一种基于钒/铜固溶过渡连接的含钛金属层/管线钢层复合板焊接工艺

技术领域：

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种含钛金属层/管线钢层复合板的焊接工艺。

背景技术：

含钛金属层/管线钢层复合材料综合了钛及钛合金材料卓越的耐蚀性、轻质性和管线 钢材优良的力学性能，并能显著降低原料成本，而被广泛应用于机械化工、海水淡化、真 空蒸发、电厂脱硫和油气储运等领域。普通管线钢材料在上述使用场合长时间服役，极易 受输送介质中高腐蚀性成分(如SO₂、H₂S、Cl^-、CO₂等)作用在管道内壁形成点状腐蚀 坑、硫化物应力腐蚀开裂和氢致开裂等，使输送管道存在严重安全隐患并处于危险之中， 一旦发生不安全事故，将造成无法估量的经济损失和环境破坏。因此，更安全、更环保、 更经济的输送管道建设无疑对管道的耐腐蚀性、可靠性、和经济性提出了更高要求，也将 成为未来管道开发的前沿方向。而含钛金属层/管线钢层复合板材的焊接和应用将能有效 解决抗腐蚀问题，能达到安全、环保和经济的目标。

由于钛具有较高化学活性，在焊接过程中容易吸收有害气体(O，N和H)，并与钢中 各元素冶金作用产生脆硬的金属间化合物相(Ti_xFe_y，Cu_xTi_y和易碎的TiC)，导致焊缝出 现较低的力学性能(包括抗拉强度、延展性和塑韧性等)和不稳定的组织特征。众所周知， 由于钛和钢的冶金不相容性，直接熔焊对于钛/钢的焊接是不可行的。因此，采用中间过 渡材料来避免易碎和脆硬金属间化合物的产生是一种有效方法。从冶金作用产物考虑，V 是唯一能与Ti和Fe都能形成固溶体，而非金属间化合物的金属元素，但其易与钢中的C 等元素形成硬脆的VC，因此，将其作为过渡层靠近Ti，阻隔Ti与钢中的Fe作用，生成 脆硬金属间化合物相。而Cu是非碳化物形成元素，能与V及钢中各元素形成固溶体，而 非金属间化合物。Cu作为过渡层材料可以阻隔V与钢中的C相遇，靠近基层钢。下表 1给出了Ti、V、Cu和Fe的物理、化学特性。由于4种元素物理、化学特性差异显著， 故而对焊接过程各层熔覆量控制和焊接参数匹配提出了挑战。因此，本发明对上述问题的 解决将更有优势，且效能俱佳。

表1熔敷填充金属的物理化学特性

发明内容：

本发明解决的技术问题：提供一种基于钒/铜固溶过渡连接的含钛金属层/管线钢层复 合板焊接工艺，通过对复合板焊接坡口形式、角度及尺寸的精细设计和Cu、V过渡填充金 属熔覆量及成形的有效控制，使过渡层起到很好的阻隔作用，避免层间脆硬金属间化合物 Ti_xFe_y，Cu_xTi_y和TiC等的产生，从而实现了含钛金属层/管线钢层复合板的有效对焊连接 并保证焊缝具有可靠的焊接质量和优良的综合力学性能。

本发明采用的技术方案：一种基于钒/铜固溶过渡连接的含钛金属层/管线钢层复合板焊接 工艺，包含下述步骤：

1)所述含钛金属层/管线钢层复合板是由工业纯钛及钛合金和油气输送用管线钢经过 爆炸+轧制工艺制备而成，所述爆炸+轧制含钛金属层/管线钢层复合板的一面为性能优越的 工业纯钛及钛合金层，另一面为具有优良低温韧性的油气输送用管线钢层。

2)所述工业纯钛及钛合金层和管线钢层以爆炸+热轧方式复合连接在一起，且钛及钛 合金层和管线钢层之间为冶金结合。

3)所述工业纯钛及钛合金层厚度为1-3mm。

4)所述钛及钛合金层可以由TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、TA8、TA8-1、 TA9、TA9-1、TA10、TA11、TA15、TA17、TA18、TC1、TC2、TC3、TC4、TC4ELI 等材料构成。

