CN102632324B - 焊接异种金属的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了使用V形对接接头焊接类型的钨极气体保护电弧焊连接钛和不锈钢的方法。当其中施加电弧焊电流时，将钒和铝铜的中间物双焊条提供至钛和不锈钢之间的熔池。钒焊条邻近钛放置，同时铝铜焊条邻近不锈钢放置，并且两种中间物焊条彼此邻近放置。本发明也公开了使用V形对接接头焊接类型的钨极气体保护电弧焊连接钛和碳钢的方法。

Description

焊接异种金属的方法

技术领域

本发明涉及一种焊接两种异种金属的方法。具体地，本发明涉及一种使用钨极气体保护电弧焊焊接两种异种金属的方法。

背景技术

钛(Ti)是一种具有优越的耐蚀性和理想的机械性能的金属。然而，仅用纯钛制造任何设备的应用都是昂贵的。在很多情况下，将钛与其它金属，如不锈钢结合，在技术上和经济上均是有利的，从而降低钛的成本。在不锈钢基底上包覆钛的结构不仅提供显著的成本降低，还提供与纯钛设备相比更优越的耐久性。

已研究如机械连接、摩擦焊接、爆炸包覆和钎焊等常规的非熔焊这样的异种金属。如今认为爆炸包覆，非熔焊的一种方法，是能用于制造包钛钢的原材料的唯一方法。已经发现通过引入钒和铜的夹层金属在钛和钢之间摩擦焊接是成功的。虽然摩擦焊接接头的整体性和稳定性可接受，但是摩擦焊接方法本身受到被焊接金属的特定构型的限制。因而，摩擦焊接方法可能不能应用于焊接广泛的异种金属。

除了非熔焊，熔焊也可用于连接钛和不锈钢。然而，异种金属的熔焊，例如电弧焊，经常伴有由金属的性质造成的缺点。例如，当将钛连接到不锈钢时，钛和不锈钢中的铁之间的冶金学上的不相容性导致钛和铁之间脆的金属间相的形成。而且，已经发现钛和不锈钢之间的不同的热膨胀特性导致焊接后冷却作用产生的大的拉应力形成的裂纹。因此，这些缺点影响钛和不锈钢之间的接头整体性的品质。

为了克服与上述缺点相关的问题，可在两种异种金属间的中间接头导入中间金属。美国专利公开第2010233501号公开了通过用熔焊法在两种异种金属间的中间位置导入连接器连接两种异种金属的方法。该连接器由第一金属和第二金属形成，其中第一金属和第二金属分别由与将被焊接的异种金属相似的异种金属制成。

虽然许多连接异种金属的方法是已知的，但是需要改善用于令人满意地连接两种异种金属的方法。因此，公开了通过导入双焊条作为中间物，其中双焊条与被焊接金属不相似，用钨极气体保护电弧焊焊接例如钛和不锈钢的两种异种金属的可行性。

发明内容

本发明涉及一种通过具有根部间隙的V形对接接头用钨极气体保护电弧焊连接两种异种基底金属，即钛和不锈钢的方法。在本发明中，两种中间物金属，钒和铝铜，作为双焊条导入在两种异种基底金属间。所述焊条包括：(1)含99.9％的纯钒的钒焊条；和(2)含9％的铝的铝铜焊条。

为了将基底金属焊接在一起，施加焊接电流，使得在钨电极和基底金属部分之间形成电弧焊。当电弧焊形成时，向钛和不锈钢之间存在的间隙提供两根焊条，由此密封钛和不锈钢之间的间隙。钒提供在钛侧，而铝铜提供在不锈钢侧。这样，将实现钛和不锈钢的牢固的焊接件。与钛和不锈钢之间具有单根钒焊条的接头的抗拉强度相比，钛和不锈钢之间具有钒和铝铜双焊条的接头的抗拉强度令人满意。

