CN103537816B - 金属层状复合板的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属层状复合板的焊接方法，其特征在于包括如下步骤：①焊接接头设计；②焊接方法设计：I形坡口、中间钝边和匹配V形条的焊缝坡口采用激光焊接；当V形坡口仅为一层材料时焊缝坡口采用激光电弧复合热源焊接；③制备V型条与选择填充焊丝；④焊接顺序设计：先焊接I形坡口、中间钝边，再焊接V型坡口。与现有技术相比，具有焊缝质量高、焊接缺陷少、易于操作并提高焊接效率的优点。

Description

金属层状复合板的焊接方法
技术领域
本发明涉及一种不同金属层状材料复合成板材的方法，材料加工技术领域。
背景技术
几种不同成分和厚度的铝合金板-铝合金板、镁合金板材-铝合金板之间和镁-镁合金板之间经过某种工艺复合在一起，根据某种需求，制成的金属层状复合板具有许多新特性，如其中的一个表面可以具有非常优秀的抗腐蚀性能或者是具有良好的导电导热性能等等，另外，层状材料相对于均质材料整体具有更高的吸能效果。
采用层状材料制造结构件可以实现明显减重，同时还可以降低贵重材料的使用量，降低制造成本等，但是，金属层状材料由于各层具有不同的物理和冶金性能，因此层状材料的焊接问题就变得异常突出，目前采用常规熔化极氩弧（MIG）和钨极氩弧（TIG），
这类文献可以参考专利号为ZL200510042591.X的中国发明专利《一种镁与铝异种金属件的熔焊方法》授权公告号为CN1326655C)，该专利是在常规钨极氩弧焊（TIG）基础上加电磁脉冲，仍属钨极氩弧焊工艺范畴，这种工艺克服了常规钨极氩弧焊不能焊接镁、铝异种金属缺点，实现了镁、铝异种金属材料的焊接，但焊接质量有待提高，尤其是焊接接头强度较低，一般情况下仅为母材强度的40%左右。
参考专利号为ZL200910019980.9的中国发明专利《一种制备镁与铝异种金属复合板的方法》(授权公告号为CN101518848B)，该专利主要采用扩散焊接工艺完成镁与铝异种金属复合板，这种工艺方法由于受扩散炉尺寸限制仅适合于小尺寸的工件，同时，接头强度仅为铝基母材强度的50%。
还可以参考及申请号为201110151943.0的中国发明专利申请公开《铝镁合金板材的焊接工艺》(申请公布号为CN102225488A)，该专利主要对铝镁合金板进行焊接，铝镁合金实际上为5×××系列的铝合金，属均质铝合金材料，而非层状复合材料；同时，专利所述焊接工艺为熔化极惰性气体保护焊（MIG）,这种工艺不适合焊接金属层状复合板。
但上述焊接工艺很难实现层状材料的焊接，即使勉强焊接，接头的性能非常低，仅为母材强度的40%左右甚至更低，主要是异种材料焊接容易形成夹杂和气孔，并导致焊接裂纹。这就在很大程度上限制了金属层状材料的推广和应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种焊缝质量高、焊接缺陷少、易于操作并提高焊接效率的金属层状复合板的焊接方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种金属层状复合板的焊接方法，其特征在于包括如下步骤：
①焊接接头设计：厚度在2.0mm～22.0mm的金属层状复合板开I形坡口；厚度22.0mm～42.0mm(不包括22.0mm)的金属层状复合板单面或双面开V形坡口，角度20°～60°，中间钝边不大于22.0mm；
②焊接方法设计：I形坡口、中间钝边和匹配V形条的焊缝坡口采用激光焊接；当V形坡口仅为一层材料时焊缝坡口采用激光电弧复合热源焊接；
③制备V型条与选择填充焊丝：V形条是与开V形坡口的母材在层结构和厚度上完全一致的材料，填充焊丝选择与V形坡口母材一致和匹配的焊接材料；
④焊接顺序设计：先焊接I形坡口、中间钝边，再焊接V型坡口。
作为优选，所述的V形条采用线切割和机械加工制得。
进一步，所述的金属层状复合板为铝-铝合金、镁-镁合金或铝-镁合金通过爆炸和轧制复合制作的至少两层的金属材料。
进一步，所述的金属层状复合板厚度在2.0mm～11.0mm时采用单面激光焊接；厚度超过11.0mm均采用双面焊接，设计成I形坡口的采用激光焊接，而设计成V形坡口的采用激光电弧复合热源焊接。进一步，所述的激光焊接还包括对层状材料暴露在外的端头复合层进行激光熔焊。
激光焊接和激光电弧复合热源焊接技术与常规钨极氩弧焊接相比热源更集中，焊接速度更快，可以实现小坡口甚至不开坡口接头的焊接；且由于焊接热输入小，焊接热影响区小，可以获得优良的焊接接头。根据金属层状复合板的结构特点设计焊接接头、制备V型条和选用匹配焊接材料以及有针对性的采用激光、激光电弧焊接工艺是可以实现金属层状复合板的焊接。
与现有技术相比，本发明的优点在于：①通过坡小口设计、合理制定焊接顺序和灵活运用激光与激光电弧复合热源焊接工艺实现了较大厚度金属层状复合板的焊接，接头强度达到母材的60%以上；②与传统的熔化极氩弧焊和钨极氩弧焊接工艺相比金属层状材料采用激光和激光电弧复合热源焊接，由于热源集中，焊接速度快，从而降低了热输入，减少了焊缝热影响区，提高了焊接效率；③设计的V形坡口和通过制备V形条以及选择匹配的焊丝实现了同种材料焊接，防止了异种材料焊接易形成夹杂、裂纹等焊接缺陷的技术难题，焊接内部质量达到Ⅱ级或Ⅱ级以上。本发明克服了金属层状复合板焊缝焊接时容易产生气孔、夹杂、焊接裂纹和未焊透等焊接缺陷，具有焊缝质量高、焊接缺陷少、易于操作并提高焊接效率的优点。
附图说明
图1为实施例1焊接示意图。
图2为图1中A部V形坡口的V型条放大示意图。
图3为图1中B部V形坡口的V型条放大示意图。
图4为实施例2焊接示意图。
图5为实施例3焊接示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1，如图1、图2及图3所示，本实施例为40.0mm厚具有5层的层状复合铝-铝合金材料进行焊接，包括以下步骤：
（1）焊接接头设计：厚度40.0mm具有5层的层状铝-铝合金复合板双面开V形坡口，角度35°，中间钝边20.0mm。（2）焊接方法设计：中间钝边和匹配V形条的焊缝坡口采用激光方法各两道焊接，见图1，其中H1=10mm，H2=20mm，H3=10mm，角度35°，1为第一道焊缝，2为第二道焊缝，3为第三道焊缝，4为第四道焊缝，5为第五道焊缝，6为第六道焊缝。（3）制备V型条：V形条与开V形坡口的母材在层结构（两层）和厚度（10.0mm）上完全一致，制备方法为线切割，见图2和图3。（4）焊接顺序设计：先焊接中间钝边，装上V形条后再焊接外部V型坡口，具体焊接顺序见图1。
实施例2，如图4所示，本实施例为15.0mm厚具有2层的层状复合铝-铝合金材料进行焊接，包括以下步骤：
（1）焊接接头设计：厚度15.0mm具有2层的层状复合铝-铝合金板开I形坡口。（2）焊接方法设计：I形坡口采用激光方法双面各一道焊接。（3）制备V型条与选择填充焊丝：I形坡口无需制备V型条与选择填充焊丝。（4）焊接顺序设计：先焊接其中一面，再焊接另一面，具体焊接顺序见图4，其中，H1=9mm，H2=6mm，1为第一道焊缝，2为第二道焊缝，。
实施例3，如图5所示，本实施例为30.0mm厚具有3层的层状复合铝-镁-铝合金材料进行焊接，包括以下步骤：
（1）焊接接头设计：厚度30.0mm具有3层的层状铝-镁-铝合金复合板单面开V形坡口，角度30°，中间钝边为20.0mm。（2）焊接方法设计：中间钝边采用激光方法两面焊接各一道，V形坡口采用激光电弧复合热源方法焊接一道。（3）选择填充焊丝：填充焊丝选择与V形坡口母材一致和匹配的铝合金焊接材料。（4）焊接顺序设计：先焊接中间钝边，再焊接V型坡口，具体焊接顺序见图5，其中，H1=10mm，H2=8mm，H3=12mm，1为第一道焊缝，2为第二道焊缝，3为第三道焊缝。
对上述三个实施例中的铝-铝合金层状复合板焊缝进行焊后检测，未发现焊接夹杂、裂纹、未焊透等缺陷，焊缝质量达到Ⅱ级或Ⅱ级以上。

