CN109048004A - 一种船用钛合金厚板的振动热丝窄间隙焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种船用钛合金厚板的振动热丝窄间隙焊接方法，包括以下步骤:（1）坡口加工，将厚度为20~150mm的两个钛合金试板的对接端加工成窄间隙U型坡口；（2）在焊接前，将加工成U型坡口后的钛合金试板表面进行机械打磨，然后分别用丙酮、酒精溶剂超声波清洗去除油污，干燥待用；（3）将步骤(2)中干燥后的钛合金试板测量好尺寸后置于工作台上，用夹具固定好，采用手工TIG焊进行点焊定位；（4）采用振动热丝窄间隙焊进行打底、填充、盖面；该方法选择钨极弧形摆动方式实现侧壁熔合，采用焊丝振动送进方式对熔池进行搅拌，通过对焊丝进行预热进一步提高熔敷效率。

Description

一种船用钛合金厚板的振动热丝窄间隙焊接方法

技术领域

本发明属于金属材料焊接领域，具体涉及一种船用钛合金厚板的振动热丝窄间隙焊接方法。

背景技术

钛合金具有良好的耐蚀性、透声性和高的比强度等优点，被称为“海洋合金”。随着海洋装备的快速发展，钛合金在船舶领域、深海装备等方面的应用需求越来越大。同时，厚板钛合金的应用也越来越广泛，例如载人舱球壳是载人潜水器、万米深潜器等大厚度耐压结构件采用的钛合金板材厚度达到90mm。针对钛合金厚板焊接，电子束焊接能够实现良好的接头质量，但是电子束焊接需要在真空室内进行，大型钛合金结构件由于受尺寸限制无法进行电子束焊接。TIG窄间隙焊接方法在钛合金厚板窄间隙焊接广泛应用。

TIG窄间隙焊接焊接过程中填充量小、焊接变形和接头残余应力小、接头力学性能好。目前国内针对钛合金厚板窄间隙焊接主要是传统的TIG窄间隙焊接方法，但该方法侧壁易出现未融合，焊接效率低，焊接过程稳定性低。目前传统厚板窄间隙焊接方法主要采用焊枪横摆方式进行多层单道的填充焊接，在大厚板焊接过程中焊枪易于侧壁发生碰撞，且工艺适应性差，易出现侧壁未融合现象，效率低下。在焊接过程中主要采用冷丝作为填充材料，需要较高的线能量，熔敷效率低，影响接通。针对钛合金厚板窄间隙焊接技术，邵世单等人发明的“钛合金大厚板窄间隙焊接用TIG焊枪”主要通过将调整传统的钨极伸出长度，并采用扁形的保护气罩进行保护，单面焊接深度为60mm。张建欣等人发明的“一种钛合金厚板窄间隙TIG自动焊接工艺”采用的是传统TIG焊枪和扁形焊枪两种形式，焊枪钨极是固定不动的，焊缝铺展需要通过焊枪的横向摆动实现，且需要人工实时调节；送丝方式也是静态冷送丝。

发明内容

本发明的目的是提供一种船用钛合金厚板的振动热丝窄间隙焊接方法，该方法选择钨极弧形摆动方式实现侧壁熔合，采用焊丝振动送进方式对熔池进行搅拌，通过对焊丝进行预热进一步提高熔敷效率。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：一种船用钛合金厚板的振动热丝窄间隙焊接方法，包括以下步骤:

（1）U型坡口加工，将厚度为20~150mm的两个钛合金试板的对接端加工成窄间隙U型坡口；

（2）在焊接前，将加工成U型坡口后的钛合金试板表面进行机械打磨，然后依次用丙酮、酒精溶剂超声波清洗去除油污，干燥待用；

（3）将步骤(2)中干燥后的钛合金试板测量好尺寸后置于工作台上，用夹具固定好，采用手工TIG焊进行点焊定位；

（4）采用振动热丝窄间隙焊进行打底、填充、盖面；打底参数为：焊接电流185~200A、送丝速度1.6~1.8m/min、焊接速度18~20cm/min、焊接电压14~15V、热丝电流80~100A、焊丝振动频率30~40Hz、保护气流量25~30L/min；填充参数为：焊接电流210~280A、送丝速度3~4.5m/min、焊接速度19~22cm/min、焊接电压14~15V、热丝电流80~100A、焊丝振动频率30~40Hz、钨极摆动角度30~45°、弧摆速度80~100°/s、保护气流量25~30L/min；盖面参数为：焊接电流250~280A、送丝速度4~4.5m/min、焊接速度19~22cm/min、焊接电压14~15V、热丝电流80~100A、焊丝振动频率30~40Hz、钨极摆动角度30~45°、弧摆速度80~100°/s、保护气流量25~30L/min。