本发明也公开了用具根部间隙的V形对接接头通过钨极气体保护电弧焊连接钛和碳钢的方法。相似地，两种中间物金属，钒和铝铜作为双焊条导入，从而实现钛和碳钢之间的牢固的焊接件。所述焊条包括：(1)含99.9％的纯钒的钒焊条；和(2)含9％的铝的铝铜焊条。

附图说明

参照附图，通过本发明的非限制性实施方式描述本发明，其中：

图1为表示本发明的焊接采用的V形对接接头设计的示意图；

图2为表示根据本发明的一个实施方式用于焊接Ti Gr.2和不锈钢316L的V形对接接头设计的示意图；

图3示出了根据本发明的另一个实施方式，Ti Gr.2和不锈钢316L的充分焊接；

图4为表示本发明的另一个优选的实施方式中，用于Ti Gr.2和不锈钢316L焊接的V形对接接头设计的示意图；和

图5为显示根据本发明的另一个优选的实施方式中，用于Ti Gr.2和碳钢焊接的V形对接接头设计的示意图。

具体实施方式

提供下列许多具体和可选实施方式的描述，以理解本发明的创造性特征。然而，对本领域技术人员明显的是：本发明可不以这样的具体细节实施。一些细节可不以长篇幅描述，以不使本发明不清楚。为方便引用，当指代附图中共有的相同或相似特征时，所有附图使用共同的附图标记。

本发明提供了一种用V形对接接头的钨极气体保护电弧焊方法，用于连接钛基底金属部分和不锈钢基底金属部分。在本发明的电弧焊方法中，在钛基底金属和不锈钢基底金属之间导入两种中间物焊条，钒和铝铜。该方法提供了这两种异种基底金属之间的牢固的焊接件。

已知钒与钛比与不锈钢具有更好的相容性，所以钒与不锈钢的接触导致脆化中间物的形成，从而使钒与不锈钢间的连接处断裂。此外，钒与铝铜比与不锈钢具有更好的相容性。由于这些冶金学相容性原因，在本发明中，钒焊条将提供在钛基底侧，而铝铜焊条将提供在不锈钢基底侧，同时钒和铝铜将彼此重叠。具有这种构造，将实现牢固的焊接件。

图1显示了根据本发明的一个实施方式，通过使用纯钒丝103和铝铜104的中间物焊条在两种基底金属钛101和不锈钢102之间的钨极气体保护电弧焊采用的V形对接接头设计的示意图。基底金属101和102均在一侧有斜面。基底金属101和102二者之间存在根部间隙105，将钒丝103和铝铜104的中间物双焊条用于密封该根部间隙。由于冶金学相容性，钒丝103提供在钛侧101，同时铝铜104提供在不锈钢侧102。

现将通过焊接商业纯的Ti Gr.2(99％的纯度)和不锈钢316L(62％～72％的铁含量)的两种异种金属进一步描述本发明。

图2显示了通过钨极气体保护电弧焊焊接Ti Gr.2(99％的纯度)201和不锈钢316L(62％～72％的铁含量)202所用的V形对接接头设计的示意图。在本发明的一个实施方式中，Ti Gr.2201尺寸为150×300×10毫米，同时不锈钢316L 202尺寸为150×300×10毫米。直径为2.5毫米的商业纯钒丝(99.9％的纯度)和直径为2.4毫米的铝铜(与～9％的铝形成合金)分别以双焊条203和204一起使用。

焊接前，用丙酮仔细清洗基底金属201、202和双焊条203、204。然后，基底金属201和202在其一侧呈32°至38°的角度范围，最优选35°的斜面。接着，将钒以2.5～3.5毫米的厚度涂布于Ti Gr.2201基底金属的斜面，厚度为2.5～3.5毫米，形成钒涂布的Ti Gr.2205。然后接着，布置钒涂布的Ti Gr.2205与不锈钢316L 202排列，以便使得在钒涂布的Ti Gr.2205与不锈钢316L 202之间提供3.2±1.6毫米的根部间隙206。使用夹钳具固定基底金属202和205，并维保持持基底金属202和205之间的根部间隙206。然后在电弧的钨电极和基底金属202、205之间施用施加焊接电流，形成电弧焊接。接着，将双焊条注入提供至基底金属202和205之间的根部间隙206中，因此密封根部间隙206，并连接使基底金属202和205连接到一起。在焊接过程中，将钒焊条203注入提供至钒涂布Ti Gr.2205侧，并且将铝铜焊条204注入提供至不锈钢202侧。钒涂布的Ti Gr.2205的钒涂布区207阻止了Ti Gr.2201与铝铜焊条204的接触。因为钛与铝的溶解度有限溶解度，所以高度不希望使铝铜焊条204与钒涂布Ti Gr.2205接触是非常不理想的。

