《一種鈦及鈦合金熔化極惰性氣體保護焊接技術》是中國船舶重工集團公司第七二五研究所於2009年1月15日申請的專利，該專利公布號為CN101462194A，公布日為2009年6月24日，發明人是劉志穎、余巍、張建欣。
該發明介紹了一種鈦及鈦合金熔化極惰性氣體保護焊接技術，焊接過程採用推拉式送絲方式，熔滴過渡形式為短路或噴射過渡，焊接電弧為脈衝與連續燃燒電弧互相切換結合，根據不同的焊接工況環境選擇適當的焊接位置及其相應的焊接規範；焊接接頭設計為帶墊板或不帶墊板對接焊縫、“T”型接頭角焊縫以及角接頭形式的對接焊縫；相應進行焊接坡口設計；對焊槍相對焊縫的傾斜角度θ和ω進行控制；焊接過程中採用高純氬氣或者氦、氬聯合保護實現焊接。該發明解決了鈦及鈦合金大型薄壁複雜結構件MIG焊接過程控制及其相關技術問題，實現了鈦及鈦合金MIG焊接的工程化套用，焊接生產效率提高了1～3倍，提高了焊縫和焊接構件的綜合質量。
2018年8月，《一種鈦及鈦合金熔化極惰性氣體保護焊接技術》獲得第一屆河南省專利獎二等獎。
（概述圖為《一種鈦及鈦合金熔化極惰性氣體保護焊接技術》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種鈦及鈦合金熔化極惰性氣體保護焊接技術
- 公布號：CN101462194A
- 公布日：2009年6月24日
- 申請號：2009100641264
- 申請日：2009年1月15日
- 申請人：中國船舶重工集團公司第七二五研究所
- 地址：河南省洛陽市澗西區西苑路21號
- 發明人：劉志穎、余巍、張建欣
- 專利代理機構：洛陽市凱旋專利事務所
- 代理人：陸君
- 分類號：B23K9/173(2006.01)I、B23K9/12(2006.01)I、B23K33/00(2006.01)I、B23K35/38(2006.01)I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著現代工業及國防裝備的日趨大型化、複雜化，金屬結構件的高效、穩定焊接技術的工程套用愈來愈廣泛，熔化極惰性氣體保護焊接（簡稱MIG）技術成為現代工業生產中大型複雜鈦制結構件焊接的首選技術之一。2009年之前，有關鈦及鈦合金手工MIG焊接的實驗室工藝數據和文章較少，在工程套用方面研究更是鮮有報導。2009年之前，中國船舶重工集團公司第七二五研究所是我國在鈦合金工程化焊接套用方面首推手工熔化極惰性氣體保護焊接技術的單位。
2009年之前，鈦及鈦合金大型結構件，特別是薄壁板筋件，其焊縫數量多、分布空間和位置複雜，不適宜採用高質高效的雷射焊、電子束焊、等離子弧焊等先進技術，仍以普通手工鎢極氬弧（簡稱TIG）焊接為主。但是，鈦材的熔點較高，導熱性差，焊縫區高溫停留時間較長，熔池金屬晶粒長大傾向較大，接頭綜合力學性能有所下降。普通TIG焊接速度慢，熱輸入量相對較大，導致焊接變形和殘餘應力增大，往往會造成構件焊縫失效破壞，並且在操作過程中很難實現仰焊等位置的焊接。這些在一定程度上限制了TIG焊接在結構件製造中的套用。而MIG焊接與傳統TIG焊接方法相比具有焊接速度快、生產效率高、成本低、接頭殘餘應力和殘餘變形小、焊縫組織相對細小、接頭力學性能好等優點。中國該技術的實驗室焊接已獲得了一定的成功經驗。但在鈦及鈦合金材料的工程焊接上的套用研究尚屬空白。
發明內容
專利目的
該發明所要解決的技術問題是提供一種鈦及鈦合金熔化極惰性氣體保護焊接技術，通過手工熔化極惰性氣體保護焊接工藝試驗，解決鈦及鈦合金構件多種位置手工MIG焊接工藝及工程化套用操作技術難題，實現鈦及鈦合金複雜結構件空間位置焊縫的MIG焊接，以改善焊接結構質量，提高了焊接生產效率，解決採用普通的TIG焊接方法焊接10毫米以下薄壁鈦構件複雜空間和位置焊縫時，焊接速度慢、熔敷效率低、焊接變形和殘餘應力大的問題。
