一种钛及钛合金熔化极惰性气体保护焊接技术

摘要

本专利介绍了一种钛及钛合金熔化极惰性气体保护焊接技术，焊接过程采用推拉式送丝方式，熔滴过渡形式为短路或喷射过渡，焊接电弧为脉冲与连续燃烧电弧互相切换结合，根据不同的焊接工况环境选择适当的焊接位置及其相应的焊接规范；焊接接头设计为带垫板或不带垫板对接焊缝、“T”型接头角焊缝以及角接头形式的对接焊缝；相应进行焊接坡口设计；对焊枪相对焊缝的倾斜角度θ和ω进行控制；焊接过程中采用高纯氩气或者氦、氩联合保护实现焊接。本发明解决了钛及钛合金大型薄壁复杂结构件MIG焊接过程控制及其相关技术问题，实现了钛及钛合金MIG焊接的工程化应用，焊接生产效率提高了1～3倍，提高了焊缝和焊接构件的综合质量。

权利要求

1.一种钛及钛合金熔化极惰性气体保护焊接方法，其特征是：所述的焊接方法包括：

---焊接方式：焊接过程手工操作，采用推拉式送丝方式，熔滴过渡形式为短路或喷射过渡，焊接电弧为脉冲与连续燃烧电弧互相切换结合，然后根据不同的焊接工况环境选择适当的焊接位置及其相应的焊接规范，其具体焊接位置包括固定式平焊、立焊、横焊、仰焊，立焊包括正位立焊、仰30°立焊、俯30°立焊；若工件可以倾转，则调整焊缝位置，优先实施平焊或立焊；若工件须固定不允许变位，则根据具体结构的焊缝分布位置选择相应位置的焊接工艺规范；

---焊接接头形式：焊接接头设计为带垫板或不带垫板对接焊缝、“T”型接头角焊缝以及角接头形式的对接焊缝；

---焊接坡口设计：焊接接头为“T”型接头的不要求焊透的角焊缝不加工坡口；对于焊透的各种接头形式的对接焊缝均加工相应的坡口；坡口的钝边厚度h范围为0mm～4mm，装配间隙p范围为0～5mm，坡口角度α、β范围为40-70°；

---焊枪操作：手动控制焊枪时，焊枪移动速度稳定、均匀；焊枪相对焊缝的倾斜角度θ和ω当对接焊缝焊接时，其平焊的焊枪角度θ和ω分别为70-110°和80-110°，横焊的焊枪角度θ和ω分别为70-110°和70-100°，立焊的焊枪角度θ和ω分别为

50-100°和80-110°，仰焊的焊枪角度θ和ω分别为70-120°和80-110°；角焊缝焊接时，其平焊的焊枪角度θ和ω分别为70-110°和30-80°，横焊的焊枪角度θ和ω分别为70-110°和30-60°，立焊的焊枪角度θ和ω分别为50-100°和30-80°，仰焊的焊枪角度θ和ω分别为70-120°和30-60°；

---保护气体的选择：焊接过程中采用高纯氩气或者氦、氩联合保护实现焊接。

2.根据权利要求1所述钛及钛合金熔化极惰性气体保护焊接方法，其特征是：所述角焊缝焊接时选用氦气和氩气按(7～8)∶(3～2)的比例配比组合进行保护。

说明书

一种钛及钛合金熔化极惰性气体保护焊接技术

技术领域

[0001] 本发明涉及一种焊接技术，特别是涉及一种钛及钛合金熔化极惰性气体保护焊接技术。

背景技术

[0002] 随着现代工业及国防装备的日趋大型化、复杂化，金属结构件的高效、稳定焊接技术的工程应用愈来愈广泛，熔化极惰性气体保护焊接(简称MIG)技术成为现代工业生产中大型复杂钛制结构件焊接的首选技术之一。目前，有关钛及钛合金手工MIG焊接的实验室工艺数据和文章较少，在工程应用方面研究更是鲜有报道。目前，中国船舶重工集团公司第七二五研究所是我国在钛合金工程化焊接应用方面首推手工熔化极惰性气体保护焊接技术的单位。

[0003] 目前钛及钛合金大型结构件，特别是薄壁板筋件，其焊缝数量多、分布空间和位置复杂，不适宜采用高质高效的激光焊、电子束焊、等离子弧焊等先进技术，仍以普通手工钨极氩弧(简称TIG)焊接为主。但是，钛材的熔点较高，导热性差，焊缝区高温停留时间较长，熔池金属晶粒长大倾向较大，接头综合力学性能有所下降。普通TIG焊接速度慢，热输入量相对较大，导致焊接变形和残余应力增大，往往会造成构件焊缝失效破坏，并且在操作过程中很难实现仰焊等位置的焊接。这些在一定程度上限制了TIG焊接在结构件制造中的应用。而MIG焊接与传统TIG焊接方法相比具有焊接速度快、生产效率高、成本低、接头残余应力和残余变形小、焊缝组织相对细小、接头力学性能好等优点。国内该技术的实验室焊接已获得了一定的成功经验。但在钛及钛合金材料的工程焊接上的应用研究尚属空白。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种钛及钛合金熔化极惰性气体保护焊接技术，通过手工熔化极惰性气体保护焊接工艺试验，解决钛及钛合金构件多种位置手工MIG焊接工艺及工程化应用操作技术难题，实现钛及钛合金复杂结构件空间位置焊缝的MIG焊接，以改善焊接结构质量，提高了焊接生产效率，解决采用普通的TIG焊接方法焊接10mm以下薄壁钛构件复杂空间和位置焊缝时，焊接速度慢、熔敷效率低、焊接变形和残余应力大的问题。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

