本发明属于焊接，具体涉及一种基于纳米金属间化合物层控制的钛钢复合板及其焊接方法。
背景技术：
1、钛钢复合板结合了纯钛比强度高、耐腐蚀性好，以及碳钢力学性能优良、价格低廉的特点，以钛钢复合板制备的部件和装置在石化、轻工、海水淡化、盐化工、电力等领域发挥了重要的作用。作为工业中可被用于制造在特殊环境下(高温、高压、强腐蚀)工作的工程结构件，钛钢复合板的焊接必不可少，钛钢复合板的焊接已成为国内外材料科学工作者研究的热点。
2、焊接钛钢复合板过程中，fe-ti界面处所形成的脆性金属间化合物feti及fe2ti会使焊接接头的力学性能急剧降低，所以钛钢复合板焊接的主要问题是如何削弱焊接过程中fe-ti界面的扩散反应。传统熔化焊焊接钛钢复合板的主要方式包括仅对钢侧进行焊接，再通过附加预制体的方式进行补偿的分离焊接；通过添加钒过渡层的方式抑制fe-ti界面的反应以及单面搅拌摩擦焊接；分离焊接的缺陷在于：这种添加预制体形式的焊接仍存在缝隙，且焊接工艺极为复杂，增加了焊接难度和焊接接头的不稳定性，焊接常伴随着较高的热输入，使fe-ti界面的元素扩散反应剧烈，且难以控制。添加钒过渡层可以抑制fe-ti界面的反应；添加钒过渡层的缺陷在于：会生成部分v-fe脆性化合物及各种氧化物，导致接头性能降低。单面搅拌摩擦焊接的缺陷在于：容易导致两种材料之间的剧烈相互流动，引发异种元素之间的反应，从而导致接头抗拉强度仅达到母材的80％。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于纳米金属间化合物层控制的钛钢复合板及其焊接方法，以解决现有技术中存在的钛钢复合板焊接工艺复杂且焊接接头稳定性差的技术问题，为实现钛钢复合板的高效焊接提供方法，以满足多领域的需求。
2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
3、一种基于纳米金属间化合物层控制的钛钢复合板焊接方法，所述方法根据钛钢复合板钛复层搅拌摩擦焊接的峰值温度确定搅拌摩擦焊接的焊接参数，以确定的焊接参数完成焊钛钢复合板钛复层的搅拌摩擦焊接，并在搅拌摩擦焊接过程中利用流动的冷却水对焊接部位进行散热冷却，然后对钛钢复合板钢基层进行熔化极气体保护电弧焊接；
4、所述焊接参数包括搅拌针的旋转速度和焊接速度。
5、本发明还具有以下技术特征：
6、具体的，该方法包括以下步骤：
7、步骤1、根据钛钢复合板钛复层搅拌摩擦焊接的峰值温度确定搅拌摩擦焊接的旋转速度与焊接速度比值；
8、步骤2、确定钛复层与搅拌针之间的摩擦系数，根据确定的摩擦系数确定搅拌针与钛复层的接触面积；
9、步骤3、将钛钢复合板以对接方式固定于工作台上，且钛复层位于上层；根据选定的旋转速度以及步骤1确定的旋转速度与焊接速度比值，确定搅拌摩擦焊接的焊接速度；根据步骤2确定的搅拌针与钛复层的接触面积，确定搅拌针参数；以确定的旋转速度、焊接速度和搅拌针完成钛复层搅拌摩擦焊接，得到半焊接的钛钢复合板；
10、在所述的搅拌摩擦焊接过程中，持续向焊接区域喷射氩气，并利用流动的冷却水对焊接区域进行冷却；
11、步骤4、将半焊接的钛钢复合板固定于纯铜垫板上，且钢基层位于上层；对钢基层进行熔化极气体保护电弧焊接。
12、更进一步的，步骤1所述的峰值温度t为575k～1155k。
13、更进一步的，步骤2所述钛复层与搅拌针之间的摩擦系数μ为0.60～0.80。
14、更进一步的，步骤2所述搅拌针与钛复层的接触面积a满足以下条件：
15、
16、其中，
17、a为搅拌针与钛复层的接触面积，mm2；
18、μ为钛复层与搅拌针之间的摩擦系数；
19、μ0为钛复层与搅拌针之间的固有摩擦系数，取值为0.60；
20、k为经验系数，取值3.67～3.74。
21、更进一步的，所述旋转速度与焊接速度比值通过以下公式确定：
22、
23、式中，
24、ω为旋转速度，单位为r/min；
25、v为焊接速度，单位为mm/min；
26、n第一经验系数，取值1.33～1.35；
27、t为峰值温度，单位为k；
28、tm为钛的熔点，单位为k；
29、a为第二经验系数，取值16.67～16.70。
30、更进一步的，步骤3所述搅拌针参数包括轴肩直径d、搅拌针端部直径d1、搅拌针长度h和搅拌针根部直径d2，且所述轴肩直径d与拌针端部直径d1满足以下条件：