技術方案
《一種鈦及鈦合金熔化極惰性氣體保護焊接技術》其特徵在於所述的焊接技術包括：
焊接方式：焊接過程手工操作，採用推拉式送絲方式，熔滴過渡形式為短路或噴射過渡，焊接電弧為脈衝與連續燃燒電弧互相切換結合，然後根據不同的焊接工況環境選擇適當的焊接位置及其相應的焊接規範；
焊接接頭形式：焊接接頭設計為帶墊板或不帶墊板對接焊縫、“T”型接頭角焊縫以及角接頭形式的對接焊縫；
焊接坡口設計：焊接接頭為“T”型接頭的不要求焊透的角焊縫不加工坡口；對於焊透的各種接頭形式的對接焊縫均加工相應的坡口；坡口的鈍邊厚度h範圍為0毫米～4毫米，裝配間隙p範圍為0～5毫米，坡口角度α、β範圍為40-70°；接頭和坡口形式見圖1、圖2、圖3和圖4所示。
焊槍操作：手動控制焊槍時，焊槍移動速度穩定、均勻，以減小焊接電壓的波動，獲得良好的焊縫外觀成形；焊槍相對焊縫的傾斜角度θ和ω的控制見圖5、圖6、圖7和圖8所示：對接焊縫焊接時，其平焊的焊槍角度θ和ω分別為70-110°和80-110°，橫焊的焊槍角度θ和ω分別為70-110°和70-100。，立焊的焊槍角度θ和ω分別為50-100°和80-110°，仰焊的焊槍角度θ和ω分別為70-120°和80-110°；角焊縫焊接時，其平焊的焊槍角度θ和ω分別為70-110°和30-80°，橫焊的焊槍角度θ和ω分別為70-110°和30-60°，立焊的 焊槍角度θ和ω分別為50-100°和30-80°，仰焊的焊槍角度θ和ω分別為70-120。和30-60°；各種焊接位置和接頭形式條件下，具體的焊接規範和操作控制參數如表1所示：
焊縫形式 | 焊接位置 | 焊槍角度（°） | 焊絲規格 （毫米） | 焊接電流 （安） | 焊接電壓 （伏） | 焊接速度 （厘米/分鐘） | |
θ | ω | ||||||
接縫對焊 | 平焊 | 70-110 | 80-110 | φ1-φ2 | 110-160 | 20-28 | 23-38 |
橫焊 | 70-110 | 70-100 | φ1-φ2 | 120-160 | 21-28 | 22-38 | |
立焊 | 50-100 | 80-110 | φ1-φ2 | 115-165 | 20-28 | 18-31 | |
仰焊 | 70-120 | 80-110 | φ1-φ2 | 110-165 | 20-28 | 20-35 | |
角焊縫 | 平焊 | 70-110 | 30-80 | φ1-φ2 | 60-140 | 24-38 | 42-80 |
橫焊 | 70-110 | 30-60 | φ1-φ2 | 65-150 | 26-38 | 45-85 | |
立焊 | 50-100 | 30-80 | φ1-φ2 | 70-150 | 24-38 | 50-85 | |
仰焊 | 70-120 | 30-60 | φ1-φ2 | 65-155 | 25-38 | 48-80 | |
護氣體的選擇：焊接過程中採用高純氬氣或者氦、氬聯合保護實現焊接。
該發明的一種鈦及鈦合金熔化極惰性氣體保護焊接技術，其所述根據不同的焊接工況環境選擇適當的焊接位置，其具體焊接位置包括固定式平焊、立焊、橫焊、仰焊。立焊包括正位立焊、仰30°立焊、俯30°立焊。若工件可以傾轉，則調整焊縫位置，優先實施平焊或立焊；若工件須固定不允許變位，則根據具體結構的焊縫分布位置選擇相應位置的焊接工藝規範。
該發明的一種鈦及鈦合金熔化極惰性氣體保護焊接技術，其焊接過程中採用高純氬氣或者氦、氬聯合保護實現焊接，具體優選在角焊縫的焊接時選用氦氣和氬氣按（7～8）:（3～2）的比例配比組合進行保護，更具體的保護氣流量可根據具體焊接保護需要進行調整。各種焊接位置和接頭形式條件下，具體的焊接規範和保護氣體選擇及其流量參數如表2所示。
