CN110576263A - 一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法，包括如下步骤：S1、将铜管与钢管上用于连接的接头部位打磨并清洗干净；S2、将焊接粉末送入烘粉炉；S3、将铜管上的接头部位上涂上涂层A；S4、将铜管与钢管需要对接的部位对接装配；S5、将铜管及钢管对接部位进行预热；S6、用激光熔覆设备对铜管与钢管进行焊接。本发明通过激光熔覆焊接，能得到焊接强度较高的焊接接头，母材和焊材熔融冶金结合，其结合性好。在铜管接头处预先涂上一层石墨涂层，以此来减弱铜对激光的强反射效果，从而使焊接部位尽可能多的吸收激光，获得足够的能量，快速使焊材和基材熔化。

Description

一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法
技术领域
本发明涉及金属材料激光焊接领域，具体涉及一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法。
背景技术
铜及铜合金由于其具有的一系列优异性能，被广泛用于电气、化工、机械制造等行业，同时对其优质、高效焊接技术的需求也愈加强烈，铜与钢异种金属间的焊接就是最常见的焊接需求之一。但由于铜的导热性极好，且与钢在物理化学性能上有巨大的差异，常规的焊接方法很难达到好的焊接效果。
钎焊是铜焊接中常用的焊接方法之一。钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接。目前的大多数铜管与不锈钢管接头就是采用钎焊进行焊接的。但是钎焊接头强度较低，焊缝处有较多焊接孔洞，且管道在使用中由于长时间承受巨大压力，在焊接接头处，容易出现渗漏的情况。
发明内容
本发明的目的在于：提供了一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法，解决了现有的铜管和钢管之间的焊接部位强度低、易渗漏、焊接过程及焊接接头质量不稳定等上述技术问题。本发明主要针对较厚的铜或铜合金与钢材进行高强度连接提供一种可靠的焊接方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法，包括如下步骤：
S1、材料准备：将铜管与钢管上用于连接的接头部位打磨并清洗干净；
S2、将焊接粉末送入烘粉炉，在温度50℃～～100℃下保温3h以上；
S3、将铜管上的接头部位上涂上涂层A，所述涂层A的反光率低于铜管的反光率；
S4、将铜管与钢管需要对接的部位对接装配；
S5、将铜管及钢管对接部位进行预热；
S6、用激光熔覆设备对铜管与钢管进行焊接：激光熔覆设备的送粉机构向接头部位处送入焊接粉末，激光熔覆头对接头部位上的焊接粉末进行照射，将基材表面和粉末熔融，形成牢固的冶金结合焊接接头；
S7、将铜管与钢管放入退火炉去应力退火，焊接接头随炉冷却。
进一步地，所述焊接粉末为镍基合金粉末。
进一步地，所述步骤S5中，对铜管及钢管对接部位预热到100℃～260℃。
进一步地，所述步骤S5中，对接头预热到150℃～200℃。
进一步地，所述步骤S5中，采用感应加热装置对接头部位进行局部加热。
进一步地，所述步骤S6中，采用三点载气同步送粉对焊接部位进行送保护气体保护。
进一步地，所述保护气体为氩气。
进一步地，所述步骤S2中，焊接粉在温度70℃～～80℃下保温4h以上。
进一步地，所述涂层A为石墨涂层。
由于采用了本技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法，通过激光熔覆焊接，能得到焊接强度更高的焊接接头，母材和焊材熔融冶金结合，其结合性好；同时，本发明能使钢管和铜管的焊接一次成型，效率提高；