[0006] 本发明的钛及钛合金熔化极惰性气体保护焊接(简称MIG)技术，其特征在于所述的焊接技术包括：

[0007] ---焊接方式：焊接过程手工操作，采用推拉式送丝方式，熔滴过渡形式为短路或喷射过渡，焊接电弧为脉冲与连续燃烧电弧互相切换结合，然后根据不同的焊接工况环境选择适当的焊接位置及其相应的焊接规范；

[0008] ---焊接接头形式：焊接接头设计为带垫板或不带垫板对接焊缝、“T”型接头角焊缝以及角接头形式的对接焊缝；

[0009] ---焊接坡口设计：焊接接头为“T”型接头的不要求焊透的角焊缝不加工坡口；对于焊透的各种接头形式的对接焊缝均加工相应的坡口；坡口的钝边厚度h范围为0mm～
4mm，装配间隙p范围为0～5mm，坡口角度α、β范围为40-70°；接头和坡口形式见图1、图2、图3和图4所示。

[0010] ---焊枪操作：手动控制焊枪时，焊枪移动速度稳定、均匀，以减小焊接电压的波动，获得良好的焊缝外观成形；焊枪相对焊缝的倾斜角度θ和ω的控制见图5、图6、图7和图8所示：对接焊缝焊接时，其平焊的焊枪角度θ和ω分别为70-110°和80-110°，横焊的焊枪角度θ和ω分别为70-110°和70-100°，立焊的焊枪角度θ和ω分别为50-100°和80-110°，仰焊的焊枪角度θ和ω分别为70-120°和80-110°；角焊缝焊接时，其平焊的焊枪角度θ和ω分别为70-110°和30-80°，横焊的焊枪角度θ和ω分别为70-110°和30-60°，立焊的焊枪角度θ和ω分别为50-100°和30-80°，仰焊的焊枪角度θ和ω分别为70-120°和30-60°；各种焊接位置和接头形式条件下，具体的焊接规范和操作控制参数如表1所示：

[0011] 表1焊接过程控制规范参数

[0012]

[0013] ---保护气体的选择：焊接过程中采用高纯氩气或者氦、氩联合保护实现焊接。

[0014] 本发明的一种钛及钛合金熔化极惰性气体保护焊接技术，其所述根据不同的焊接工况环境选择适当的焊接位置，其具体焊接位置包括固定式平焊、立焊、横焊、仰焊。立焊包括正位立焊、仰30°立焊、俯30°立焊。若工件可以倾转，则调整焊缝位置，优先实施平焊或立焊；若工件须固定不允许变位，则根据具体结构的焊缝分布位置选择相应位置的焊接工艺规范。

[0015] 本发明的一种钛及钛合金熔化极惰性气体保护焊接技术，其焊接过程中采用高纯氩气或者氦、氩联合保护实现焊接，具体优选在角焊缝的焊接时选用氦气和氩气按(7～8)∶(3～2)的比例配比组合进行保护，更具体的保护气流量可根据具体焊接保护需要进行调整。各种焊接位置和接头形式条件下，具体的焊接规范和保护气体选择及其流量参数如表2所示。

[0016] 表2焊接过程规范和保护气体选择及其流量参数

[0017]

[0018] 通过采取以上的技术方案，本发明具有的有益效果是：

[0019] 本发明所述的钛及钛合金熔化极惰性气体保护焊接(简称MIG)技术，在钛及钛合金大型薄壁复杂结构件加工技术上，解决了钛及钛合金MIG焊接过程控制及其相关技术问题，以及钛及钛合金MIG焊接跨越实验室技术状态的关键难题，实现了钛及钛合金MIG焊接的工程化应用，与普通的钛及钛合金手工钨极氩弧(简称TIG)焊接相比，焊接生产效率提高了1～3倍，同时单位能量输入降低1/2～3/5，大大提高了焊缝和焊接构件的综合质量。