进一步的，步骤(1)中U型坡口的间隙为1~3mm。

进一步的，钛合金试板板厚为20~40mm时，坡口角度为3~5°；钛合金试板板厚为40~150mm时，板厚在0~30mm部分的坡口角度为3~5°，板厚在40~150mm部分为直边段。

进一步的，步骤(2)中在钛合金试板表面进行机械打磨的厚度为20~25mm。

进一步的，步骤(3)中手工TIG焊进行点焊定位的点焊电流为100~120A。

本发明的有益效果主要表现如下：本发明提供的钛合金大厚板振动热丝窄间隙焊接方法，可应用于板材、铸件、锻件的连接，厚度范围20~150mm ，本发明与现有技术相比，其显著的优势在于：1、钛合金大厚板振动热丝窄间隙焊接方法与原有的半自动、手工TIG窄间隙的焊接方法相比，热丝作用可以明显提高焊丝熔敷效率；2、通过振动送丝对熔池进行搅拌，改善熔池的结晶状态，细化晶粒；3、钨极弧形摆动能够显著改善熔池的焊缝侧壁的熔合，能够避免侧壁未熔合缺陷的产生，提高接头成形合格率和效率，采用本发明的钛合金大厚板振动热丝窄间隙焊接方法连接后的接头的拉伸、冲击综合性能优于采用普通TIG焊连接的接头，接头强度系数≥0.95。

附图说明

图1是发明焊接接头低倍组织的金相显微镜结构示意图；

图2是本发明的焊缝组织的低倍金相显微镜结构示意图；

图3是图2的高倍金相显微镜结构示意图。

具体实施方式

结合实施例对本发明加以详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，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。

一种船用钛合金厚板的振动热丝窄间隙焊接方法，包括以下步骤:选取被焊材料为Ti80钛合金板材，该板材在深潜器、舰船等装备上广泛应用，其服役环境对冲击韧性有较高的要求，规格为300×150×42mm，两块板材沿150mm边对接焊，板材化学成分（质量分数，%）为Al：5.5~6.5、Nb：2.5~3.5、Zr：1.5~2.5、Mo：0.6~1.5、Fe：0.25、Si：0.15、C：0.10、N：0.05、H：0.015、O：0.15、Ti：余量。

(1)、采用机械方法，将规格为300×150×42mm的Ti80钛合金板材对接端加工成窄间隙U型坡口，U型坡口的间隙为1~3mm，钛合金板材在0~30mm部分的坡口角度为3~5°，板厚在40~42mm部分为直边段，

(2)在焊接前，将加工成U型坡口后的钛合金板材表面进行机械打磨，打磨的厚度为20~25mm，然后依次用丙酮、酒精溶剂超声波清洗去除油污，干燥待用，打磨处理后存放时间不超过4h，超过4h需重新清理；

(3)将步骤(2)中干燥后的钛合金试材测量好尺寸后置于工作台上，用夹具固定好，采用手工TIG焊进行点焊定位，点焊电流为100~120A；

(4)采用振动热丝窄间隙焊进行打底、填充、盖面；打底参数为：焊接电流185~200A、送丝速度1.6~1.8m/min、焊接速度18~20cm/min、焊接电压14~15V、热丝电流80~100A、焊丝振动频率30~40Hz、保护气流量25~30L/min；填充参数为：焊接电流210~280A、送丝速度3~4.5m/min、焊接速度19~22cm/min、焊接电压14~15V、热丝电流80~100A、焊丝振动频率30~40Hz、钨极摆动角度30~45°、弧摆速度80~100°/s、保护气流量25~30L/min；盖面参数为：焊接电流250~280A、送丝速度4~4.5m/min、焊接速度19~22cm/min、焊接电压14~15V、热丝电流80~100A、焊丝振动频率30~40Hz、钨极摆动角度30~45°、弧摆速度80~100°/s、保护气流量25~30L/min。

焊接过程中，本发明在焊枪上方加装专用气体保护装置，并在试板背面进行气保护，获得良好的焊接保护，接头外观呈银白色。

利用X射线探伤仪对按上述步骤完成的真空电子束焊接焊缝进行检测，焊缝质量满足NB 47013-2015 І级要求。利用金相显微镜对焊接接头及焊缝组织进行分析，结果显示通过振动送丝对熔池进行搅拌，改善熔池的结晶状态，细化晶粒，钨极弧形摆动能够显著改善熔池的焊缝侧壁的熔合，能够避免侧壁未熔合缺陷的产生，提高接头成形合格率和效率。

