铜钛双金属复合管的氩弧焊接工艺研究_王永芳

射线无损探伤 、 化学成分分析 、 拉伸性能试验 、 弯曲性能试验 、 金相组织检验 、 显微硬度分析和电化学腐蚀试验 ， 研究了 其焊接接头性能 。 结果表明 ： 选取银基钎料 BAg72Cu 作为铜钛复合管的过渡焊接材料 ， 并采用 “ 氩弧焊打底 + 氩弧钎焊 过渡 + 氩弧焊盖面 ” 的焊接工艺方法可以得到具有理想的化学成分 、 微观组织 、 力学性能和耐腐蚀性能的焊接接头 。 关键词 ： 铜钛双金属复合管 ； 焊接 ； 氩弧焊 中图分类号 ：TG442 文献标识码 ：A 文章编号 ：1001-3814(2011)21-0147-04
焊接时 ， 内衬钛管之间不留间隙对接 ， 采用氩弧 焊方法进行钛管打底焊 ， 确保实现单面焊双面成形 。 为了避免后续焊缝二次热输入对打底焊缝的影响 ， 获得足够厚度的打底焊缝 ， 打底焊时通常焊两层 ( 见 图 1)， 以 保 证 钛 管 焊 缝 的 耐 腐 蚀 性 能 ； 之 后 进 行 过 渡焊 ， 过渡焊采用氩弧钎焊 ， 确保在不熔化钛层母材
性较差 ， 铜钛复合管具有其他材料复合管不可比拟 的焊接难度 。 铜与钛常用的焊接方法有真空扩散焊 、 钎焊 、 电 子束焊 、 氩弧焊 、 摩擦焊和爆炸焊 。 文献 [9] 概括了最 近几年钛与铜的焊接技术研究进展 。
准2.5 mm。 其化学成分见表 1。
表 1 焊接材料的化学成分 ( 质量分数 ,% ) Tab.1 Chemical composition of the welding wire(wt% )
[8]
2011 年 11 月
和焊缝以及基层坡口区域的前提下实现过渡层焊缝 金属的钎焊连接 ； 最后采用氩弧焊方法进行基层的 填充焊和盖面焊 。
2.3 焊接材料
铜钛复合管 焊接的关键 在于寻求一 种与 Ti 和
Cu 都可相容的金属做两者的中间过渡层 将它们隔
绝开来 ， 即这种过渡金属不会与 Ti 、Cu 生成金属间 化合物 (脆化相 )， 而只能是无限固溶或有限固溶 。 通 过理论分析和筛选 ， 最终确定过渡层焊接采用银基 钎料 BAg72Cu ， 规格 准1.6 mm 。 打底焊时 采用与钛 管母材成分相匹配的 ERTi-1 焊丝 ， 规格 准1.0 mm 。 填 充 焊 和 盖 面 焊 采 用 铝 青 铜 焊 丝 SCu6180， 规 格
3～4 个 ， 定位焊缝长度为 3～4 mm 。 定位焊时采用
与衬层相同的焊接材料和焊接工艺 。 检查定位焊缝 ， 确定无焊接缺陷时方可进行打底焊接 。 铜钛复合管衬层焊缝的打底焊接采用无间隙坡 口对焊 ， 可选择加丝和不加丝焊两种方式进行第一 道焊缝的焊接 ， 打底焊接时采用小电流 、 快速焊 ， 确 保在较低的热输入下完成整个衬层焊缝的焊接 。 然 后在第一道焊缝的基础上进行第二道焊缝的焊接 ， 两层焊道正面累计高度不得超过 1 mm ， 且不得触及 坡口区铜材 ， 以避免钛与铜的直接熔焊 ， 防止焊接裂 纹的出现 。 合格的钛层焊缝表面应为银白色 、 金黄色 或深黄色 ， 如果出现蓝色 、 紫色或灰色 ， 则说明焊缝 氧化严重 ， 应重新加工焊接 。
E-mail ：yongfangwang@
《 热加工工艺 》 2011 年第 40 卷第 21 期
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金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding 结构和管径的关系 ， 通常不能像复合板容器那样实 施先焊基材后在内部焊接衬材的技术途径 ， 因此不 可避免地涉及基材与衬材的相互熔焊 。 对于铜钛复 合管 ， 由于基材铜与衬材钛这两种材料在物理性能 和化学性能上均存在较大的差异 ， 两者相互熔焊时 易在焊缝金属表面形成氧化皮 ， 降低焊接接头强度 ； 易在焊缝内部形成气孔 ； 易形成脆性氢化物 ， 增大焊 接接头的冷裂性 ； 易形成低熔点共晶体 ， 增大焊缝热 裂纹倾向 ； 接头热应力较大 。 总之 ， 铜与钛的可焊
上半月出版
Casting· Forging·Welding 金属铸锻焊技术
铜钛双金属复合管的氩弧焊接工艺研究
王永芳 1， 王 戈 2， 张燕飞 1， 郭崇晓 1
（1. 西安向阳航天材料股份有限公司 ， 陕西 西安 710025 ； 2. 海军装备技术研究所 青岛研究室 ， 山东 青岛 266012 ） 摘 要 ： 分析了铜钛复合管的可焊性 ， 提出了一种适合铜钛复合管焊接的独特坡口型式和氩弧焊接工艺 ， 并通过 X
[1-5]
防腐涂层 、 牺牲阳极保护 、 外加电流等防腐蚀保护技 术对铜管进行外加防护 。 但是 ， 上述防腐蚀方法都属 于被动防护方法 ， 只能治标而不能治本 。 一旦防腐蚀 措施失效 ， 极可能引发更为严重的腐蚀问题 。 钛金属作为目前能够大量生产的 、 几乎完全不 被海水腐蚀的舰船和海洋工程的理想材料 ， 长期以 来由于其价格障碍而无法在舰船领域获得广泛应 用 。 最新研发的铜钛双金属复合管 ， 是将钛管衬于铜 管内部 ， 可以在无需大幅提高成本的前提下 ， 显著降 低因舰艇海水管路腐蚀而引发的装备故障率 ， 这对 于提高舰船装备的安全性和可靠性具有重大的军事 和经济意义 。 本文分析了铜钛复合管的可焊性 ， 通过选取恰 当的焊接方法和焊接材料 ， 对铜钛复合管进行了全 面的焊接工艺评定 ， 并得到了合适的焊接工艺 ， 从而 为铜钛复合管的推广应用奠定了基础 。
