CN106001967A - 双层金属复合板对焊焊接方法 - Google Patents

双层金属复合板对焊焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双层金属复合板对焊焊接方法，包括以下步骤：(1)在复层坡口中采用熔化焊形成复层焊缝连接复层金属；(2)在复层焊缝上的基层坡口底部采用喷涂方法制备复层金属焊缝保护涂层作为过渡层；(3)在基层坡口中采用熔化焊接形成基层焊缝连接基层金属层。本发明通过焊缝结构设计与焊接方法相结合，保证焊接过程中不发生复层和基层金属的直接冶金反应，复层和基层金属焊缝中间具有一层复层金属焊缝保护涂层，其作用是后续工艺不会对复层金属焊缝成份引起变化，不会使复层焊缝发生再次熔化。有效避免目前焊接工艺对复层金属焊缝引起复层金属成份的变化，提高双层金属焊接时复层焊缝的抗腐蚀等性能，并保证复层与基层焊缝无缝隙连接。

Description

双层金属复合板对焊焊接方法
技术领域
本发明属于材料加工领域，涉及一种金属复合板的对接焊接方法。
背景技术
金属复合板具有两种材料的综合优势，节约贵重金属材料，实现了低成本基层和高性能复层的完美结合，有着广阔的应用前景。然而由于复层和基层材料的物理化学性质差异大、互溶性差等原因，导致金属复合板采用常规熔焊方法焊接时复层/基层界面附近过渡层焊缝金属组织性能恶化[1-12]，焊接接头性能难以保证，严重限制了双金属复合板在石油天然气、化工及汽车制造等行业的应用。
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发明内容
本发明的目的在于提供一种双层金属复合板对焊焊接方法，该焊接方法可有效避免目前采用焊接工艺对复层金属焊缝引起的成份变化，可以有效提高双层金属焊接时复层/基层界面接合强度并保证复层焊缝的抗腐蚀或导电等性能。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
双层金属复合板对焊焊接方法，包括以下步骤：
(1)在复层坡口中采用熔化焊形成复层焊缝连接复层金属；
(2)在复层焊缝上的基层坡口底部采用喷涂方法制备复层金属焊缝保护涂层作为过渡层；
(3)在基层坡口中采用熔化焊接形成基层焊缝连接基层金属层。
进一步的，双层金属复合板对焊焊接形成的最终焊缝至少包括三层：复层熔化焊缝层、中间熔化或部分熔化过渡层和基层熔化焊缝层；熔化焊连接基层金属时，过渡层发生部分熔化或完全熔化，复层焊缝不发生熔化。
进一步的，复合板复层金属的连接是冶金结合，焊接方法采用激光焊接或氩弧焊接。
进一步的，过渡层采用热喷涂方法制备或冷喷涂方法制备；过渡层的材料为金属、金属合金、金属陶瓷或陶瓷材料。
进一步的，双层金属复合板的复层金属为纯钛、纯铝、钛合金、铝合金或钛为连续相的钛基复合材料。
进一步的，双层金属复合板的基层金属为钢材。
进一步的，过渡层为同质涂层、具有打底层和表面层的不同质涂层或者是梯度过渡涂层。
进一步的，复层金属与作为过渡层的金属保护涂层的结合是机械结合或机械和冶金结合共同起作用。
进一步的，过渡层与基层金属焊缝的结合为冶金结合。
进一步的，复层焊缝表面打磨平整后喷砂，然后再喷涂形成过渡层。
进一步的，双层金属复合板的焊接接口采用以下三种形式之一：
(1)基层采用双坡口结构，下部坡口夹角大于上部坡口结构，复层金属对接不采用坡口设计；
