CN113042895B - 一种镍钢复合结构的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种镍钢复合结构的焊接方法，包括如下步骤：S1、将两块所述镍钢复合板对接，且两块所述镍钢复合板上的钢层和镍层均呈对应设置，再在两块所述镍钢复合板对接处的钢层侧开设梯形坡口，所述梯形坡口的深度大于或等于钢层的厚度，并保证所述梯形坡口的底部不存在钢材料；S2、将两块所述镍钢复合板通过夹具固定，并采用纯激光焊接的方法将位于所述梯形坡口底部的镍基合金连接在一起；S3、利用具有冷金属过渡功能的熔化极气体保护焊方法，并在冷金属过渡模式下的低热输入，进行焊接；S4、采用其他常规弧焊方法进行填充焊，完成对两块所述镍钢复合板的接焊。有助于提高镍基合金层焊接后的抗腐蚀性能，且有助于提高钢层焊缝的强度。

Description

一种镍钢复合结构的焊接方法
技术领域
本发明涉及镍钢复合板焊技术领域，具体地，涉及一种镍钢复合结构的焊接方法。
背景技术
复合板是由复合层和基层复合轧制而成的双金属。复合层一般为不锈钢或镍基合金，保证耐蚀性能，而基层金属主要为碳钢，保证复合板有较高的强度，因此，复合板的制造成本，大大低于采用纯不锈钢或纯镍基合金制造的成本，而又达到了不锈钢或镍基合金的高耐蚀性、高导热性能等要求，同时又具有碳素钢良好的焊接性能和高强度，具有良好的经济价值和应用前景。
然而，由于复合板的两种材质具有不同的化学成分和物理性能，因此在焊接过程中，很容易造成碳及合金元素的扩散，引起焊接接头性能恶化，降低接头强度或减弱耐腐蚀性能，影响复合板使用。
因此，为了避免不锈钢层和基层界面处出现的合金元素稀释、碳元素迁移等，过渡层的焊接是保证复合板焊接质量的关键。在以往研究中，复合板焊接主要集中在如何控制基层和复层过渡层的合金元素的平缓过渡而不造成成分偏析、如何控制异种钢接头组织的不均匀性导致的焊接裂纹以及焊接变形等。
焊接不锈钢时，焊接深度大于不锈钢层的厚度，使得焊接完碳钢后，纯不锈钢层的厚度不受影响，从而不影响不锈钢焊缝侧抗腐蚀性能，但该焊接方法需要填充不锈钢焊丝，相对成本较高。也有研究人员直接采用激光焊接方法使得不锈钢层自熔焊连接在一起，这样就不需要填充不锈钢焊丝，从而降低焊接成本。随后焊接碳钢时，通过焊接方法和焊接工艺控制，少量碳钢合金元素和不锈钢合金元素发生互扩散现象，不锈钢层的抗腐蚀性能稍微减弱。
目前关于镍基合金复合钢板的焊接研究较少，一方面是镍基合金和碳钢相的物理性能如热膨涨系数和热导率与不锈钢和碳钢相比差别更大，合金元素种类和含量也差别较大，导致镍基合金复合板的焊接难度也加大。
现有公开号为CN104455761A的中国专利公开了一种镍基合金与碳钢冶金结合的复合焊管及其制造方法，所述直缝镍基复合管是由热轧镍基复合板材通过JCOE工艺成型，再采用焊接方式制成；所述热轧镍基复合板材的一面是镍基合金层，热轧镍基复合板材的另一面是碳钢层。所述镍基合金层和碳钢层以热轧的方式结合在一起，且镍基合金层和碳钢层之间为冶金结合。
发明人认为复合板焊接的主要难点是过渡层中的元素互扩散影响力学性能和耐蚀性能，现有技术中的焊接方法碳钢层和镍基合金层中有大量合金元素发生互扩散，从而导致焊接接头的耐腐蚀性能和力学性能差，存在待改进之处。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种镍钢复合结构的焊接方法。
根据本发明提供的一种镍钢复合结构的焊接方法,镍钢复合结构包括镍钢复合板，所述镍钢复合板包括钢层和镍层，所述焊接方法包括如下步骤：S1、将两块所述镍钢复合板对接，且两块所述镍钢复合板上的钢层和镍层均呈对应设置，再在两块所述镍钢复合板对接处的钢层侧开设梯形坡口，所述梯形坡口的深度大于或等于钢层的厚度，并保证所述梯形坡口的底部不存在钢材料；S2、将两块所述镍钢复合板通过夹具固定，并采用纯激光焊接的方法将位于所述梯形坡口底部的镍基合金连接在一起；S3、利用具有冷金属过渡功能的熔化极气体保护焊方法，并在冷金属过渡模式下的低热输入，进行焊接；S4、采用其他常规弧焊方法进行填充焊，完成对两块所述镍钢复合板的接焊。