2.5 焊接工艺过程 (1) 焊前准备 焊接前 ， 用细砂纸清理坡口范围 20cm 区域 ，去除表面氧化膜 、油脂和污染物等 ， 然后
用丙酮擦拭 。 钛焊丝和黄铜焊丝采用与坡口清理相 同的方法进行表面清理 。
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Hot Working Technology 2011 , Vol.40 , No. 21
Cd Cu C N H O - 0.019 0.008 0.005 0.059 ERTi-1 0.03 - - - - BAg72Cu - - - 0.04 - - 0.005 28.0 SCu6180 0.1 0.01 7.58 0.02 0.01 0.01 焊丝型号 Fe Pb Al Si Zn Sn
laboratory, Qingdao 266012, China ） Abstract ：A TIG welding technology with a unique groove for copper-titanium lined pipe was put forward based on the analysis of welding joints of copper and titanium. The welding procedure was fully introduced. The performance of the welded joint were studied by X-ray NDT, chemical analysais, tensile test, bending test, microstructure analysis, hardness test and bimetallic corrosion. The results show that the chemical composition, microstructure, mechanical property and anti-corrosion property of the welded joint obtained by TIG welding with proper process are excellent. Key words ：copper-titanium lined pipe; welding; TIG
2.2 坡口设计及焊接方法
铜钛复合管的焊接采用如图 1 所示特殊的坡口 型式和尺寸 。 内衬钛管伸出基层铜管 1.5 mm ， 该伸 出长度的作用是便于钛层焊缝焊接成形 ， 有利于保 障钛层焊缝的耐腐蚀性能 ； 内衬钛管由于壁厚仅为
0.9 mm， 坡口设计为 I 型坡口 ； 外层黄铜基管设计成
带钝边的 V 型坡口 ， 坡口角度 60° ， 钝边 1 mm 。
收稿日期 :2011-05-24 作 者 简 介 : 王 永 芳 (1981 - ), 男 , 河 南 洛 阳 人 , 硕 士 , 工 程 师 , 主 要 研 究 方 向 ： 双金属复合管制造和焊接技术 ； 电话 ：029-83607997;
1 铜钛复合管焊接性分析
从铜钛复合管的结构看 ， 外层海军铜基材不仅 是结构性材料 ， 主要承担力学性能 ， 同时还兼具防腐 蚀功能 ， 可以抵御海洋大气腐蚀 ； 内层钛是功能性材 料 ， 抵御内部海水腐蚀 。 双金属复合管焊接时 ， 由于
。 目前市场上已经开发和应用的复合管类别主
要有 304/316L 奥氏体不锈钢复合管 [2-3]、 双相不锈钢 复合管 [4-6]和镍基合金复合管 [7]。 目前海军舰船上各类海水管路和蒸汽管路系统 普遍采用紫铜或黄铜金属制备 。 与碳钢等普通金属 相比较 ， 金属铜虽然具有一定的耐腐蚀性 ， 但由于其 可与空气和海水中 O2，CO2，H2S，SO2 等反应 ， 高温 下易氧化 ， 加之舰船恶劣的使用环境 ， 因此各种铜系 海水管路和蒸汽管路始终存在不同程度的腐蚀问 题 。 对此 ， 舰船的设计和生产部门不得不依赖各种
上半月出版 步骤 ， 打底焊缝成型的好坏决定了复合管焊接接头 的质量 。 焊接前先对钛管进行定位焊 ， 定位焊数量为
Casting· Forging·Welding 金属铸锻焊技术
3 焊接接头性能检测
对 铜 钛 复 合 管 焊 接 接 头 按 照 SY/T 6623-2005 《 内覆或衬里耐腐蚀合金复合钢管规范 》 进行焊接工 艺评定 。 检测试验项目包括 X 射线无损探伤 、 化学 成分分析 、 拉伸性能试验 、 弯曲性能试验 、 金相组织 检验 、 显微硬度分析和电化学腐蚀试验 。
2 铜钛复合管的焊接工艺
2.1 试验材料
试验采用 准45mm× (3.5+ 0.9)mm 的铜钛复合管 。 其中外层基管为无缝铝黄铜管 HAl77-2(GB/T8890)； 内层衬管为无缝钛管 TA1(GB/T 3625) 。