CN105880851A - 一种层状双金属复合材料的无过渡层对接焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种层状双金属复合材料的无过渡层对接焊方法，分别在复合材料或复合管的复层侧和基层侧开取坡口，采用熔化焊方法在基层侧坡口填充连接金属，然后采用喷涂方法在复层侧坡口制备金属焊缝。其技术效果在于：在采用热喷涂或冷喷涂方法制备复层焊缝过程中基层焊缝和母材不会发生明显的熔化，因此复层焊缝金属与基层金属的结合是纯机械结合或“微区熔化”冶金结合，可以有效抑制复层材料和基层材料的混合、避免在复层/基层界面附近生成大量脆性金属间化合物，从而提高层状双金属复合材料对接接头的力学性能。

Description

一种层状双金属复合材料的无过渡层对接焊方法
技术领域
本发明属于材料加工技术领域的对接焊，特别涉及一种层状双金属复合材料的无过渡层对接焊方法。
背景技术
层状结构双金属复合材料是指通过***焊、轧制等方法使强度、耐蚀性、熔点、热膨胀系数差异极为悬殊的不同金属实现的机械或者冶金结合，得到一种新的具有层状结构的复合材料，其特点在于集不同材料的优点于一身，充分发挥不同材料特性，同时，极大地节约稀贵金属材料，降低设备的制造成本，使具有稀贵金属性能优点的设备、结构在许多领域得以广泛应用，例如，在腐蚀性环境较强的石油、化工企业、核工业、船舶制造业等领域，以低合金高强钢为基层，纯钛为复层的层状的双金属复合管和复合板已得到了大量的应用。使用钛/钢复合板的主要目的在于一方面充分利用其基材的高强度、塑韧性和覆层的耐腐蚀、耐热、耐磨、光亮等特殊性能，另一方面钛/钢复合板复层厚度通常只占复合板总厚度的10％～15％，所以可节约大量价格昂贵的纯钛。
尽管层状双金属复合材料有其优越性，但在结构制造中，两种不同的材料属性也给层状双金属复合材料焊接成型方法带来了新的问题。例如，在焊接过程中，接头凝固过渡层的形成易导致焊缝金属中生成脆性相而使接头的塑韧性下降；接头界面合金元素碳的迁移使接头的力学性能和耐腐蚀性能下降等都是阻碍双金属复合管的焊接成型问题。
对于不锈钢/钢复合板，采用有过渡层的三明治焊缝通常可以获得性能满足要求的对接焊接头。但是，对于性能差异非常大、互溶性很差的两种材料组成的复合板，通常采用有过渡层的三明治焊缝无法获得性能满足要求的对接焊接头。以钛/钢复合板为例，由于复层和基层材料的物理化学性质差异很大、互溶性差等原因，导致钛/钢双金属复合材料采用常规熔焊方法焊接时复层/基层界面附近过渡层焊缝(参见图1所示)金属组织性能恶化，焊接接头性能难以保证，严重限制了钛/钢双金属复合材料在石油天然气、化工、核电及船舶制造等行业的应用。褚巧玲等人采用Cu/V作为中间层，运用TIG焊接方式焊接钛和钢，不过在他们的研究当中，中间层厚度达到5mm，焊缝宽度约为20mm，且形成的焊接试样抗剪切性能较差；张莹瑛等人分别用Cu、CuNi和Nb作为添加材料，采用TIG焊进行了TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti的焊接。研究结果表明，添加单一的材料，无法避免焊缝中脆性化合物的形成。孙荣禄等人对国外钛合金与不锈钢的摩擦焊工艺进行了阐述，采用摩擦焊工艺，接头强度可高于钛合金母材强度，但接头韧性极差。LiaoJinsun等人在对纯钛与结构钢的搅拌摩擦焊搭接接头的显微组织研究中也发现接头韧性极差。此外，解妙霞等人研究发现***焊钛/钢双金属复合板受热后会导致钛/钢界面处发生元素的扩散，尤其是Fe元素向钛复层的扩散非常显著，从而导致结合界面的力学性能下降。
目前工程领域的解决办法主要是运用搭盖板的方式来实现钛/钢双金属复合材料的复层连接(如图2a和图2b所示)，但是在实际工程中使用搭盖板方式实现钛复层的连接往往存在复合板内部存在间隙、应力集中、整体力学性能下降、浪费材料、生产效率低等问题。因此，开发低热输入的、没有脆性过渡层生成的双金属复合板对接焊方法是十分有意义的。
发明内容
针对双层金属复合材料对接熔焊时存在的焊缝金属中过渡层易形成脆性相导致接头塑韧性下降问题以及采用搭接盖板连接时存在的内部有间隙、应力集中、整体力学性能下降、浪费材料、生产效率低等问题，本发明的目的在于，提供一种层状双金属复合材料的无过渡层对接焊方法，该方法最本质的特征是复层焊缝和基层焊缝之间没有过渡层焊缝，从而提高层状双金属复合材料对接接头的力学性能。
为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：
一种层状双金属复合材料的无过渡层对接焊方法，其特征在于，该方法在复合材料或复合管的复层侧和基层侧分别开取坡口，采用熔化焊方法在基层侧坡口连接金属，然后采用喷涂方法在复层侧坡口制备金属焊缝。
