ti-Fe金屬間化合物脆性相少，接頭脆性小，力學性能優良，腐蝕壽命長，可以通過依次電熔爆焊完成鈦-鋼複合板的焊接。
附圖說明
圖1為本發明的正視圖；
圖2為本發明的結構示意圖。
其中，1為鋁箔、2為絕緣箔、3為弧形鈦板、4為支撐架、5為弧形焊縫、6為鈦-鋼複合板、7為基座、8為電容器組。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：
參考圖1，本發明所述的鈦-鋼複合板對接焊縫的電熔爆包覆焊接系統包括基座7、弧形鈦板3、鋁箔1、絕緣箔2、開關、電容器組8及若干支撐架4；預對接鈦-鋼複合板6由復板及基板組成，基板及復板依次位於基座7上，復板的中部開設有坡口，基板上表面的中部為圓弧面，弧形鈦板3通過支撐架4固定於復板的上表面上，絕緣箔2及鋁箔1均為圓弧形結構，且絕緣箔2及鋁箔1依次設於弧形鈦板3上，鋁箔1、絕緣箔2、弧形鈦板3及復板上的坡口均正對基板上的圓弧面，電容器組8的正負極經開關分別與弧形鈦板3的兩端相連接；支撐架4的數目為四個。
本發明所述的鈦-鋼複合板對接焊縫的電熔爆包覆焊接方法包括以下步驟：
1)製備弧形鈦板3、圓弧形結構的絕緣箔2及鋁箔1，再在復板的中部加工坡口，並將基板上表面的中部加工為圓弧面，再打磨所述坡口、圓弧面及弧形鈦板3，去除坡口、圓弧面及弧形鈦板3表面的氧化物；
2)將基板及復板依次置於基座7上，再將弧形鈦板3通過支撐架4固定於復板上，再將絕緣箔2及鋁箔1依次置於弧形鈦板3上，使絕緣箔2、鋁箔1、弧形鈦板3及復板上的坡口均正對基板上的圓弧面，然後將電容器組8的正負極通過開關與鋁箔1的兩端相連接；
3)閉合開關，電容器組8輸出的瞬間電流使鋁箔1氣化產生衝擊力，驅使弧形鈦板3與基板上的圓弧面及復板上的坡口發生撞擊，形成冶金結合，然後再打磨復板的上表面，完成鈦-鋼複合板6對接焊縫的電熔爆包覆焊接。
基板的材質為合金鋼或不鏽鋼。
復板的材質為TA1純鈦或TA2純鈦，復板的厚度小於等於2mm。
支撐架4的高度根據鈦-鋼複合板6與弧形鈦板3之間形成的弧形焊縫5決定，支撐架4的高度為1-3mm。
電容器組8輸出的瞬間電流的電流峰值為100KA-140KA、電壓峰值為7KV-10KV。
鋁箔1的厚度為0.075mm。
弧形鈦板3撞擊到預對接鈦-鋼複合板6之前的飛行速度為500m/s-600m/s，飛行時間為10μs-20μs。
實施例一
把兩塊鈦-鋼複合板6(材質組合為TA1/Cr12MoV，尺寸為200×80×2mm)焊接在一起，焊縫長度為200mm。包覆用的弧形鈦板3TA1尺寸為200×40×1mm，把兩塊預對接的鈦-鋼複合板6的基板、絕緣箔2和鋁箔1加工成與之對應的圓弧形，再在復板的中部形成一定坡口，將基板的圓弧形面和復板的坡口及弧形鈦板3用砂紙或拋光輪打磨乾淨，除去金屬表面的氧化物，露出金屬光澤。然後將預對接的鈦-鋼複合板6置於基座7之上，將弧形鈦板3通過支撐架4置於基板上圓弧面的上方，支撐架4高度為1.6mm，再將絕緣箔2和鋁箔1依次置於弧形鈦板3之上，最上層的鋁箔1與Maxwell Magneform電容器組8相連，在實現電熔爆焊接前，對鋁箔1輸入很小的預置電流和電壓，開始電熔爆焊接時，將電流突增至120kA，電壓增至7kV，鋁箔1迅速氣化產生驅動力，驅使弧形鈦板3和基板包覆成一體，最後使用砂輪將復板上表面打磨光滑平整，獲得完全焊透的鈦-鋼複合板6完整焊接。
實施例二
把兩塊鈦-鋼複合板6(材質組合為TA2/1Cr18Ni9Ti，尺寸為150×70×2mm)焊接在一起，焊縫長度為150mm，包覆用的弧形鈦板3TA1尺寸為150×35×1mm，把預對接的鈦-鋼複合板6的基板、絕緣箔2和鋁箔1加工成與之對應的圓弧形，再在復板的中部形成一定坡口，將基板的圓弧形面和復板的坡口及弧形鈦板3用砂紙或拋光輪打磨乾淨，除去金屬表面的氧化物，露出金屬光澤，然後將預對接的鈦-鋼複合板6置於基座7之上，將弧形鈦板3通過支撐架4置於基板的圓弧面上，支撐架4的高度為1mm，再將絕緣箔2和鋁箔1依次置於弧形鈦板3之上，將鋁箔1與Maxwell Magneform電容器組8相連，在實現電熔爆焊接前，對鋁箔1輸入很小的預置電流和電壓，開始電熔爆焊接時，將電流突增至110kA，電壓增至7.5kV，鋁箔1迅速氣化產生驅動力，驅使弧形鈦板3和基板包覆成一體，最後使用砂輪將復板上表面打磨光滑平整，獲得完全焊透的鈦-鋼複合板6完整焊接。