一種層狀雙金屬復(fù)合材料高效對接激光焊接方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種層狀雙金屬復(fù)合材料高效對接激光焊接方法，在靠近復(fù)層一側(cè)的基層上設(shè)置基層保留層，構(gòu)成I型坡口；借助了在激光熔透型焊接過程中，熔池內(nèi)上下兩個部位的液態(tài)金屬在金屬蒸汽摩擦和溫度梯度的作用下在各自的位置上進(jìn)行Marangoni對流，而彼此之間發(fā)生很少的對流交換的特征與層狀雙金屬復(fù)合材料的層狀特征相匹配的特性，保證了焊縫中兩種金屬材料各自的性能特性。其優(yōu)點(diǎn)在于：實(shí)現(xiàn)了復(fù)層金屬和部分基層金屬的一次性對接焊接成型；省略了傳統(tǒng)復(fù)合板或復(fù)合管對接焊接時的封焊和過渡層焊接工序；減小了剩余基層坡口的深度和寬度，即減小了基層焊接量。
【專利說明】一種層狀雙金屬復(fù)合材料高效對接激光焊接方法
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明屬于材料加工【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種層狀雙金屬復(fù)合材料高效對接激光焊接方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]層狀結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料是指通過爆炸焊接、軋制等工藝使強(qiáng)度、熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)差異極為懸殊的不同金屬實(shí)現(xiàn)的機(jī)械或者冶金結(jié)合，得到一種新的復(fù)合型的結(jié)構(gòu)材料，其特點(diǎn)在于集不同材料的優(yōu)點(diǎn)于一身，充分發(fā)揮不同材料特性，同時，極大地節(jié)約稀貴金屬材料，降低設(shè)備的制造成本，使稀貴金屬在許多領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能，例如，在腐蝕性環(huán)境較強(qiáng)的石油、石化企業(yè)、核工業(yè)及醫(yī)藥、食品加工等領(lǐng)域，以碳鋼為基層，不銹鋼為復(fù)層的層狀的雙金屬復(fù)合管和復(fù)合板已得到了大量的應(yīng)用。使用不銹鋼復(fù)合板的主要目的在于一方面充分利用其基材的高強(qiáng)度、塑韌性和覆層的耐腐蝕、耐熱、耐磨、光亮等特殊性能，另一方面不銹鋼復(fù)層厚度通常只占復(fù)合板總厚度的10%~20%，所以可節(jié)約大量的不銹鋼，價格可降至整體不銹鋼板的2/3~3/4。
[0003]盡管層狀雙金屬復(fù)合材料有其優(yōu)越性，但在結(jié)構(gòu)制造中，兩種不同的材料屬性也給層狀雙金屬復(fù)合材料焊接成型方法帶來了新的問題。例如，在焊接過程中，接頭凝固過渡層的形成易導(dǎo)致焊縫金屬中生成脆性相而使接頭的塑韌性下降；接頭界面合金元素碳的遷移使接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能下降等都是阻礙雙金屬復(fù)合管的焊接成型問題。在層狀雙金屬復(fù)合材料焊接時，需重點(diǎn)關(guān)注以下問題:接頭界面附近熔合區(qū)的顯微組織、合金元素分布的梯度變化、以及在焊接過渡層時如何避免裂紋的產(chǎn)生、如何保證過渡層焊縫與覆層不銹鋼具有相近的抗腐蝕性能等。顯然，這些焊接技術(shù)問題的解決，對該類材料在實(shí)際生產(chǎn)中的大規(guī)模推廣應(yīng)用具有非常重要的意義。目前，國內(nèi)外對一些雙金屬復(fù)合管的焊接工藝及焊接性已有相對較多的研究，并取得了一定進(jìn)展。復(fù)合管的焊接不同于復(fù)合板的焊接，傳統(tǒng)的復(fù)合板可以先焊基層，再焊過渡層，如圖1a所示(I至n+2的焊接順序)。復(fù)合管由于受管徑的影響，只能先進(jìn)行復(fù)層對接焊，再焊過渡層，最后進(jìn)行基層的焊接(I至η的焊接順序)。在施工中發(fā)現(xiàn)，由于管材橢圓度的影響，襯層的厚度一般在2~3_，組對十分困難，此外若焊槍的位置和力度控制不好，往往造成襯層燒穿，于是確定了先進(jìn)行封焊再進(jìn)行根焊的焊接工序，如圖1b所示，實(shí)踐證明封焊后的焊接接頭，減少了組對的錯邊量，解決了襯層和基層鋼管的相對位移問題，同時也解決了襯層金屬熱導(dǎo)率小、焊接熱量傳輸速度慢和途徑單一等問題，避免了焊縫過熱而造成焊接困難、焊后成型差和主要合金元素過量燒損等現(xiàn)象的發(fā)生；也避免了直接在接頭坡口處產(chǎn)生未熔合和焊接裂紋等缺陷，為焊接的順利進(jìn)行提供了便利。