优选地，所述镍钢复合板总厚度大于等于4mm，其中所述镍层厚度与钢层厚度的比值小于1比1。
优选地，步骤S1中，针对所述镍钢复合板，将所述镍层侧和钢层侧分别进行焊接，且先对所述镍层侧进行焊接，再对所述钢层侧进行焊接。
优选地，步骤S1中，所述梯形坡口的深度大于钢层的厚度，且所述梯形坡口的底部距离钢层和镍层分界线的距离在0～0.5mm之间，所述梯形坡口底部的宽度在3mm～6mm之间，所述梯形坡口的倾角在40°～60°之间。
优选地，步骤S2中，采用纯激光方法进行第一道焊接，将两块所述镍钢复合板底部的镍层进行自熔化连接，焊接时严格控制热输入，并保证镍层刚好焊透而不出现表面下淌现象。
优选地，步骤S3中，采用冷金属过渡模式进行第二道焊接，控制焊接填充层的厚度约为2mm，焊缝宽度大于所述梯形坡口底部的宽度，且焊填充材料为与钢层相匹配的焊材。
优选地，步骤S4中，可采用熔化极气体保护焊或手工电弧焊进行第三道焊接，焊接热输入不易过大，不可将冷金属过渡层全部熔化,且焊接时采用的填充材料为与钢层相匹配的填充材料。
优选地，步骤4中，如果所述钢层厚度较大，需要大于三道焊接才能填满所述梯形坡口，后续焊接工艺中可采用较大热输入的熔化极气体保护焊，也可采用激光-电弧复合焊，直到填满所述梯形坡口。
优选地，焊接过程中焊接接头中仅有微量所述钢层中的合金元素进入到焊缝中，从而对所述镍层焊接后的抗腐蚀性能影响微弱。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过依次使用纯激光焊、具有冷金属过渡功能的熔化极气体保护焊方法以及其他常规弧焊方法进行填充焊对梯形坡口进行焊接作业，从而使焊接接头过渡层中发生相互扩散的区域较小，有助于提高镍基合金层焊接后的抗腐蚀性能，且有助于提高钢层焊缝的强度；
2、本发明通过采用与钢层相匹配的材料，而不采用镍基合金焊丝进行焊接，有助于节约经济成本；
3、本发明通过将梯形坡口的深度设置为大于或等于钢层的厚度，有助于保证梯形坡口的底部不存在钢材料，从而有助于减少焊接接头过渡层中钢层内的元素扩散到镍层，进而有助于提高镍基合金层焊接后的抗腐蚀性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明主要体现梯形坡口整体结构的示意图；
图2为本发明主要体现两块镍钢复合板的焊接工艺示意图；
图3为本发明所述的焊接方法所得的焊缝金相图。
附图标记：1、镍钢复合板；2、镍层；3、钢层；4、梯形坡口。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，根据本发明提供的一种镍钢复合结构的焊接方法，包括试验材料，试验材料为825镍基合金和X65管线钢通过轧制制备成的镍钢复合板1，镍钢复合板1包括镍层2和钢层3，且镍层2的厚度为3mm，钢层3的厚度为17mm。还包括如下步骤：
S1、将两块镍钢复合板1对接，且两块镍钢复合板1上的钢层3和镍层2均呈对应设置，再在两块镍钢复合板1对接处的钢层3侧开设梯形坡口4，梯形坡口4的底部探入镍层2，梯形坡口4底部距钢层3和镍层2分界面的距离为0.3mm，梯形坡口4底部的直径为4mm，梯形坡口4的倾角为45°，并保证梯形坡口4的底部不存在钢材料。
S2、将表面处理后的两块镍钢复合板1，放在焊接工装上通过相应夹具固定。采用光纤激光器对两块镍钢复合板1的镍层2进行自熔焊，为第一道焊接。激光功率为3.5kW，焊接速度为2m/min，保护气体为纯氩气，流量为15L/min，完成两块镍钢复合板1的镍层2的焊接。
S3、将激光焊接完成后的两块镍钢复合板1，放在熔化极气体保护焊工装上并通过相应夹具固定，利用具有冷金属过渡功能的熔化极气体保护焊方法进行第二道焊接，焊接送丝速度为3m/min，焊接速度为0.18m/min，保护气体为80％Ar+20％CO2。