2.本发明一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法，用石墨涂层这类中间过渡涂层，增加了铜对激光的吸收率；由于铜的导热性能优良，在传统的焊接中经常会发生只熔钢材而不熔铜的情况，而将激光焊接应用于铜管焊接上，并通过石墨涂层这类中间过渡涂层降低铜对激光的反射率，以使铜获得足够的激光能量，从而将铜熔融，继而使激光焊接铜与异种金属熔融冶金结合，得到性能优异的焊接部位；另外，由于激光束能量密度高，在焊接的瞬间熔池温度非常高，甚至接近焊接粉末金属蒸发的温度，此时铜材来不及将熔池热量散失并降至铜熔点以下，就被熔池的高温瞬间熔化；熔池的形成主要是由钢部分开始形成，粉末进入熔池后将熔池不断凝固及扩展放大，直致铜材部分，此时铜材瞬间熔化并能瞬间凝固，形成焊缝，整个过程时间极短，约0.1S。
3.本发明一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法，激光焊接能量集中，热影响区小，可以适用于大于1mm厚的薄管焊接并不易发生焊穿现象，相比之下，一般的电弧焊是无法做到的；
4.本发明一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法，相比其它焊接方法，采用激光熔覆方式焊接铜管与钢管具有更高的稳定性，其主要因为焊接过程填充材料为金属粉末，而非焊丝、焊条等，更好保证整个焊缝的一致性；而焊丝、焊条等在焊接过程中依靠的是熔滴进行焊接，熔滴具有断续性，对于铜这种特殊材料的焊接，是非常不稳定的，局部位置具有存在虚焊等缺陷的可能性。
5.本发明一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法，由于铜管、钢管的材料差异性较大，对于焊接填充材料的要求较高，本发明选择了一种Ni、Cr含量高且与铜沁润性良好的镍基合金粉末作为焊材，Ni与铜可以无限互熔，提高了焊缝与铜之间的沁润性、互熔性、结合性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，本说明书附图中的各个部件的比例关系不代表实际选材设计时的比例关系，其仅仅为结构或者位置的示意图，其中：
图1是本发明的流程示意图；
图2是焊缝的一个部位的金相图；
图3是图2的的放大图；
图4是焊缝的另一个部位的金相图；
图5是图4的放大图；
图6是采用本发明所形成的单道焊缝的实物图；
图7是采用本发明焊接完成的实物图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中的“连接”若无特别强调，为常规连接方式，例如一体成形、焊接、铆接等，具体的连接方式根据本技术领域的常规技术知识进行适应性优选地即可。本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1至图7对本发明作详细说明。
实施例1
一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法，包括如下步骤：
S1、材料准备：将铜管与钢管上用于连接的接头部位打磨并清洗干净；
S2、将焊接粉末送入烘粉炉，在温度50℃～～100℃下保温3h以上；
S3、将铜管上的接头部位上涂上石墨涂层；用石墨涂层这类中间过渡涂层，在铜管接头处预先涂上一层石墨涂层，以此来减弱铜对光的强反射效果，增加了铜对激光的吸收率，以使在后续激光熔覆中，焊接部位尽可能多的接收激光，获得足够能量，快速使焊材和基材熔融。除了石墨涂层，还可以采用反射率低于铜的白铁、锡等粉末涂层。
S4、将铜管与钢管需要对接的部位对接装配；
S5、将铜与钢管进行预热处理，以使其之间的接头部位预热到100℃～260℃；此步骤中，由于铜管厚度大，因此需要预热处理；当焊接的铜管厚度小时，可适应性选择不进行预热处理。预热处理主要是为了降低焊接温差、减小焊缝熔池热量的散失、提高铜材的可焊性能。
S6、用激光熔覆设备对铜管与钢管进行焊接：激光熔覆设备的送粉机构向接头部位处送入焊接粉末，激光熔覆头对接头部位上的焊接粉末进行照射，将基材表面和粉末熔融，形成牢固的冶金结合焊接接头；