[0004]大量的已有研究表明，采用圖1a和圖1b中所示的焊接工藝可以實(shí)現(xiàn)了雙金屬復(fù)合板和復(fù)合管的焊接，對焊接接頭的性能評價也滿足工程應(yīng)用中的要求。但從焊接工藝的效率性上來看，圖1a和圖1b所示的已成熟的焊接工藝相對來說比較復(fù)雜，要采用不同的焊接工藝參數(shù)分別焊接復(fù)層、過渡層、基層，而且往往每一層的焊接材料也不相同。復(fù)雜的焊接工藝必然也導(dǎo)致低的焊接效率，以至于導(dǎo)致較低的生產(chǎn)制造效率，所以，從雙金屬復(fù)合管的焊接工藝及其焊接效率來說開發(fā)出更高效的焊接成型工藝是十分有意義的。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種層狀雙金屬復(fù)合材料高效對接激光焊接方法，以解決層狀雙金屬復(fù)合材料對接焊接時工序復(fù)雜、焊接效率低下的問題。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種層狀雙金屬復(fù)合材料高效對接激光焊接方法，包括以下步驟:
[0008]1)在復(fù)合板或復(fù)合管中靠近復(fù)層一側(cè)的基層上設(shè)置基層保留層，基層保留層的厚度為復(fù)層厚度的0.9-1.1倍；在基層保留層上的其余上層基層上開取剩余基層焊接坡口 ；
[0009]2)對接復(fù)合板或復(fù)合管，基層保留層和復(fù)層構(gòu)成I型坡口 ；1型坡口上形成剩余基層焊接坡口；
[0010]3)采用激光焊接工藝對復(fù)層及基層保留層組成的I型坡口處進(jìn)行熔透焊接；
[0011]4)然后焊接剩余基層焊接坡口，完成整個對焊過程。
[0012]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:1型坡口對接無間隙或者間隙量小于0.1_。
[0013]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:剩余基層焊接坡口為V型或U型坡口。
[0014]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:1型坡口橫截面上兩塊復(fù)合板或復(fù)合管之間沒有錯邊量或者錯邊量小于0.1mm。
[0015]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:1型坡口的焊縫橫截面形貌符合上下對稱的雙釘子頭形貌特征。
[0016]本發(fā)明坡口形貌和尺寸的設(shè)計包括以下幾個原則:
[0017]①依據(jù)復(fù)合板或者復(fù)合管中復(fù)層的厚度設(shè)計靠近復(fù)層一側(cè)的I型對接坡口尺寸，即保持I型對接坡口區(qū)域的基層厚度和復(fù)層厚度大體相當(dāng)；
[0018]②依據(jù)復(fù)層一側(cè)的I型對接坡口尺寸設(shè)計之后剩余的基層厚度和擬采用的焊接工藝方式設(shè)計后續(xù)的基層焊接坡口。
[0019]所述的保證復(fù)層處的I型坡口具有一定的對接精度是指在焊接前對復(fù)合板或者復(fù)合管對接裝配夾持時應(yīng)保證坡口無間隙或者間隙小于激光光斑，應(yīng)保證在坡口橫截面上兩塊試樣之間沒有錯邊量或者錯邊量很小。
[0020]所述的合適的激光焊接工藝參數(shù)是指依據(jù)復(fù)合板或者復(fù)合管對接接頭處I型坡口位置處復(fù)層和保留基層的總厚度選擇合適的激光功率和焊接速度保證可以實(shí)現(xiàn)對I型坡口熔透型焊接。
