钛复合板焊接.docx

复 合 钢 的 焊 接石油、化工、航海和军工生产中广泛使用复合钢制造各类耐腐蚀设备。目前应用较多的复合钢是由较薄的不锈钢与较厚的低合金钢通过爆炸焊、轧制或堆焊等工艺方法制成的双金属板材。较厚的珠光体钢部分为基层，基层多半由低碳钢或低合金钢组成，主要满足复合钢在使用中强度和刚度的要求。不锈钢部分为复层，主要满足复合钢的耐蚀性等要求。随着复合钢的应用范围不断扩大，其焊接日益引起人们的关注。1. 复合钢的基本性能1.1 复合钢的力学性能生产中应用较多的复合钢板是以不锈钢、镍基合金、铜基合金或钛合金板为复层，低碳钢或低合金钢为基层，以爆炸焊、复合轧制、堆焊或钎焊方法制成的双金属板材。还可以采用电渣焊生产大厚度（100150mm）的轧制复合钢。通常复层只占复合钢板总厚度的5%50%，一般为10%20%，最小实用厚度为1.5mm。复合钢可以节约大量的不锈钢或钛等贵重金属，具有很大的经济价值。碳钢与不锈钢（或镍基合金、钛等）用复合轧制或爆炸焊方法形成的复合钢板，要求具有一定的拉伸、弯曲等力学性能。为了保证复合钢板不失去原有的综合性能，对基层和复层必须分别进行焊接，焊接性、焊接材料选择、焊接工艺等由基层、复层材料决定。 拉伸强度 复合钢中的不锈钢复层的力学性能比基层碳钢优良，抗接强度高于碳钢。复合钢的拉伸强度（b、s）可用下式求出。bcc bddb c d式中 bc碳钢的抗拉强度，MPa；c碳钢的厚度，mm；bd不锈钢的抗拉强度， MPa；d不锈钢的厚度，mm。在实际设计中，美国在ASMF标准中规定：复合钢的整体厚度按基层碳钢的厚度进行设计。日本有关标准通常也按这种规定进行设计。 弯曲性能 测定复合钢的弯曲性能时，可把不锈钢复层放在外侧，也可把碳钢基层放在外侧进行弯曲试验。无论采取哪种方法，都必须根据处于外侧材料的弯曲试验规定进行，目的是为了判断外侧材料的性能。如果把不锈钢放在外侧进行弯曲试验，弯曲半径按与复合钢整体厚度相等的不锈钢厚度弯曲试验所规定的半径进行弯曲，弯曲时外侧必须不产生裂纹。在碳钢为外侧的弯曲试验时，应按碳钢整体厚度的规定进行试验。判断复合钢的弯曲性能时，把不锈钢放在内侧，当不锈钢的厚度为4.99.5mm时，半径R可按复合钢整体厚度的一半（R=/2）进行弯曲。当不锈钢厚度9mm时，弯曲半径R按等于复合钢整体厚度（R=）进行弯曲。通常规定三个试样中至少一个试样不能在弯曲处的两端有超过50%的分离现象。碳钢与不锈钢爆炸焊时，由于工艺参数不当，有时在接合面交界处能产生硬化的合金层，当进行弯曲试验时，这种合金层容易形成裂纹。因此，使用爆炸焊复合钢制造承受弯曲载荷的结构时，必须选用没有硬化合金层的爆炸焊复合钢。1.3 复合钢板的接头设计复合钢板焊接接头设计必须考虑便于分别对基层、复层及过渡层焊接施工和避免或减少焊接第一焊道时被稀释的问题。图1为不锈钢复合钢板、铜及铜合金复合钢板对接接头的常用坡口形式。钛及钛合金或铝及铝合金复层冶金相容性差。因此在接头设计上应尽量避免或减少基层金属熔入复层金属。所以在接头构造上与不锈钢复合钢板有较大区别。图2为钛及钛合金或铝及铝合金复合钢板对接接头的常用坡口形式。对接接头尽可能采用X形坡口双面焊。同时考虑过渡层的焊接特点，尽量减少复层一侧的焊接工作量。当焊接位置受限，必须单面焊时，可采用单面V形坡口。2. 钛钢复合板的焊接采用钛钢复合板可以大大扩展钛的应用范围和降低结构件的造价，许多国家已经掌握这种复合板的生产技术。我国已经采用爆炸成形以及爆炸轧制技术来生产制造这种复合板并取得良好效果。2.1 钛钢复合板的分类及性能目前，生产钛钢复合板最适宜的方法是爆炸成形。也有同时采用两种工艺来生产钛钢复合板的：先爆炸成形，然后再进行轧制。在真空条件下轧制钛钢复合板比最初采用的真空钎焊工艺更便宜。钛钢复合板和钛不锈钢复合板用于制造在腐蚀环境中承受一定压力、温度的塔、罐、槽等工程结构。钛钢复合板的分类见表5。钛钢复合板的力学和工艺性能见表6。钛不锈钢复合板的分类见表7。钛不锈钢复合板的力学和工艺性能见表8。表5 钛钢复合板的分类种 类代 号爆炸钛钢复合板0类1类2类B0B1B20类：用于过渡接头、法兰等高结合强度且不允许不结合区存在的复合板1类：将钛材作为强度设计或特殊用途的复合板，如管板等2类：将钛材作为耐蚀设计，而不考虑强度的复合板，如筒体等爆炸轧制钛钢复合板1类2类BR1BE2注：爆炸钛钢复合板以“爆”字汉语拼音第一个字母B表示，爆炸轧制钛钢复合板以BR表示。