根据本发明，所述的熔化焊方法是激光焊接或氩弧焊接或气保焊焊接。所述的喷涂方法为热喷涂方法或冷喷涂方法。
具体按以下步骤进行：
1)分别在复合材料或复合管的复层一侧和基层一侧分别开取坡口，其中，复层一侧坡口深度为复层厚度的1.1～1.2倍，形成待喷涂填充坡口；基层一侧构成Y型坡口，Y型坡口钝边高度为1mm～1.5mm；
2)先用氩弧焊对基层一侧Y型坡口根部进行熔透焊接，然后用CO2气体保护焊焊接基层一侧剩余坡口，完成整个基层的对焊过程；
3)用角磨机打磨去除基层Y型坡口根部熔透焊接形成的背面焊缝余高，然后采用喷涂方法喷涂填充复层一侧坡口，完成整个对焊过程。
根据本发明，所述复层一侧坡口深度为复层厚度的1.1～1.2倍是保证复层一侧坡口底部复层材料被全部去除，坡口底部露出的全部是基层材料。
所述的复层一侧坡口角度为120°～150°，以保证复层一侧焊缝金属与坡口表面具有良好的结合强度。
所述复层一侧坡口底部宽度为5mm～10mm。
所述基层一侧构成Y型坡口对接无间隙或者间隙量小于0.1mm。
坡口横截面上两块复合材料或复合管之间没有错边量或者错边量小于0.1mm。
所述喷涂方法喷涂填充复层一侧坡口的材料与复层的材质相同，以保证良好的耐腐蚀等性能。
本发明的层状双金属复合材料的无过渡层对接焊方法，与现有技术相比，带来的技术效果在于：
1、先采用熔化焊连接基层金属；然后采用喷涂方法制备复层金属焊缝。借助了采用喷涂方法制备复层焊缝时不会使基层发生明显的熔化、复层焊缝金属与基层金属的结合是纯机械结合或“微区熔化”冶金结合的特点，可以有效提高双层金属焊接时复层/基层界面附近的接合强度。
2、减少了传统层状双金属复合板或复合管过渡层的焊接工序。
3、采用喷涂方法制备复层焊缝时加工过程热输入量小，所导致的热加工残余应力小于熔焊方法焊接复层焊缝时所导致的残余应力。
4、采用喷涂方法制备复层焊缝时加工过程热输入量小，焊缝附近复层/基层界面因为受热而出现组织、性能下降的倾向较小。
附图说明
图1为传统的复合板、复合管的具有三明治结构的双层金属复合材料对接焊接头横截面示意图；
图2a和2b是传统的采用搭接盖板方式的复合板或复合管对接焊接头横截面示意图；
图3是本发明的层状双金属复合材料的无过渡层对接焊方法中所采取的复合板或复合管对接坡口横截面示意图；
图4是本发明方法所焊接的无过渡层的复合板或复合管对接焊接头横截面示意图；图中的标记表示：11、基层，12、复层。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。
具体实施方式
本实施例给出一种层状双金属复合材料的无过渡层对接焊方法，该方法分别在复合材料或复合管的复层侧和基层侧分别开取坡口，采用熔化焊方法在基层侧坡口连接金属，然后采用喷涂方法在复层侧坡口制备金属焊缝。
具体按以下步骤进行：
1)分别在复合材料或复合管的复层一侧和基层一侧开取坡口，其中，复层一侧坡口深度为复层厚度的1.1～1.2倍；
2)对接复合材料或复合管，基层一侧构成Y型坡口，Y型坡口钝边高度1mm～1.5mm；复层一侧形成剩余待喷涂填充坡口；
3)采用氩弧焊焊接工艺对基层一侧Y型坡口根部进行熔透焊接；
4)采用CO2气体保护焊工艺焊接基层一侧剩余坡口，完成整个基层对焊过程；
5)用角磨机打磨去除基层的Y型坡口根部熔透焊接时形成的焊缝背面余高；
6)然后采用热喷涂或冷喷涂方法喷涂填充复层一侧坡口，完成整个对焊过程。
坡口形貌和尺寸的设计包括以下几个原则：
①依据复合板或者复合管中复层的厚度设计靠近复层一侧的对接坡口深度尺寸，即保证复层一侧坡口底部复层材料被全部去除，坡口底部露出的全部是基层材料；
②依据复层一侧的对接坡口尺寸设计之后剩余的基层厚度和拟采用的焊接工艺方式设计后续的基层焊接坡口。
③复层一侧的对接坡口角度不小于120度，保证复层一侧喷涂制备的焊缝金属与坡口表面具有良好的结合强度；
④依据基层的Y型坡口根部熔透焊接形成的背面焊缝熔宽设计复层一侧的对接坡口根部宽度，保证基层的Y型坡口根部熔透焊接形成的焊缝背面熔宽小于复层一侧坡口根部宽度，基层一侧Y型坡口根焊时复层材料不发生熔化；
基层一侧构成Y型坡口对接无间隙或者间隙量小于0.1mm。
坡口横截面上两块复合材料或复合管之间没有错边量或者错边量小于0.1mm。
采用喷涂方法制备复层焊缝时，基层金属不能发生再次熔化，复层焊缝金属与基层金属的结合是纯机械结合或“微区熔化”冶金结合，不会在复层/基层界面附近形成大面积脆化相。
实施例1：
钛/钢双金属复合材料的无过渡层对接焊
本实施例采用Kinetics-3000型喷涂设备，YC-300BP4松下数字氩弧焊机和KempArc SYN400熔化极气体保护焊焊机对TA1/X65层状双金属复合板进行对接焊。复合板中商业纯钛TA1(复层12)厚度为3mm，管线钢X65(基层11)的厚度为25mm，具体的操作步骤如下：