[0021]所述的熔透焊接指保證合適的焊接工藝，使得得到的焊縫橫截面形貌符合上下對稱的雙釘子頭形貌特征。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0023]本發(fā)明提供的一種層狀雙金屬復(fù)合材料的高效焊接方法，是一種基于激光熔透型焊接時，熔池內(nèi)的液態(tài)金屬流動行為特征和層狀雙金屬復(fù)合板或復(fù)合管的層狀結(jié)構(gòu)特征的匹配特征提出的一種方法，借助了在激光熔透型焊接過程中，熔池內(nèi)上下兩個部位的液態(tài)金屬在金屬蒸汽摩擦和溫度梯度的作用下在各自的位置上進(jìn)行Marangoni對流，而彼此之間發(fā)生很少的對流交換的特征，在保證了焊縫中兩種金屬材料各自的性能特性基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了層狀雙金屬復(fù)合材料的一次性焊接成型技術(shù)。
[0024]本發(fā)明的技術(shù)效果還在于以下兩點(diǎn):①通過實(shí)現(xiàn)層狀雙金屬復(fù)合板或復(fù)合管中對接焊接中的復(fù)層和部分基層一次焊接成型基層上，減少了傳統(tǒng)層狀雙金屬復(fù)合板或復(fù)合管封焊和過渡層的焊接工序，可在激光焊縫基層上直接展開剩余基層的焊接工序；②通過實(shí)現(xiàn)層狀雙金屬復(fù)合板或復(fù)合管中對接焊接中的復(fù)層和部分基層一次焊接成型基層上，減小了層狀雙金屬復(fù)合板或復(fù)合管中剩余基層的厚度，減小了剩余基層所需要開取坡口寬度，從而減少后續(xù)基層的焊接工作量。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0025]圖1a和圖1b為現(xiàn)有復(fù)合板、復(fù)合管對接坡口示意圖；
[0026]圖2a和圖2b本發(fā)明所采取的復(fù)合板或復(fù)合管對接坡口示意圖；
[0027]圖3傳統(tǒng)焊接工藝所采取的復(fù)合板或復(fù)合管對接坡口示意圖；
[0028]圖4激光熔透焊時熔池內(nèi)金屬流動行為特征與復(fù)合板或復(fù)合管結(jié)構(gòu)特征匹配示意圖；
[0029]圖5實(shí)施例中得到的DSS2205-X65層狀雙金屬復(fù)合板焊接接頭橫截面宏觀形貌。
[0030]圖6實(shí)施例中得到的DSS2205-X65層狀雙金屬復(fù)合板焊接接頭橫截面內(nèi)部分微區(qū)的顯微組織形貌。
【【具體實(shí)施方式】】
[0031]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0032]本發(fā)明提供一種層狀雙金屬`復(fù)合材料高效對接激光焊接方法，是一種基于激光熔透型焊接時，熔池內(nèi)的液態(tài)金屬流動行為特征和層狀雙金屬復(fù)合板或復(fù)合管的層狀結(jié)構(gòu)特征的匹配特征提出的一種方法，借助了在激光熔透型焊接過程中，熔池內(nèi)上下兩個部位的液態(tài)金屬在金屬蒸汽摩擦和溫度梯度的作用下在各自的位置上進(jìn)行Marangoni對流,而彼此之間發(fā)生很少的對流交換的特征，在保證了焊縫中兩種金屬材料各自的性能特性基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了層狀雙金屬復(fù)合材料的一次性焊接成型技術(shù)，其原理示意圖如圖4所示。
[0033]本發(fā)明的技術(shù)效果還在于一下兩點(diǎn):①通過實(shí)現(xiàn)層狀雙金屬復(fù)合板或復(fù)合管中對接焊接中的復(fù)層和部分基層一次焊接成型基層上，減少了傳統(tǒng)層狀雙金屬復(fù)合板或復(fù)合管封焊21和過渡層22 (如附圖3所示)的焊接工序，可在激光焊縫基層上直接展開剩余基層的焊接工序；②通過實(shí)現(xiàn)層狀雙金屬復(fù)合板或復(fù)合管中對接焊接中的復(fù)層和部分基層一次焊接成型基層上，減小了層狀雙金屬復(fù)合板或復(fù)合管中剩余基層的厚度(如附圖1 (a)和圖1(b)中剩余層d〈附圖3中剩余層dl)，減小了剩余基層所需要開取坡口寬度(如附圖1中坡口寬度0〈附圖3中坡口寬度Dl )，從而減少后續(xù)基層的焊接工作量。
[0034]本實(shí)施例采用YLS-4000型光纖激光器對DSS2205-X65層狀雙金屬復(fù)合板進(jìn)行焊接，復(fù)合板中雙向不銹鋼DSS2205 (復(fù)層11)厚度為2mm，管線鋼X65 (基層12)的厚度為16mm,具體的操作步驟如下:
[0035](I)依據(jù)DSS2205-X65層狀雙金屬復(fù)合板中復(fù)層11的厚度，針對DSS2205-X65層狀雙金屬復(fù)合板對接焊接設(shè)計如附圖2a中所示坡口，坡口特點(diǎn)在于:在靠近復(fù)層11(DSS2205)—側(cè)保留和復(fù)層11相同厚度的基層12 (X65)(復(fù)層厚度b=基層保留層厚度f)，這樣使復(fù)層11和2mm厚的基層保留層共同組成了一個厚度為4mm的I型坡口，其余上層基層12開取成V型坡口。如圖2 (b)所示其余上層基層12還可以開取成U型坡口。
[0036](2)依據(jù)步驟(I)的設(shè)計對DSS2205-X65層狀雙金屬復(fù)合板開取坡口，在對步驟
(I)中的I型對接坡口焊接前，對試板通過裝配夾持，保證坡口對接無間隙或者間隙小于激光光斑，保證坡口無錯邊或者錯邊很小。
[0037](3)依據(jù)步驟(I)中I型坡口厚度和已有的試驗(yàn)工藝經(jīng)驗(yàn)選擇焊接激光功率為3500W，焊接速度為1.5m/min。
[0038](4 )依據(jù)步驟(3 )中工藝參數(shù)對步驟(2 )中開取I型坡口進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)了熔透型焊接；
[0039]( 5 )然后焊接V型坡口，完成整個對焊過程。
[0040]對得到的焊接接頭進(jìn)行金相組織觀察和分析，評價
【發(fā)明內(nèi)容】
的合理性和可行性。
[0041]對實(shí)例得到的接頭和橫截面進(jìn)行形貌觀察和顯微組織分析，圖5為實(shí)施例中得到的焊縫橫截面宏觀形貌，從圖中可以看出焊縫內(nèi)部上下兩個部分的組織形貌完全不同，并且在焊縫中間部位有明顯的界限(如圖中虛線所示)，這說明在激光對復(fù)合板焊接時，焊縫內(nèi)部上下兩層金屬沒有發(fā)生太多的對流或交換。圖6為圖5焊縫中相應(yīng)微觀區(qū)域的組織特征，從圖中可以看出，在位于焊縫上部，下部和中部虛線交接出的顯微組織各不相同，上部顯微組織為典型的碳鋼組織(層片狀珠光體無序的分布在鐵素體基體上)，下部顯微組織為典型的DSS2205雙相組織(鐵素體+奧氏體)，在焊縫中部兩種組織的交界處界線明顯，界線(圖中虛線)上部為碳鋼組織形貌，下部DSS2205雙相組織形貌。
[0042]最后說明的是，本實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，本領(lǐng)普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍中。
【權(quán)利要求】
1.一種層狀雙金屬復(fù)合材料高效對接激光焊接方法，其特征在于，包括以下步驟: I)在復(fù)合板或復(fù)合管中靠近復(fù)層(11) 一側(cè)的基層(12)上設(shè)置基層保留層，基層保留層的厚度為復(fù)層(11)厚度的0.9-1.1倍；在基層保留層上的其余上層基層上開取剩余基層焊接坡口 ； 2)對接復(fù)合板或復(fù)合管，基層保留層和復(fù)層(11)構(gòu)成I型坡口； I型坡口上形成剩余基層焊接坡口； 3)采用激光焊接工藝對復(fù)層及基層保留層組成的I型坡口處進(jìn)行熔透焊接； 4)然后焊接剩余基層焊接坡口，完成整個對焊過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種層狀雙金屬復(fù)合材料高效對接激光焊接方法，其特征在于，I型坡口對接無間隙或者間隙量小于0.1mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種層狀雙金屬復(fù)合材料高效對接激光焊接方法，其特征在于，剩余基層焊接坡口為V型或U型坡口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種層狀雙金屬復(fù)合材料高效對接激光焊接方法，其特征在于，I型坡口橫截面上兩塊復(fù)合板或復(fù)合管之間沒有錯邊量或者錯邊量小于0.1_。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種層狀雙金屬復(fù)合材料高效對接激光焊接方法，其特征在于，I型坡口的焊縫橫截面形貌符合上下對稱的雙釘子頭形貌特征。
【文檔編號】B23K26/21GK103878484SQ201410113925
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】張建勛, 茍寧年, 李振崗, 朱彤, 牛靖, 張林杰 申請人:西安交通大學(xué)