S7、将铜管与钢管放入退火炉去应力退火，焊接接头随炉冷却。随炉冷却能降低焊缝的冷却速度，防止接头焊接应力大、产生冷裂纹。
进一步地，所述焊接粉末为镍基合金粉末。
进一步地，所述步骤S5中，采用感应加热装置对接头部位进行局部加热。
进一步地，所述步骤S6中，采用三点载气同步送粉方式对焊接部位进行焊材输送，即通过具有一定气压的氩气将粉末从周向三个侧部位输送至激光照射部位。同时保护气吹向熔池，防止焊接部位被氧化，保护气与激光同轴同方向。
进一步地，所述保护气体为氩气。
进一步地，所述步骤S2中，焊接粉在温度70℃～～80℃下保温4h以上。
进一步地，所述步骤S5中，对接头预热到150℃～200℃。
本发明通过激光熔覆焊接，能得到焊接强度更高的焊接接头，母材和焊材熔融冶金结合，其结合性好。同时，本发明能使钢管和铜管的焊接一次成型，效率提高。最重要的是，本发明利用石墨涂层这类中间过渡涂层，减弱铜对光的强反射效果，增加了铜对激光的吸收率。由于铜的导热性能优良，在传统的焊接中经常会发生只熔钢材而不熔铜的情况，而将激光焊接应用于铜管焊接上，并通过石墨涂层这类中间过渡涂层降低铜对激光的反射率，以使铜获得足够的激光能量，从而将铜熔融，继而使激光焊接铜与异种金属熔融冶金结合，得到性能优异的焊接部位。
另外，由于激光束能量密度高，在焊接的瞬间熔池温度非常高，甚至接近焊接粉末金属蒸发的温度，以致铜来不及将热量散失至铜熔点以下就被熔池的高温瞬间熔化。熔池的形成主要是由钢部分开始形成，粉末进入熔池后将熔池不断凝固及扩展放大，直致铜材部分，此时铜材瞬间熔化并能瞬间凝固，形成焊缝，整个过程时间极短，约0.1S。
在异种金属焊接中，采用激光焊接能使能量集中，热影响区小，可以适用于大于1mm厚的薄管焊接并不易发生焊穿现象，相比之下，一般的电弧焊是无法做到的。
并且，相比其它焊接方法，采用激光熔覆方式焊接铜管与钢管具有更高的稳定性，其主要因为焊接过程填充材料为金属粉末，而非焊丝、焊条等，更好保证整个焊缝的一致性；而焊丝、焊条等在焊接过程中依靠的是熔滴进行焊接，熔滴具有断续性，对于铜这种特殊材料的焊接，是非常不稳定的，局部位置具有存在虚焊等缺陷的可能性。
实施例2
本实施例是对实施例1中的步骤S6的焊接参数做出实施说明。
焊接的工艺参数优选地为：激光功率2.8-3.8KW，扫描速度4-8mm/s，送粉量2.5-4.5g/min，光斑直径2-3mm，保护气采用氩气，保护气流量10-20L/min。激光熔覆设备的型号优选地采用METAL+1006，激光熔覆时其参数具体如表1所示：
激光功率(P) 扫描速度 送粉量 保护气流量 光斑直径
2.8-3.8KW 4～8mm/s 2.5-4.5g/min 10-20L/min 2-3mm
表1.激光熔覆工艺参数
实施例3
本实施例是对镍基合金粉末进行具体说明。镍基合金粉末优选地采用HR-Ni-S01粉末。
HR-Ni-S01粉末的成分以质量百分比记，具体如下表所示：
表2.HR-Ni-S01粉末成分表
由于铜管、钢管的材料差异性较大，对于焊接填充材料的要求较高，本发明选择了一种Ni、Cr含量高且与铜沁润性良好的镍基合金粉末作为焊材，Ni与铜可以无限互熔，提高了焊缝与铜之间的沁润性、互熔性、结合性。
实施例4
将实施例1中得到的焊缝进行抛磨并腐蚀，得到的金相图如图2-图5所示。图2和图3为同一个部位不同倍数下的金相图；图4和图5为另一个部位的不同倍数下的金相图。由金相图可知，较之现有的铜管和钢管之间的焊缝来说，采用本发明进行铜管和钢管的焊接得到的焊缝处金相组织致密性更高、晶粒更细小无缺陷，其强度高、结合性好，得到焊接强度更高的焊接接头，母材和焊材熔融冶金结合性良好。
实施例5
本实施例是关于实施例1的一种操作情况的具体实施说明。
S1、进行材料准备，铜管为普通铬锆铜，钢管材料为316L不锈钢，将铜管与钢管连接部位打磨、清洗干净；
S2、将粉末HR-Ni-S01放置烘粉炉，温度75℃，保温4H以上；
S3、将铜管需要进行焊接的部位涂上石墨涂层；