焊縫形式 | 焊接位置 | 焊絲規格 （毫米） | 焊接電流（安） | 焊接電壓（伏） | 焊接速度 （厘米/分鐘） | 保護氣 種類 | 保護氣流量 （升/分） |
對接焊縫 | 平焊 | φ1-φ2 | 110-160 | 20-28 | 23-38 | 純氬 | 20-30 |
橫焊 | φ1-φ2 | 120-160 | 21-28 | 22-38 | 純氬 | 20-30 | |
立焊 | φ1-φ2 | 115-165 | 20-28 | 18-31 | 純氬 | 20-30 | |
仰焊 | φ1-φ2 | 110-165 | 20-28 | 20-35 | 純氬 | 20-30 | |
角焊縫 | 平焊 | φ1-φ2 | 60-140 | 24-38 | 42-80 | 氦+氬 | 20-30 |
橫焊 | φ1-φ2 | 65-150 | 26-38 | 45-85 | 氦+氬 | 20-30 | |
立焊 | φ1-φ2 | 70-150 | 24-38 | 50-85 | 氦+氬 | 20-30 | |
仰焊 | φ1-φ2 | 65-155 | 25-38 | 48-80 | 氦+氬 | 20-30 |
改善效果
《一種鈦及鈦合金熔化極惰性氣體保護焊接技術》在鈦及鈦合金大型薄壁複雜結構件加工技術上，解決了鈦及鈦合金MIG焊接過程控制及其相關技術問題，以及鈦及鈦合金MIG焊接跨越實驗室技術狀態的關鍵難題，實現了鈦及鈦合金MIG焊接的工程化套用，與普通的鈦及鈦合金手工鎢極氬弧（簡稱TIG）焊接相比，焊接生產效率提高了1～3倍，同時單位能量輸入降低1/2～3/5，大大提高了焊縫和焊接構件的綜合質量。
附圖說明
圖1是帶墊板對接焊縫的接頭及坡口。
圖2是不帶墊板對接焊縫的接頭及坡口。
圖3是T形接頭角焊縫的接頭及坡口。
圖4是角接頭對接焊縫的接頭及坡口。
圖5是對接焊縫平、橫、仰焊焊接過程焊槍角度控制示意圖。
圖6是角焊縫平、橫、仰焊焊接過程焊槍角度控制示意圖。
圖7是對接焊縫立焊焊接過程焊槍角度控制示意圖。
圖8是角焊縫立焊焊接過程焊槍角度控制示意圖。
權利要求
1、《一種鈦及鈦合金熔化極惰性氣體保護焊接技術》其特徵在於：所述的焊接技術包括：焊接方式：焊接過程手工操作，採用推拉式送絲方式，熔滴過渡形式為短路或噴射過渡，焊接電弧為脈衝與連續燃燒電弧互相切換結合，然後根據不同的焊接工況環境選擇適當的焊接位置及其相應的焊接規範；焊接接頭形式：焊接接頭設計為帶墊板或不帶墊板對接焊縫、“T”型接頭角焊縫以及角接頭形式的對接焊縫；焊接坡口設計：焊接接頭為“T”型接頭的不要求焊透的角焊縫不加工坡口；對於焊透的各種接頭形式的對接焊縫均加工相應的坡口；坡口的鈍邊厚度h範圍為0毫米～4毫米，裝配間隙p範圍為0～5毫米，坡口角度α、β範圍為40-70°；焊槍操作：手動控制焊槍時，焊槍移動速度穩定、均勻；焊槍相對焊縫的傾斜角度θ和ω當對接焊縫焊接時，其平焊的焊槍角度θ和ω分別為70-110°和80-110°，橫焊的焊槍角度θ和ω分別為70-110°和70-100°，立焊的焊槍角度θ和ω分別為50-100°和80-110°，仰焊的焊槍角度θ和ω分別為70-120°和80-110°；角焊縫焊接時，其平焊的焊槍角度θ和ω分別為70-110°和30-80°，橫焊的焊槍角度θ和ω分別為70-110°和30-60°，立焊的焊槍角度θ和ω分別為50-100°和30-80°，仰焊的焊槍角度θ和ω分別為70-120°和30-60°；保護氣體的選擇：焊接過程中採用高純氬氣或者氦、氬聯合保護實現焊接。
2、根據權利要求1所述鈦及鈦合金熔化極惰性氣體保護焊接技術，其特 征在於：所述焊接方式中根據不同的焊接工況環境選擇適當的焊接位置，其具體焊接位置包括固定式平焊、立焊、橫焊、仰焊，立焊包括正位立焊、仰30°，立焊、俯30°立焊；若工件可以傾轉，則調整焊縫位置，優先實施平焊或立焊；若工件須固定不允許變位，則根據具體結構的焊縫分布位置選擇相應位置的焊接工藝規範。