以10块规格为300×150×42mm钛合金Ti80板材对接焊为例，将本发明方法与现有技术对钛合金板材进行焊接，焊接后的接头经过电子万能实验机对焊接接头进行拉伸试验测试，采用摆锤式冲击试验机对接头进行冲击韧性测试，测试结果如表1所示，表中数据为三个试验结果的平均值。

表1 焊接接头性能对比

用本发明的钛合金大厚板振动热丝窄间隙焊接方法连接后的接头拉伸、冲击综合性能优于采用普通TIG焊连接的接头，接头强度系数≥0.95。

以10块规格为300×150×42mm钛合金Ti80板材对接焊为例，本发明与现有技术相比，焊接效率显著提升，如表2所示。

表2 焊接合格率及熔敷效率对比

本发明采用钨极弧形摆动能够显著改善熔池的焊缝侧壁的熔合，能够避免侧壁未熔合缺陷的产生，提高接头成形合格率和效率。

本发明提供一种振动送丝窄间隙焊接方法，内部设置有专门的水冷装置，单面焊接深度达到150mm；焊枪内部可以通过伺服电机控制钨极旋转实现电弧的弧形摆动保证侧壁熔合，同时钨极的摆动角度、摆动速度都能实现远程实时调控；送丝方式是热丝高频振动送进，通过专用的送丝装置实现焊丝的在熔池进入之前的振动和加热，焊丝振动能够对熔池进行搅拌，细化晶粒，进一步改善侧壁熔合；此外，通过加装激光在线跟踪功能，能够实现焊接过程中焊枪位置、填充量的实时反馈自动调节焊枪位置。本发明应用于钨极弧摆方式、振动送丝等技术应用于钛合金厚板焊接，显著提高了焊接质量和稳定性，提高钛合金大厚板窄间隙焊接的焊接效率。

还需要说明的是，在本文中，诸如Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

Claims (5)

1.一种船用钛合金厚板的振动热丝窄间隙焊接方法，其特征在于：包括以下步骤:

（1）U型坡口加工，将厚度为20~150mm的两个钛合金试板的对接端加工成窄间隙U型坡口；

（2）在焊接前，将加工成U型坡口后的钛合金试板表面进行机械打磨，然后依次用丙酮、酒精溶剂超声波清洗去除油污，干燥待用；

（3）将步骤(2)中干燥后的钛合金试板测量好尺寸后置于工作台上，用夹具固定好，采用手工TIG焊进行点焊定位；

（4）采用振动热丝窄间隙焊进行打底、填充、盖面；打底参数为：焊接电流185~200A、送丝速度1.6~1.8m/min、焊接速度18~20cm/min、焊接电压14~15V、热丝电流80~100A、焊丝振动频率30~40Hz、保护气流量25~30L/min；填充参数为：焊接电流210~280A、送丝速度3~4.5m/min、焊接速度19~22cm/min、焊接电压14~15V、热丝电流80~100A、焊丝振动频率30~40Hz、钨极摆动角度30~45°、弧摆速度80~100°/s、保护气流量25~30L/min；盖面参数为：焊接电流250~280A、送丝速度4~4.5m/min、焊接速度19~22cm/min、焊接电压14~15V、热丝电流80~100A、焊丝振动频率30~40Hz、钨极摆动角度30~45°、弧摆速度80~100°/s、保护气流量25~30L/min。

2.根据权利要求1所述的一种船用钛合金厚板的振动热丝窄间隙焊接方法，其特征在于：步骤(1)中U型坡口的间隙为12~14mm。

3.根据权利要求1所述的一种船用钛合金厚板的振动热丝窄间隙焊接方法，其特征在于：钛合金试板板厚为20~40mm时，坡口角度为3~5°；钛合金试板板厚为40~150mm时，板厚在0~30mm部分的坡口角度为3~5°，板厚在40~150mm部分为直边段。

4.根据权利要求1所述的一种船用钛合金厚板的振动热丝窄间隙焊接方法，其特征在于：步骤(2)中在钛合金试板表面进行机械打磨的厚度为20~25mm。

5.根据权利要求1所述的一种船用钛合金厚板的振动热丝窄间隙焊接方法，其特征在于：步骤(3)中手工TIG焊进行点焊定位的点焊电流为100~120A。