Claims (5)

1.一种金属层状复合板的焊接方法，其特征在于包括如下步骤：
①焊接接头设计：厚度在2.0mm～22.0mm的金属层状复合板开I形坡口；厚度大于22.0mm且不超过42.0mm的金属层状复合板单面或双面开V形坡口，角度20°～60°，中间钝边不大于22.0mm；
②焊接方法设计：I形坡口、中间钝边和匹配V形条的焊缝坡口采用激光焊接；当V形坡口仅为一层材料时焊缝坡口采用激光电弧复合热源焊接；
③制备V型条与选择填充焊丝：V形条是与开V形坡口的母材在层结构和厚度上完全一致的材料，填充焊丝选择与V形坡口母材一致和匹配的焊接材料；
④焊接顺序设计：先焊接I形坡口、中间钝边，再焊接V型坡口。
2.根据权利要求1所述的金属层状复合板的焊接方法，其特征在于所述的V形条采用线切割和机械加工制得。
3.根据权利要求1所述的金属层状复合板的焊接方法，其特征在于所述的金属层状复合板为铝-铝合金、镁-镁合金或铝-镁合金通过爆炸和轧制复合制作的至少两层的金属材料。
4.根据权利要求1所述的金属层状复合板的焊接方法，其特征在于所述的金属层状复合板厚度在2.0mm～11.0mm时采用单面激光焊接；厚度超过11.0mm均采用双面焊接，设计成I形坡口的采用激光焊接，而设计成V形坡口的采用激光电弧复合热源焊接。
5.根据权利要求1所述的金属层状复合板的焊接方法，其特征在于所述的激光焊接还包括对层状材料暴露在外的端头复合层进行激光熔焊。
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