3、根據權利要求1所述鈦及鈦合金熔化極惰性氣體保護焊接技術，其特徵在於：所述惰性氣體保護方式中採用高純氬氣或者氦、氬聯合保護實現焊接。
4、根據權利要求3所述鈦及鈦合金熔化極惰性氣體保護焊接技術，其特徵在於：所述惰性氣體保護方式在角焊縫的焊接時選用氦氣和氬氣按（7～8）:（3～2）的比例配比組合進行保護。
實施方式
- 實施例1
《一種鈦及鈦合金熔化極惰性氣體保護焊接技術》進行了板厚為8毫米+10毫米、結構尺寸為3300毫米×3600毫米×4200毫米的TC4鈦合金深海試驗框架的焊接，焊接過程採用推拉式送絲方式，採用TC3牌號的焊絲，熔滴過渡形式為噴射過渡，焊接電弧為脈衝與連續燃燒電弧互相切換結合，完成固定式平焊和橫焊兩種位置的焊接；焊接接頭設計為“T”型接頭角焊縫和角接頭形式的對接焊縫。
坡口的鈍邊厚度h範圍為0毫米～4毫米，裝配間隙p範圍為0～5毫米，坡口角度α、β範圍為40-70°。接頭和坡口形式見圖3和圖4所示。
手動控制焊槍實現焊接操作時，焊槍移動速度穩定、均勻，焊槍相對焊縫的傾斜角度θ和ω的控制見圖5、圖6所示。
焊接過程中採用高純氬氣和氦、氬聯合保護實現焊接，其中角焊縫焊接選用氦氣和氬氣按（7～8）:（3～2）的比例配比組合進行保護。
兩種焊接位置和接頭形式條件下，具體的焊接技術參數如下表3所示。
焊縫 形式 | 焊接位置 | 焊槍角度（°） | 焊絲規格（毫米） | 焊接電流（安） | 焊接電壓（伏） | 焊接速度 （厘米/分） | 保護氣 種類 | 保護氣流量（升/分） | |
θ | ω | ||||||||
對接 焊縫 | 平焊 | 70-110 | 80-110 | φ1-φ2 | 110-160 | 20-28 | 23-38 | 純氬 | 20-30 |
角焊縫 | 平焊 | 70-110 | 30-80 | φ1-φ2 | 60-140 | 24-38 | 42-80 | 氦+氬 | 20-30 |
橫焊 | 70-110 | 30-60 | φ1-φ2 | 65-150 | 26-38 | 45-85 | 氦+氬 | 20-30 | |
與常規TIG焊接相比，框架焊後結構總體變形很小，尺寸穩定可控，生產效率得到明顯提高，焊縫考察指標完全達標。
- 實施例2
使用發明的熔化極惰性氣體保護焊接技術，進行了板厚為4毫米+16毫米，長 1200毫米，寬750毫米，高400毫米的雙層、雙曲面的TA5鈦合金導流結構體模擬體的焊接，焊接過程採用推拉式送絲方式，採用TA4牌號的焊絲，熔滴過渡形式為短路與噴射過渡相結合，焊接電弧為脈衝與連續燃燒電弧互相切換結合，完成固定式平焊、立焊和橫焊三種位置的焊接；焊接接頭設計為帶墊板對接焊縫和“T”型接頭角焊縫。
坡口的鈍邊厚度h範圍為0毫米～4毫米，裝配間隙p範圍為0～5毫米，坡口角度α、β範圍為40-70°。接頭和坡口形式見圖1和圖3所示。
手動控制焊槍實現焊接操作時，焊槍移動速度穩定、均勻，焊槍相對焊縫的傾斜角度θ和ω的控制見圖5、圖6和圖8所示。
焊接過程中採用高純氬氣和氦、氬聯合保護實現焊接，其中角焊縫焊接選用氦氣和氬氣按（7～8）:（3～2）的比例配比組合進行保護。
三種焊接位置和接頭形式條件下，具體的焊接技術參數如表4所示。
焊縫形式 | 焊接位置 | 焊槍角度（°） | 焊絲規格/毫米 | 焊接電流（安） | 焊接電壓（伏） | 焊接速度 /（厘米/分鐘） | |
θ | ω | ||||||
接縫對焊 | 平焊 | 70-110 | 80-110 | φ1-φ2 | 110-160 | 20-28 | 23-38 |