表6 钛钢复合板的力学和工艺性能拉伸试验剪切强度b/MPa弯曲试验抗拉强度b/MPa伸长率/0类复合板其他类复合板弯曲角/()弯曲直径d/mmB大于基层或复合材料标准中较低一方的规定值 196138内弯180，外弯由复合材料标准规定内弯时按基层标准，不够2倍时取2倍，外弯时为复合板厚度的3倍注：复合钢板抗拉强度B按式（7-1）计算。表7 钛不锈钢复合板的分类种 类代号用 途 分 类爆炸钛不锈钢复合板0类B0用于过渡接头、法兰等高结合强度且不允许不结合区存在的某些特殊用途1类B1钛材参与强度设计的复合板，或复合板需进行严格加工的结构件，如管板等2类B2将钛材作为耐蚀设计，不参与强度设计的复合板，如筒体等注：爆炸钛钢复合板以“爆”字汉语拼音第一个字母B表示。表8 钛不锈钢复合板的力学和工艺性能拉伸试验剪切试验分离试验弯曲试验抗拉强度b/MPa伸长率/剪切强度b/MPa分离强度t/MPa弯曲角/()弯曲直径d/mmB大于基层或复合材料标准中较低一方的规定值0类197274内弯180，外弯由复合材料标准规定内弯时按基层标准，不够2倍时取2倍，外弯时为复合板厚度的3倍1类1382类138注：复合钢板抗拉强度B按式（7-1）计算。2.2 钛钢复合板焊接工艺特点钛钢复合板的复层（钛）厚度一般为1.53.0mm，基层厚度为820mm。钛复层和钢基层之间如果不加入中间金属层，经加热后会产生脆性层，使钛钢复合板的层间结合强度降低。因此，可在钛与钢之间加入V、Nb或者V Cr等中间合金层。通过加入各种中间金属层轧制的钛钢复合板加热工艺对界面抗拉强度的影响见表9。由表可见，加入V作为中间层的效果最好。加双金属中间层（V Cu或Nb Cu）的结果并不好。因为Cu的熔点低，会形成低熔点共晶体，从而使钛钢复合板的焊接工艺变得更复杂。表9 钛钢复合板加热工艺对界面抗拉强度的影响钛钢复合板抗拉强度/MPa450100h8000.5h5h10h50h无中间层265221157196186加V中间层294272277274加Nb中间层225100178176167加V Cu中间层206194208201225加Nb Cu中间层219140181189203钛钢复合板的焊接主要采用以下两种工艺：焊缝上加盖板，见图3(a)；加中间层，见图3(b)。采用第一种焊接工艺时（在焊缝上加盖板），对接接头处的强度性能主要靠基层钢焊缝来保证，而加盖板的目的是用来防止侵蚀性介质腐蚀焊接接头。在焊缝和盖板之间填加的地、填充材料，通常是Ag（Ag与Ti熔合得很好）或熔点较低的银钎料，也可以填充环氧树脂型聚合物。加填充材料的目的是为了提高接头的抗腐蚀性能。焊缝可以是如图4(a)所示的单面焊缝，也可以是如图4(b)所示的双面焊缝。 焊接钛钢复合板的第二种工艺是在钛复层的坡口中镶入一层很薄的难熔金属衬片（见图1b）,如厚度0.1mm的铌箔或钼箔等。焊接钛钢复合板的复层时，采用钨极氩弧焊（TIG），填加钛焊丝，钛丝直径取决于钛钢复合板的复层厚度及坡口形式。钨极电弧在钛丝和钨极之间燃烧，不要使电弧直接作用在铌箔上，焊枪应沿着钛丝移动，钛丝熔化后即形成钛钢复合板的焊缝。因为Nb的熔点高，钨极电弧又不直接作用在铌箔上，所以只有很少部分Nb熔化，防止了钛与钢的相互熔合，可以有效地防止脆性相的形成。2.3 钛钢复合板焊接实例被焊母材 钛钢复合板，复层为工业纯钛TA2（厚度2mm），基层为低碳钢（厚度8mm）。焊接工艺 用厚度0.1mm的铌箔作为中间层，采用钨极氩弧焊（TIG）进行焊接，钨极直径3mm。填加钛焊丝，钛丝直径4mm。焊接工艺参数为，焊接电流160170A，焊接电压1012V，焊接速度13.3cm/min，喷嘴直径18mm。用氩气作为保护气体，保护熔池的氩气流量为810L/min，在冷却过程中保护焊缝的氩气流量为34L/min。通过上述工艺获得的钛钢复合板焊接接头的抗拉强度为387397MPa，基层金属的抗拉强度为426431MPa。在拉伸实验时，焊接接头首先在铌箔与钛复层的界面上断裂，然后在钢基层上破断。这