S4、将第二道焊接完成后的两块镍钢复合板1，再采用脉冲熔化极气体保护焊进行第三道焊接，焊接送丝速度为6m/min，焊接速度为0.36m/min，脉冲频率为2Hz，保护气体为80％Ar+20％CO2。
S5、将第三道焊接完成后的两块镍钢复合板1，再采用脉冲熔化极气体保护焊进行第四道焊接，增加焊接热输入，此时焊接送丝速度为9m/min，焊接速度为0.36m/min，脉冲频率为2Hz，保护气体为80％Ar+20％CO2，完成坡口填充。
如图2和图3所示，整个过渡层中，由于利用具有冷金属过渡功能的熔化极气体保护焊方法进行较低的热输入，仅有少量镍层2中混入钢层3中的合金元素。镍层2中仅有0.6mm厚的过渡层存在，对镍钢复合板1的耐蚀性能影响较弱。同样，仅有0.6mm厚的镍层2进入到CMT过渡层中，合金稀释率较低，对钢层3的强度影响较弱。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种镍钢复合结构的焊接方法，镍钢复合结构包括镍钢复合板(1)，所述镍钢复合板(1)包括钢层(3)和镍层(2)，其特征在于，所述焊接方法包括如下步骤：
S1、将两块所述镍钢复合板(1)对接，且两块所述镍钢复合板(1)上的钢层(3)和镍层(2)均呈对应设置，再在两块所述镍钢复合板(1)对接处的钢层(3)侧开设梯形坡口(4)，所述梯形坡口(4)的深度大于或等于钢层(3)的厚度，并保证所述梯形坡口(4)的底部不存在钢材料；
S2、将两块所述镍钢复合板(1)通过夹具固定，并采用纯激光焊接的方法将位于所述梯形坡口(4)底部的镍基合金连接在一起；
S3、利用具有冷金属过渡功能的熔化极气体保护焊方法，并在冷金属过渡模式下的低热输入，进行焊接；
S4、采用其他常规弧焊方法进行填充焊，完成对两块所述镍钢复合板(1)的接焊；
所述镍钢复合板(1)总厚度大于等于4mm，其中所述镍层(2)厚度与钢层(3)厚度的比值小于1比1；
步骤S1中，针对两块所述镍钢复合板(1)，将所述镍层(2)侧和钢层(3)侧分别进行焊接，且先对所述镍层(2)侧进行焊接，再对所述钢层(3)侧进行焊接。
2.如权利要求1所述的一种镍钢复合结构的焊接方法，其特征在于，步骤S1中，所述梯形坡口(4)的深度大于钢层(3)的厚度，且所述梯形坡口(4)的底部距离钢层(3)和镍层(2)分界线的距离在0～0.5mm之间，所述梯形坡口(4)底部的宽度在3mm～6mm之间，所述梯形坡口(4)的倾角在40°～60°之间。
3.如权利要求1所述的一种镍钢复合结构的焊接方法，其特征在于，步骤S2中，采用纯激光方法进行第一道焊接，将两块所述镍钢复合板(1)底部的镍层(2)进行自熔化连接，焊接时严格控制热输入，并保证镍层(2)刚好焊透而不出现表面下淌现象。
4.如权利要求1所述的一种镍钢复合结构的焊接方法，其特征在于，步骤S3中，采用冷金属过渡模式进行第二道焊接，控制焊接填充层的厚度为2mm，焊缝宽度大于所述梯形坡口(4)底部的宽度，且焊填充材料为与钢层(3)相匹配的焊材。
5.如权利要求1所述的一种镍钢复合结构的焊接方法，其特征在于，步骤S4中，可采用熔化极气体保护焊或手工电弧焊进行第三道焊接，焊接热输入不易过大，不可将冷金属过渡层全部熔化,且焊接时采用的填充材料为与钢层(3)相匹配的填充材料。
6.如权利要求1所述的一种镍钢复合结构的焊接方法，其特征在于，步骤4中，如果所述钢层(3)厚度较大，需要大于三道焊接才能填满所述梯形坡口(4)，后续焊接工艺中可采用较大热输入的熔化极气体保护焊，也可采用激光-电弧复合焊，直到填满所述梯形坡口(4)。
7.如权利要求1所述的一种镍钢复合结构的焊接方法，其特征在于，焊接过程中焊接接头中仅有微量所述钢层(3)中的合金元素进入到焊缝中，从而对所述镍层(2)焊接后的抗腐蚀性能影响微弱。
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