钛复合板焊接

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（100～150mm）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。

①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（σ

b 、σ

s

）可用下式求出。

σ

bc δ

c

σ

bd

δ

d

σ

b ＝────────

δ

c δ

d

式中σ

bc

——碳钢的抗拉强度，MPa；

δ

c

——碳钢的厚度，mm；

σ

bd

——不锈钢的抗拉强度， MPa；

δ

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。

②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4.9～

9.5mm时，半径R可按复合钢整体厚度的一半（R=δ/2）进行弯曲。当不锈钢厚度δ>9mm时，弯曲半径R按等于复合钢整体厚度（R=δ）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。

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。

注：复合钢板抗拉强度σB 按式（7-1）计算。

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

注：复合钢板抗拉强度σB 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1.5～3.0mm，基层厚度为8～20mm。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/MPa

450℃×100h

800℃

0.5h 5h 10h 50h

无中间层265 221 157 196 186 加V中间层－294 272 277 274 加Nb中间层225 100 178 176 167 加V Cu中间层 206 194 208 201 225 加Nb Cu中间层219 140 181 189 203 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。