附图说明

[0020] 图1是带垫板对接焊缝的接头及坡口。

[0021] 图2是不带垫板对接焊缝的接头及坡口。

[0022] 图3是T形接头角焊缝的接头及坡口。

[0023] 图4是角接头对接焊缝的接头及坡口。

[0024] 图5是对接焊缝平、横、仰焊焊接过程焊枪角度控制示意图。

[0025] 图6是角焊缝平、横、仰焊焊接过程焊枪角度控制示意图。

[0026] 图7是对接焊缝立焊焊接过程焊枪角度控制示意图。

[0027] 图8是角焊缝立焊焊接过程焊枪角度控制示意图。

具体实施方式

[0028] 实施例1

[0029] 使用发明的熔化极惰性气体保护焊接技术，进行了板厚为8mm+10mm、结构尺寸为3300mm×3600mm×4200mm的TC4钛合金深海试验框架的焊接，焊接过程采用推拉式送丝方式，采用TC3牌号的焊丝，熔滴过渡形式为喷射过渡，焊接电弧为脉冲与连续燃烧电弧互相切换结合，完成固定式平焊和横焊两种位置的焊接；焊接接头设计为“T”型接头角焊缝和角接头形式的对接焊缝。

[0030] 坡口的钝边厚度h范围为0mm～4mm，装配间隙p范围为0～5mm，坡口角度α、β范围为40-70°。接头和坡口形式见图3和图4所示。

[0031] 手动控制焊枪实现焊接操作时，焊枪移动速度稳定、均匀，焊枪相对焊缝的倾斜角度θ和ω的控制见图5、图6所示。

[0032] 焊接过程中采用高纯氩气和氦、氩联合保护实现焊接，其中角焊缝焊接选用氦气和氩气按(7～8)∶(3～2)的比例配比组合进行保护。

[0033] 两种焊接位置和接头形式条件下，具体的焊接技术参数如下表3所示。

[0034] 表3实施例1焊接技术参数表

[0035]

[0036] 与常规TIG焊接相比，框架焊后结构总体变形很小，尺寸稳定可控，生产效率得到明显提高，焊缝考察指标完全达标。

[0037] 实施例2

[0038] 使用发明的熔化极惰性气体保护焊接技术，进行了板厚为4mm+16mm，长1200mm，宽750mm，高400mm的双层、双曲面的TA5钛合金导流结构体模拟体的焊接，焊接过程采用推拉式送丝方式，采用TA4牌号的焊丝，熔滴过渡形式为短路与喷射过渡相结合，焊接电弧为脉冲与连续燃烧电弧互相切换结合，完成固定式平焊、立焊和横焊三种位置的焊接；焊接接头设计为带垫板对接焊缝和“T”型接头角焊缝。

[0039] 坡口的钝边厚度h范围为0mm～4mm，装配间隙p范围为0～5mm，坡口角度α、β范围为40-70°。接头和坡口形式见图1和图3所示。

[0040] 手动控制焊枪实现焊接操作时，焊枪移动速度稳定、均匀，焊枪相对焊缝的倾斜角度θ和ω的控制见图5、图6和图8所示。

[0041] 焊接过程中采用高纯氩气和氦、氩联合保护实现焊接，其中角焊缝焊接选用氦气和氩气按(7～8)∶(3～2)的比例配比组合进行保护。

[0042] 三种焊接位置和接头形式条件下，具体的焊接技术参数如表4所示。

[0043] 表4实施例2焊接技术参数表

[0044]

[0045] 焊接过程稳定，焊缝外观质量、宏观金相、无损检测结果、焊接接头的力学性能和结构尺寸均达到了相关标准要求。

[0046] 实施例3：

[0047] 使用 发 明的 熔化 极 惰性 气 体保 护焊 接 技术，行进 结 构尺 寸 为2000mm×2200mm×3300mm的双层、双曲面TA5+TA2钛合金导流结构体实体的焊接，焊接过程采用推拉式送丝方式，分别采用TA4和TA2牌号的焊丝，熔滴过渡形式为喷射过渡，焊接电弧为脉冲与连续燃烧电弧互相切换结合，完成固定式平焊、立焊、横焊和仰焊四种位置的焊接；焊接接头包括带垫板和不带垫板的对接焊缝、“T”型接头角焊缝以及角接头形式的对接焊缝。

[0048] 坡口的钝边厚度h范围为0mm～4mm，装配间隙p范围为0～5mm，坡口角度α、β范围为40-70°。接头和坡口形式见图1、图2、图3和图4所示。

[0049] 手动控制焊枪实现焊接操作时，焊枪移动速度稳定、均匀，焊枪相对焊缝的倾斜角度θ和ω的控制见图5、图6、图7、图8所示。

[0050] 焊接过程中采用高纯氩气和氦、氩联合保护实现焊接，其中角焊缝焊接选用氦气和氩气按(7～8)∶(3～2)的比例配比组合进行保护。

[0051] 四种焊接位置和接头形式条件下，具体的焊接技术参数如表5所示。

[0052] 表5实施例3焊接技术参数表

[0053]

[0054] 与常规TIG焊接相比，导流结构体焊后总体变形小，结构尺寸稳定，焊缝外观质量、无损检测结果均达到相关技术要求，焊接效率提高了2倍以上。