S4、将铜管与钢管连接部位装配好；
S5、进行预热处理，采用感应加热装置对接头部位进行局部加热，预热温度160℃；
S6、采用三点载气同步送粉的工艺方法，在接头处送入HR-Ni-S01粉末进行激光焊接，形成完整无缺陷的焊接接头，工艺参数为：激光功率3850W，扫描速度5mm/s，送粉量3.5g/min，光斑直径2.4mm，保护气采用氩气，保护气流量14L/min；
S7、焊后放入退火炉去应力退火，初始温度300℃；
S8、随炉冷却。
实施例6
本实施例是关于实施例1的另一种操作情况的具体实施说明。
S1、将铜管与钢管连接部位打磨、清洗干净；
S2、将粉末HR-Ni-S01放置烘粉炉，温度80℃，保温4H以上；
S3、将铜管需要进行焊接的部位涂上石墨涂层；
S4、将铜管与钢管连接部位装配好；
S5、进行预热处理，采用感应加热装置对接头部位进行局部加热，预热温度180℃；
S6、采用三点载气同步送粉的工艺方法，在接头处送入HR-Ni-S01粉末进行激光焊接，形成完整无缺陷的焊接接头；工艺参数为：激光功率3250W，扫描速度8mm/s，送粉量3.0g/min，光斑直径2.2mm，保护气采用氩气，保护气流量16L/min；
S7、焊后放入退火炉去应力退火，随炉冷却，初始温度300℃；
S8、随炉冷却。
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、将铜管与钢管上用于连接的接头部位打磨并清洗干净；
S2、将焊接粉末送入烘粉炉，在温度50℃～100℃下保温3h以上；
S3、将铜管上的接头部位上涂上涂层A，所述涂层A的反光率低于铜管的反光率；
S4、将铜管与钢管需要对接的部位进行对接装配；
S5、将铜管及钢管对接部位进行预热；
S6、用激光熔覆设备对铜管与钢管进行焊接：激光熔覆设备的送粉机构向接头部位处送入焊接粉末，激光熔覆头对接头部位上的焊接粉末进行照射，将基材表面和粉末熔融，形成冶金结合焊接接头；
S7、将铜管与钢管放入退火炉去应力退火，焊接接头随炉冷却。
2.根据权利要求1所述的一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法，其特征在于：所述焊接粉末为镍基合金粉末。
3.根据权利要求1所述的一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法，其特征在于：所述步骤S5中，对铜管及钢管对接部位预热到100℃～260℃。
4.根据权利要求3所述的一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法，其特征在于：所述步骤S5中，对接头预热到150℃～200℃。
5.根据权利要求1所述的一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法，其特征在于：所述步骤S5中，采用感应加热装置对接头部位进行局部加热。
6.根据权利要求1所述的一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法，其特征在于：所述步骤S6中，采用三点载气同步送粉对焊接部位进行送保护气体保护。
7.根据权利要求5所述的一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法，其特征在于：所述保护气体为氩气。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法，其特征在于：所述步骤S2中，焊接粉在温度70℃～80℃下保温4h以上。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的一种用于铜管与钢管的异种金属激光熔覆焊接方法，其特征在于：所述涂层A为石墨涂层。
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