在本发明的一个实施例中，在30～120毫米/分钟的移动速度和15～25升/分钟的氩气覆盖气体流量(cover gas flow)下，实施钨极气体保护电弧焊的最佳焊接条件在8～12伏特、86～125安培时获得。

图3显示了根据本发明的一个实施例，在Ti Gr.2201和不锈钢316L 202之间形成的具有10毫米厚度的坚固的焊接体。有5个在焊接中形成的特征区：不锈钢316L区202、铝铜焊条融合区302、钒焊条融合区303、钒涂布区207和Ti Gr.2区201。为测试Ti Gr.2201和不锈钢316L 202之间焊接体301的强度和延展性，进行了拉力试验。取Ti Gr.2201和不锈钢316L 202之间的焊接件301的两个样品T1和T2进行拉力试验。准备的样品T1和T2的详细资料和测试结果在下表中描述。

样品编号	T1	T2
			测定的厚度(mm)	9.49	9.59
测定的宽度(mm)	19.07	19.05
			有效面积(mm2)	180.97	182.69
极限拉伸荷载(KN)	50.96	53.88
			极限拉伸应力(N/mm2)	282	295
断裂位置	预堆边焊处断裂	预堆边焊处断裂
			断裂类型	脆性断裂	脆性断裂

令人满意的抗拉强度从Ti Gr.2201和不锈钢316L 202之间焊接件301获得，并且抗拉强度的值是282MPa。焊接件301的断点出现在钒涂布区207，表明钒涂布区207，而不是融合区302、303或热影响区域，是焊接件301内的最弱点。虽然焊接件301的断点出现在主要仅由钒组成的钒涂布区207，但是焊接件301的抗拉强度(282MPa)大于纯钛自身的抗拉强度(245MPa)。这种情况的出现是因为钒和铝铜形成了在熔池中发现的交叉层305。交叉层305促进焊接件301中的扩散和合金化效应，因此改善了焊接件301的机械性能。

图4显示了根据本发明的另一个实施方式，通过钨极气体保护电弧焊焊接Ti Gr.2(99％纯度)401和不锈钢316L(62％～72％的铁含量)402的V形对接接头设计的示意图。Ti Gr.2401的尺寸为150×300×10毫米，同时不锈钢316L 402的尺寸为150×300×10毫米。两种基底金属401和402在其一侧都有5毫米厚度的部分斜面，基底金属401和402剩余的5毫米的厚度没有斜面。基底金属401和402在焊接前对准，在基底金属401和402之间出现零根部间隙405。在焊接过程中，钒焊条和铝铜403和404提供至基底金属斜面之间的空隙406中。基底金属401和402之间形成了具有5毫米厚度的坚固的焊接件。

图5显示了根据本发明的一个实施方式，为通过使用纯钒丝503和铝铜504的中间物焊条在两种基底金属Ti Gr.2501和碳钢502之间钨极气体保护电弧焊采用的V形对接接头设计的示意图。两种基底金属在其一侧都有斜面，并且将钒涂布于钛基底金属501的斜面，形成钒涂布的钛505。钒涂布的钛505和碳钢502之间存在根部间隙506，其中根部间隙506将用双焊条503和504密封。在焊接过程中，钒焊条503提供至经涂布的钛505侧，并将铝铜焊条504提供至碳钢502侧。钒涂布区507阻止铝铜504与Ti Gr.2501接触。