(1)依据TA1/X65层状双金属复合板中复层12的厚度，针对TA1/X65层状双金属复合板对接焊接设计如附图3中所示坡口，坡口特点在于：依据复合板或者复合管中复层12的厚度设计靠近复层12一侧的对接坡口深度尺寸，即坡口深度为复层12厚度的1.1-1.2倍，保证复层12一侧坡口底部复层材料被全部去除，坡口底部露出的全部是基层材料；复层12一侧的对接坡口角度不小于120度，保证复层12一侧喷涂制备的焊缝金属与坡口表面具有良好的结合强度；依据基层11的Y型坡口根部熔透焊接形成的背面焊缝熔宽设计复层一侧的对接坡口根部宽度，保证基层11一侧Y型坡口根部熔透焊接形成的背面焊缝熔宽小于复层12一侧坡口根部宽度，基层11一侧Y型坡口根焊时复层12的材料不发生熔化。
(2)依据复层12一侧的对接坡口尺寸设计之后剩余的基层11厚度和拟采用的焊接工艺方式设计后续的基层11一侧Y型焊接坡口，坡口钝边高度1-1.5mm。
(3)基层11一侧Y型坡口对接焊接前，对试板通过装配夹持，保证Y型坡口对接无间隙或者间隙小于0.1mm，保证坡口无错边或者错边小于0.1mm。
(4)依据基层11一侧Y型坡口厚度和已有的试验工艺经验选择氩弧焊打底焊接时的电压为9.5V，焊接电流为130A，焊接速度为60mm/min。
(5)依据步骤(4)中工艺参数对基层11一侧Y型坡口进行氩弧焊打底焊接，实现了单面焊双面成形、全熔透型焊接。
(6)然后采用CO2气体保护焊方法焊接完成基层11一侧Y型坡口的填充焊接和盖面焊接，焊接电压为24-25V，焊接电流为245-265A，送丝速度为6350mm/min，焊接速度为180-300mm/min。
(7)用角磨机打磨去除基层11一侧Y型坡口根部熔透焊接形成的背面焊缝余高。
(8)然后采用喷涂方法(热喷涂或冷喷涂)填充复层12一侧坡口，完成整个对焊过程。
(9)用角磨机打磨去除喷涂方法制备的复层12一侧填充焊缝的余高，使与母材表面齐平，全部焊接过程完成。
最后说明的是，以上给出的实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的添加、修改或者等同替换，均应视为本发明保护范围中。

Claims (10)

1.一种层状双金属复合材料的无过渡层对接焊方法，其特征在于，该方法在复合材料或复合管的复层侧和基层侧分别开取坡口，采用熔化焊方法在基层侧坡口连接金属，然后采用喷涂方法在复层侧坡口制备金属焊缝。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的熔化焊方法是激光焊接或氩弧焊接或气保焊焊接。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的喷涂方法为热喷涂方法或冷喷涂方法。
4.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，具体按以下步骤进行：
1)分别在复合材料或复合管的复层一侧和基层一侧开取坡口，其中，复层一侧坡口深度为复层厚度的1.1～1.2倍，形成待喷涂填充坡口；基层一侧构成Y型坡口，Y型坡口钝边高度为1mm～1.5mm；
2)先用氩弧焊对基层一侧Y型坡口根部进行熔透焊接，然后用CO2气体保护焊焊接基层一侧剩余坡口，完成整个基层的对焊过程；
3)用角磨机打磨去除基层Y型坡口根部熔透焊接形成的背面焊缝余高，然后采用喷涂方法喷涂填充复层一侧坡口，完成整个对焊过程。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述复层一侧坡口深度为复层厚度的1.1～1.2倍是保证复层一侧坡口底部复层材料被全部去除，坡口底部露出的全部是基层材料。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的复层一侧坡口角度为120°～150°。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述复层一侧坡口底部宽度为5mm～10mm。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基层一侧构成Y型坡口对接无间隙或者间隙量小于0.1mm。
9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，坡口横截面上两块复合材料或复合管之间没有错边量或者错边量小于0.1mm。
10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述喷涂方法喷涂填充复层一侧坡口的材料与复层的材质相同。
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