(2)基层和复层均采用V型坡口；
(3)基层采用U型坡口，复层采用V型坡口。
双层金属复合板对焊焊接方法，包括以下步骤：
首先加工双金属复合板对接焊坡口，复层金属对接可以采用V型坡口或不采用坡口设计；基层采用V型、U型或双坡口方案，即下部坡口夹角较大，上部坡口夹角较小，并且下部坡口暴露出复层金属的宽度大于1mm。采用熔化焊接方法连接复合板复层金属；然后采用热喷涂或冷喷涂方法制备复层金属焊缝保护涂层；最后再采用熔化焊方法连接复合板基层金属，在采用熔化焊方法连接复合板基层金属时，保护涂层可以发生部分熔化，但不能使复层焊缝发生再次熔化。
本发明中，焊接接口可以采用以下三种形式：(1)基层采用双坡口方案，下部坡口夹角较大，保证喷涂制备的过渡层与复层焊缝和基层接合良好，上部坡口夹角较小以减少基层焊缝体积、提高焊接效率，复层金属对接不采用坡口设计；(2)基层和复层均采用V型坡口，复层采用V型坡口以保证复层厚度较大时在焊接过程中易焊透；(3)基层采用U型坡口，复层采用V型坡口。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明采用热喷涂或冷喷涂方法制备双层金属复合板对接焊焊缝中的过渡层，采用喷涂方法制备过渡层不会使复层焊缝发生再次熔化，不会引起复层金属焊缝成份的变化。因此，该焊接方法不仅可以有效避免目前采用焊接工艺对复层金属焊缝引起的成份的变化，也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，并保证复层焊缝的抗腐蚀或导电等性能。
附图说明
图1为一种复层为钛或铝基层为钢的双层金属复合板对焊焊缝横截面示意图，基层采用双坡口设计，复层不采用坡口设计；
图2为一种复层为钛或铝基层为钢的双层金属复合板对焊焊缝横截面示意图，基层采用U型坡口，复层采用V型坡口设计；
图3为一种复层为钛或铝基层为钢的双层金属复合板对焊焊缝横截面示意图，基层和复层均采用V型坡口设计。
具体实施方式
实施例1：TA1/Q345双金属复合板对接焊
按照图1所示的双坡口方案加工双金属复合板基层对接焊坡口，基层采用双坡口，双坡口底部露出复层7-9mm，复层不采用坡口；然后将坡口根部的TA1复层上表面的钢全部去除，以保证复层TA1焊缝中不会掺入Q345材料。先采用氩弧焊方法焊接制备复层TA1焊缝，然后在基层采用双坡口中采用冷喷涂方法制备出材质为Fe基合金的复层金属焊缝保护涂层作为过渡层，最后采用气体保护焊方法焊接制备基层Q345焊缝，从而获得完整的具有三明治结构的TA1/Q345双层金属复合板对接焊接头。在TA1复层的氩弧焊焊接过程中采用较小线能量保证仅复层材料TA1发生熔化而基层材料Q345不发生熔化；TA1复层焊接完毕以后将复层焊缝表面打磨平整后喷砂，再采用冷喷涂方法在TA1复层焊缝表面上制备复层焊缝保护层，保护涂层的厚度为2-3mm，以保证气保焊方法焊接制备基层Q345焊缝时仅过渡涂层发生部分熔化而复层TA1及复层焊缝不发生熔化；冷喷涂采用的金属粉末与基层材质具有良好的可焊性，以保证过渡层/基层焊缝界面附近区域材料具有良好的组织性能；基层Q345焊缝填充焊接过程中采用较小的焊接线能量并且层间充分冷却。
实施例2：TA2/235R双金属复合板对接焊