橫焊 | 70-110 | 70-100 | φ1-φ2 | 120-160 | 21-28 | 22-38 | |
立焊 | 50-100 | 80-110 | φ1-φ2 | 115-165 | 20-28 | 18-31 | |
仰焊 | 70-120 | 80-110 | φ1-φ2 | 110-165 | 20-28 | 20-35 | |
角焊縫 | 平焊 | 70-110 | 30-80 | φ1-φ2 | 60-140 | 24-38 | 42-80 |
橫焊 | 70-110 | 30-60 | φ1-φ2 | 65-150 | 26-38 | 45-85 | |
立焊 | 50-100 | 30-80 | φ1-φ2 | 70-150 | 24-38 | 50-85 | |
仰焊 | 70-120 | 30-60 | φ1-φ2 | 65-155 | 25-38 | 48-80 | |
焊接過程穩定，焊縫外觀質量、巨觀金相、無損檢測結果、焊接接頭的力學性能和結構尺寸均達到了相關標準要求。
- 實施例3
使用發明的熔化極惰性氣體保護焊接技術，行進結構尺寸為2000毫米×2200毫米×3300毫米的雙層、雙曲面TA5+TA2鈦合金導流結構體實體的焊接，焊接過程採用推拉式送絲方式，分別採用TA4和TA2牌號的焊絲，熔滴過渡形 式為噴射過渡，焊接電弧為脈衝與連續燃燒電弧互相切換結合，完成固定式平焊、立焊、橫焊和仰焊四種位置的焊接；焊接接頭包括帶墊板和不帶墊板的對接焊縫、“T”型接頭角焊縫以及角接頭形式的對接焊縫。
坡口的鈍邊厚度h範圍為0毫米～4毫米，裝配間隙p範圍為0～5毫米，坡口角度α、β範圍為40-70°。接頭和坡口形式見圖1、圖2、圖3和圖4所示。
手動控制焊槍實現焊接操作時，焊槍移動速度穩定、均勻，焊槍相對焊縫的傾斜角度θ和ω的控制見圖5、圖6、圖7、圖8所示。
焊接過程中採用高純氬氣和氦、氬聯合保護實現焊接，其中角焊縫焊接選用氦氣和氬氣按（7～8）:（3～2）的比例配比組合進行保護。
四種焊接位置和接頭形式條件下，具體的焊接技術參數如表5所示。
焊縫形式 | 焊接位置 | 焊槍角度（°） | 焊絲規格/毫米 | 焊接電流（安） | 焊接電壓（伏） | 焊接速度 / （厘米/分鐘） | 保護氣種類 | 保護氣流量（升/分） | |
θ | ω | ||||||||
對接焊縫 | 平焊 | 70-110 | 80-110 | φ1-φ2 | 110-160 | 20-28 | 23-38 | 純氯 | 20-30 |
橫焊 | 70-110 | 70-100 | φ1-φ2 | 120-160 | 21-28 | 22-38 | 純氯 | 20-30 | |
焊 | 50-100 | 80-110 | φ1-φ2 | 115-165 | 20-28 | 18-31 | 純氯 | 20-30 | |
仰焊 | 70-120 | 80-110 | φ1-φ2 | 110-165 | 20-28 | 20-35 | 純氯 | 20-30 | |
角焊縫 | 平焊 | 70-110 | 30-80 | φ1-φ2 | 60-140 | 24-38 | 42-80 | 氦+氬 | 20-30 |
橫焊 | 70-110 | 30-60 | φ1-φ2 | 65-150 | 26-38 | 45-85 | 氦+氬 | 20-30 | |
焊 | 50-100 | 30-80 | φ1-φ2 | 70-150 | 24-38 | 50-85 | 氦+氬 | 20-30 | |
仰焊 | 70-120 | 30-60 | φ1-φ2 | 65-155 | 25-38 | 48-80 | 氦+氬 | 20-30 | |
榮譽表彰
2018年8月，《一種鈦及鈦合金熔化極惰性氣體保護焊接技術》獲得第一屆河南省專利獎二等獎。