5)所述管线钢层可以由X52管线钢、X60管线钢、X65管线钢、X70管线钢X80管 线钢、X90管线钢或X100管线钢等材料构成。

6)所述含钛金属层/管线钢层复合板采用“U+V”复合型坡口设计，钛及钛合金层一侧 “U”型坡口深度为4-5mm，管线钢层一侧“V”型坡口深度为11-20mm。

7)所述钛及钛合金层一侧“U”型坡口底部为圆弧过渡且深度大于钛及钛合金层厚度， 管线钢层一侧“V”型坡口角度为60-70°，上下两坡口相交于管线钢侧。

8)所述含钛金属层/管线钢层复合板完成坡口加工后，对组对好的一对复合板从碳钢 侧进行每隔500mm长定位点焊，完成定位点焊后保证试板坡口间有0.8-1.5mm宽的间隙。

9)所述含钛金属层/管线钢层复合板管线钢层一侧采用MAG焊接方法，焊接过程背 面“U”型坡口通惰性气体保护。

10)所述含钛金属层/管线钢层复合板完成管线钢层一侧焊接后空冷至室温，对钛及钛 合金层一侧坡口进行抛光并用丙酮和乙醇进行清洗且迅速吹干。

11)所述含钛金属层/管线钢层复合板，过渡金属Cu采用MIG焊接方法，熔敷金属层 厚度要求与钛/钢爆炸接合面平齐或超出0-0.3mm。

12)所述含钛金属层/管线钢层复合板，在完成Cu焊接后对坡口内钛层进行去Cu处 理，然后采用TIG焊接V过渡层，熔敷金属层厚度要求为0-0.3mm且完全覆盖于Cu层之 上。

13)所述含钛金属层/管线钢层复合板，在完成V焊接后对坡口进行清理，保证坡口 内外附近无油污、杂物，然后采用TIG焊接Ti填充和盖面，Cu、V和Ti层的焊接均采用 惰性气体焊缝区保护。

本发明与现有技术相比通过对焊接坡口形式、角度及尺寸的精细设计和Cu、V过渡填 充金属熔覆量及成形的有效控制，使过渡层起到很好的阻隔作用，避免层间脆硬金属间化 合物Ti_xFe_y，Cu_xTi_y和TiC等的产生，从而实现含钛金属层/管线钢层复合板的有效对焊 链接并使焊缝具有可靠焊接质量和优良综合力学性能。本发明具有很高的实用价值。

附图说明：

图1为本发明含钛金属层/管线钢层复合板焊接结构示意图；

图2为本发明的含钛金属层/管线钢层复合板焊缝结构示意图；

其中：1为管线钢层；2为含钛金属层；3为管线钢焊缝；4Cu过渡层；5V过渡层； 6Ti焊缝。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述和实施例：

参见图1、2，以爆炸+热轧TA1/X65钛/管线钢复合板为焊接试板，本例中TA1/X65钛 /管线钢复合板总厚度为16mm，其中X65钢层一侧厚度为14mm，TA1纯钛层一侧厚度为 2mm。

采用“U+V”复合型坡口，TA1纯钛层一侧“U”型坡口深度和宽度分别为4-5mm和5-6mm 且坡口底部为圆弧状(如图1、2所示)，X65钢层一侧“V”型坡口深度和角度分别为11-12mm 和60-70°，待完成坡口加工后，对组对好的一副TA1/X65钛/管线钢复合板从X65钢层一 侧每隔500mm长为一个定位点进行定位点焊，保证点焊后的试板在坡口中间有0.8-1.5mm 宽间隙。然后，基层X65钢采用MAG焊，用CHW-50C6焊丝；Cu过渡层采 用MIG焊，用S211硅青铜焊丝；过渡层V采用TIG焊，用工业纯钒(纯度 ≧99.995％)焊丝复层Ti采用TIG焊，用工业纯钛(纯度≧99.999％)TA1 焊丝焊接工艺参数如下表2所示：

X65管线钢层一侧MAG焊接试验参数

过渡层及纯钛TA1焊接试验参数

TA1/X65钛/管线钢复合板焊缝性能测试结果

本发明的优点在于：

本发明采用“U+V”型精细坡口设计，并对过渡层金属焊接参数及熔覆量进行精确控 制，使过渡层厚度和成形效果达到最佳状态，进而对Fe、Cu和Ti在焊接过程中扩散相 遇起到了有效阻隔，避免了Ti_xFe_y，Cu_xTi_y和TiC等脆硬金属间化合物的产生，使焊接 质量得到保障，焊缝综合力学性能达到优良，内复层Ti的耐腐蚀性和基层钢的高强性、 塑韧性均能达到相关标准要求。本发明适合于含钛金属层/管线钢层复合板的对焊连接， 可实现含钛金属层/管线钢层复合板的工业化对焊连接，具有很高的实用价值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发 明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本 发明构思的前提下，做出的若干简单推演、替换或变换等都应当视为属于本发明所提交的 权利要求书确定专利保护范围。