上述描述说明了本发明的各种实施方式，以及可实施本发明各方面的实施例。虽然已描述和说明了具体的实施方式，但是应理解在不背离本发明的范围的情况下，可对本发明进行许多的改变、修改、变化和组合。上述实施例、实施方式、教导语义和附图不应认为是唯一的实施方式，提出它们用以说明如以下权利要求中限定的本发明的灵活性和优点。

Claims (18)

1.一种使用V形对接接头焊接类型的钨极气体保护电弧焊连接钛基底金属部分和不锈钢基底金属部分的方法，所述方法包括步骤：

(a)施加焊接电流，使得在电弧的钨电极和所述基底金属部分之间形成电弧焊；和

(b)将钒丝和铝铜两种中间物焊条提供至所述电弧焊，使得所述焊条被提供至所述基底金属部分之间的焊接区域，并连接所述基底金属部分，其中所述钒焊条邻近所述钛基底金属部分放置，并且所述铝铜焊条邻近所述不锈钢基底金属部分放置，且所述两种中间物焊条彼此邻近放置。

2.根据权利要求1所述方法，其中在30～120毫米/分钟的移动速度和15～25升/分钟的氩气覆盖气体流量下，焊接条件设置为8～12伏特、86～125安培。

3.根据权利要求1所述方法，其中所述钛基底金属部分包含99wt％的钛，并且所述不锈钢基底金属部分包含62～72％的铁含量。

4.根据权利要求1所述方法，其中所述钒焊条包含99.9％的纯钒，并且所述铝铜焊条包含9％的铝。

5.根据权利要求1所述方法，其中所述钛基底金属部分和所述不锈钢基底金属部分之间的V形对接接头中形成根部间隙，所述根部间隙介于1.6毫米至4.8毫米的范围之间。

6.根据权利要求5所述方法，其中所述根部间隙为3.2毫米。

7.根据权利要求1所述方法，其中两种所述基底金属都在其一侧有32°至38°角度范围的斜面。

8.根据权利要求1所述方法，其中两种所述基底金属都在其一侧有35°角度的斜面。

9.根据权利要求1所述方法，其中在焊接前将钒涂布于钛斜面。

10.根据权利要求9所述方法，其中在所述钛斜面的钒涂布区的厚度是2.5～3.5毫米。

11.根据权利要求1所述方法，其中所述钛基底金属部分和所述不锈钢基底金属部分之间的V形对接接头没有根部间隙。

12.一种连接异种金属的焊条部件，所述焊条包括：

(1)含99.9％的纯钒的钒焊条；和

(2)含9％的铝的铝铜焊条，

所述异种金属包括钛和不锈钢，或者包括钛和碳钢。

13.一种使用V形对接接头焊接类型的钨极气体保护电弧焊连接钛基底金属部分和碳钢基底金属部分的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)施加焊接电流，使得在电弧的钨电极和所述基底金属部分之间形成电弧焊；和

(b)将钒丝和铝铜两种中间物焊条提供至所述电弧焊，使得所述焊条被提供至所述基底金属部分之间的焊接区域，并连接所述基底金属部分，其中所述钒焊条邻近所述钛基底金属部分放置，并且所述铝铜焊条邻近所述碳钢基底金属部分放置，且所述两种中间物焊条彼此邻近放置。

14.根据权利要求13所述方法，其中在30～120毫米/分钟的移动速度和15～25升/分钟的氩气覆盖气体流量下，焊接条件设置为8～12伏特、86～125安培。

15.根据权利要求13所述方法，其中所述钒焊条包含99.9％的纯钒，并且所述铝铜焊条包含9％的铝。

16.根据权利要求13所述方法，其中所述钛基底金属部分和所述碳钢基底金属部分之间的V形对接接头中形成根部间隙，所述根部间隙在1.6毫米至4.8毫米之间。

17.根据权利要求13所述方法，其中两种所述基底金属都在其一侧有32°至38°角度范围的斜面。

18.根据权利要求13所述方法，其中在焊接前将钒涂布于钛斜面。