按照图1所示的双坡口方案加工双金属复合板基层对接焊坡口，双坡口底部露出复层3-5mm，然后将坡口根部的TA1复层上表面的钢全部去除，以保证复层TA2焊缝中不会掺入235R材料。先采用激光焊方法焊接制备复层TA2焊缝，然后在基层采用双坡口中采用热喷涂方法制备出材质为FeCrAl的复层金属保护涂层作为过渡层，最后采用氩弧焊的方法焊接制备基层235R焊缝，从而获得完整的TA2/235R双层金属复合板对接焊接头。在TA2复层的激光焊焊接过程中采用低能量输入保证仅复层材料TA2发生熔化而基层材料235R不发生熔化；TA2复层焊接完毕后将复层焊缝表面喷砂；再采用火焰喷涂方法在TA2复层焊缝表面上制备复层焊缝保护涂层，材质为FeCrAl的过渡层厚度为3-4mm，以保证氩弧焊焊接制备基层235R时仅过渡层发生部分熔化而复层TA2材料及复层焊缝不发生熔化；火焰喷涂采用的金属粉末与基层材质具有良好的可焊性，可以采用实例中的FeCrAl，也可以采用与235R可焊性好的金属材料，以保证过渡层/基层焊缝界面附近区域材料具有良好的组织性能；基层235R焊缝填充焊接过程中采用低能量焊接并且层间充分冷却。
实施例3：TA1/X65双金属复合管板对接焊
按照图2所示的坡口方案加工双金属复合板基层对接焊坡口，基层开具U型坡口，U型坡口底部露出复层7-9mm，复层开60度的V型坡口。先采用氩弧焊方法焊接制备复层TA1焊缝，利用氩气保护复层减少氧化，然后在基层开U型坡口中采用电弧喷涂方法制备出材质为金属FeCr合金的过渡层；基层的填充焊接采用两种焊接方法完成，首先采用线能量较小的氩弧焊方法制备厚度约为3mm的焊缝(尽量减少过渡层的熔化量)，然后采用埋弧焊方法完成剩余基层焊缝的填充焊接，从而获得完整TA1/X65双层金属复合板对接焊接头。在TA1复层的氩弧焊焊接过程中采用较小线能量保证仅复层材料TA1发生熔化而基层材料X65不发生熔化；TA1复层焊接完毕后将复层焊缝表面喷砂；再采用电弧喷涂方法在TA1复层焊缝表面上制备过渡层，材质为FeCr合金的过渡层的厚度为3-5mm，基层X65焊缝填充焊接过程中采用较小的焊接线能量并且层间充分冷却。
实施例4：TA2/316L双金属复合板对接焊
按照图1所示的双坡口方案加工双金属复合板基层对接焊坡口，双坡口底部露出复层3-5mm，然后将坡口根部的TA2复层上表面的钢全部去除，以保证复层TA2焊缝中不会掺入316L材料。先采用激光焊方法焊接制备复层TA2焊缝，然后采用冷喷涂方法制备出材质为金属Ni的过渡层，最后采用氩弧焊方法焊接制备基层316L焊缝，从而获得完整的TA1/316L双层金属复合板对接焊接头。在TA2复层的激光焊焊接过程中采用低能量输入保证仅复层材料TA2发生熔化而基层材料316L不发生熔化；TA2复层焊接完毕后将复层焊缝表面打磨平整后喷砂；再采用冷喷涂方法在TA2复层焊缝表面上制备过渡层，材质为金属Ni的过渡层焊缝具有足够的厚度，约为3mm，以保证氩弧焊方法焊接制备基层316L焊缝时仅材质为金属Ni的过渡层发生部分熔化而复层TA2材料不发生熔化；热喷涂采用的金属粉末与基层材质不相同，基层316L焊缝填充焊接过程中采用低能量焊接并且层间充分冷却。
实施例5：TC1/SUS304双金属复合板对接焊
按照图3所示的坡口方案加工双金属复合板基层对接焊坡口，复层和基层均采用60度的V型坡口设计，基层坡口底部需要露出复层宽度约为7-9mm，然后将基层坡口根部的TC4复层上表面的钢全部去除，以保证复层TC4焊缝中不会掺入SUS304材料。先采用氩弧焊方法焊接制备复层TC4焊缝，然后采用冷喷涂方法制备出材质为金属Ni的过渡层，最后采用氩弧焊方法焊接制备基层SUS304焊缝，从而获得完整的具有三明治结构的TC4/SUS304双层金属复合板对接焊接头。