31、
32、其中，
33、a为搅拌针与钛复层的接触面积，单位为mm2；
34、d为轴肩直径，单位为mm；
35、d1为搅拌针端部直径，单位为mm；
36、所述搅拌针长度h与搅拌针根部直径d2满足以下条件：
37、h＝b+0.2
38、d2＝d1+2
39、其中，
40、h为搅拌针长度，单位为mm；
41、b为钛复层层厚，单位为mm；
42、d2为搅拌针根部直径，单位为mm；
43、d1为搅拌针端部直径，单位为mm。
44、更进一步的，所述步骤3中旋转速度为220～400r/min，喷射氩气时的流速为2.3×10-3～2.5×10-3m3/s；冷却水流速为1.5×10-3～1.7×10-3m3/min。
45、更进一步的，步骤4所述的熔化极气体保护电弧焊接中，采用碳钢气保焊丝，焊接电压为30～33v，焊接电流为180～210a，送丝速度为2.7～2.8m/min；所述纯铜板厚度为9～10mm。
46、本发明还保护一种基于纳米金属间化合物层控制的钛钢复合板，所述钛钢复合板采用上述焊接方法制得，且所述钛钢复合板的钛复层与钢基层界面处金属间化合物层厚小于200nm。
47、本发明与现有技术相比具有以下技术效果：
48、(1)本发明方法通过确定钛复层的焊接参数，有效抑制了fe-ti界面处各元素的扩散行为；通过确定搅拌针与钛复层的接触面积，避免了钛复层与搅拌针之间发生严重的黏附现象，最终获得了平整、光滑、无缺陷的焊缝表面；与其他熔化焊接方法相比，无需添加焊丝，因而不会破坏钛复层材料的整体性；与现有的搅拌摩擦焊接相比，光滑的焊缝表面在腐蚀环境中表现出更优异的耐腐蚀性能。
49、(2)本发明方法获得了金属间化合物层厚小于200nm的焊接接头，与传统焊接相比，减少了焊接接头中金属间化合物的层厚；与现有的钛钢复合板焊接相比，焊接接头的抗拉强度达到母材的92％，展现出优异的机械性能。
1.一种基于纳米金属间化合物层控制的钛钢复合板焊接方法，其特征在于，所述方法根据钛钢复合板钛复层搅拌摩擦焊接的峰值温度确定搅拌摩擦焊接的焊接参数，以确定的焊接参数完成焊钛钢复合板钛复层的搅拌摩擦焊接，并在搅拌摩擦焊接过程中利用流动的冷却水对焊接部位进行散热冷却，然后对钛钢复合板钢基层进行熔化极气体保护电弧焊接；
2.如权利要求1所述的基于纳米金属间化合物层控制的钛钢复合板焊接方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
3.如权利要求2所述的基于纳米金属间化合物层控制的钛钢复合板焊接方法，其特征在于，步骤1所述的峰值温度t为575k～1155k。
4.如权利要求2所述的基于纳米金属间化合物层控制的钛钢复合板焊接方法，其特征在于，步骤2所述钛复层与搅拌针之间的摩擦系数μ为0.60～0.80。
5.如权利要求2所述的基于纳米金属间化合物层控制的钛钢复合板焊接方法，其特征在于，步骤2所述搅拌针与钛复层的接触面积a满足以下条件：
6.如权利要求2所述的基于纳米金属间化合物层控制的钛钢复合板焊接方法，其特征在于，步骤1所述旋转速度与焊接速度比值通过以下公式确定：
7.如权利要求2所述的基于纳米金属间化合物层控制的钛钢复合板焊接方法，其特征在于，步骤3所述搅拌针参数包括轴肩直径d、搅拌针端部直径d1、搅拌针长度h和搅拌针根部直径d2，且所述轴肩直径d与拌针端部直径d1满足以下条件：
8.如权利要求2所述的基于纳米金属间化合物层控制的钛钢复合板焊接方法，其特征在于，所述步骤3中，旋转速度为220～400r/min，喷射氩气时的流速为2.3×10-3～2.5×10-3m3/s；冷却水流速为1.5×10-3～1.7×10-3m3/min。
9.如权利要求2所述的基于纳米金属间化合物层控制的钛钢复合板焊接方法，其特征在于，步骤4所述的熔化极气体保护电弧焊接中，采用碳钢气保焊丝，焊接电压为30～33v，焊接电流为180～210a，送丝速度为2.7～2.8m/min，所述纯铜板厚度为9～10mm。
10.一种基于纳米金属间化合物层控制的钛钢复合板，其特征在于，所述钛钢复合板采用如权利要求1～9中任一项所述的焊接方法制得，且所述钛钢复合板的钛复层与钢基层界面处形成纳米金属间化合物层，所述纳米金属间化合物层厚小于200nm。