实施例6：铝合金/Q235双金属复合板对接焊
按照图1所示的双坡口方案加工双金属复合板基层对接焊坡口，双坡口底部露出复层7-9mm，然后将坡口根部的TA1复层上表面的钢全部去除，以保证复层铝合金焊缝中不会掺入Q235材料。先采用氩弧焊方法焊接制备复层铝合金焊缝，然后采用电弧喷涂方法制备出材质为FeCr的过渡层，最后采用埋弧焊的方法焊接制备基层Q235焊缝，从而获得完整的具有三明治结构的铝合金/Q235双层金属复合板对接焊接头。在复层铝合金的氩弧焊焊接过程中采用较小线能量保证仅复层材料铝合金发生熔化而基层材料Q235不发生熔化；铝合金复层焊接完毕后将复层焊缝表面打磨平整后喷砂；再采用电弧喷涂方法在铝合金复层焊缝表面上制备过FeCr过渡层，制备基层Q235焊缝时过渡层发生部分熔化而复层铝合金材料不发生熔化；基层Q235焊缝填充焊接过程中采用较小的焊接线能量并且层间充分冷却。
实施例7：纯铝/316不锈钢双金属复合板对接焊
实施例7与实施例6的不同仅为焊接材料的不同。

Claims (10)

1.双层金属复合板对焊焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在复层坡口中采用熔化焊形成复层焊缝连接复层金属；
(2)在复层焊缝上的基层坡口底部采用喷涂方法制备复层金属焊缝保护涂层作为过渡层；
(3)在基层坡口中采用熔化焊接形成基层焊缝连接基层金属层。
2.根据权利要求1所述的双层金属复合板对焊焊接方法，其特征在于，双层金属复合板对焊焊接形成的最终焊缝至少包括三层：复层熔化焊缝层、中间熔化或部分熔化过渡层和基层熔化焊缝层；熔化焊连接基层金属时，过渡层发生部分熔化或完全熔化，复层焊缝不发生熔化。
3.根据权利要求1所述的双层金属复合板对焊焊接方法，其特征在于，复合板复层金属的连接是冶金结合，焊接方法采用激光焊接或氩弧焊接。
4.根据权利要求1所述的双层金属复合板对焊焊接方法，其特征在于，过渡层采用热喷涂方法制备或冷喷涂方法制备；过渡层的材料为金属、金属合金、金属陶瓷或陶瓷材料。
5.根据权利要求1所述的双层金属复合板对焊焊接方法，其特征在于，双层金属复合板的复层金属为纯钛、纯铝、钛合金、铝合金或钛为连续相的钛基复合材料。
6.根据权利要求1所述的双层金属复合板对焊焊接方法，其特征在于，过渡层为同质涂层、具有打底层和表面层的不同质涂层或者是梯度过渡涂层。
7.根据权利要求1所述的双层金属复合板对焊焊接方法，其特征在于，复层金属与作为过渡层的金属保护涂层的结合是机械结合或机械和冶金结合共同起作用。
8.根据权利要求1所述的双层金属复合板对焊焊接方法，其特征在于，过渡层与基层金属焊缝的结合为冶金结合。
9.根据权利要求1所述的双层金属复合板对焊焊接方法，其特征在于，复层焊缝表面打磨平整后喷砂，然后再喷涂形成过渡层。
10.根据权利要求1所述的双层金属复合板对焊焊接方法，其特征在于，双层金属复合板的焊接接口采用以下三种形式之一：
(1)基层采用双坡口结构，下部坡口夹角大于上部坡口结构，复层金属对接不采用坡口设计；
(2)基层和复层均采用V型坡口；
(3)基层采用U型坡口，复层采用V型坡口。
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