CN112756787A - 一种双金属复合管焊接方法及其产品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双金属复合管焊接方法及其产品，属于金属焊接领域，其包括如下步骤：S1将双金属复合板板材两侧待焊接部位自然的切边作为焊接坡口，S2将双金属复合板材逐渐弯曲成管状，形成螺旋缝，或成型为直缝管状，S3使用激光—电弧复合焊接方法在复层面焊接螺旋缝或者直缝，其中，复层覆盖于整个基层之上，复层的耐腐蚀性能优于基层。如上所述方法制备获得的双金属复合管，其复层为不锈钢材质，不锈钢层厚度占整个复合管厚度的5％～25％。本发明的方法能解决当前双金属复合管生产工序复杂、效率低、成本高、焊缝性能或者精度不足的问题。
Description
技术领域
本发明属于金属材料焊接领域，更具体地，涉及一种双金属复合管的焊接方法及其产品。
背景技术
双金属复合材料是通过爆炸焊、轧制等手段在价格相对廉价的金属上覆盖另外一种具有特殊性能金属的材料，在不降低材料使用效果(例如防腐性能、机械强度等)的前提下达到节约资源、降低成本的效果。以不锈钢复合板为例，不锈钢层厚度仅占板厚5％-20％的复合板，价格为整体不锈钢板的1/2～2/3。随着研究的不断深入和生产制造技术的日益成熟，复合板、复合管已成功应用在诸如石油化工和城市建设等领域的金属管道、蒸馏塔、换热器、反应塔、核电站纯水管线、厨房制品、消毒器等产品中，取得了巨大的经济效益，成为行业发展的热点。
当前，双金属复合材料应用面临的主要困难是，表面层和基材之间的成分差异给焊接工艺及质量控制带来不确定性。焊接过程中，基材与复层熔化并完全熔合形成熔池，在凝固后焊缝内复层部分的合金元素被基材稀释，显著降低了复层焊缝的性能。
目前，大量焊接工艺研究结果表明，采用现有焊接工艺已经可以实现双金属材料的焊接，焊接接头的性能也满足工程应用中的要求。例如，公开号为CN106624403A专利公开了一种双金属复合板的焊接方法，其先采用激光焊对基材进行焊接，然后采用电弧焊焊接过渡层，最后采用电弧焊对复层进行焊接，该方法中激光焊光斑尺寸通常小于0.5mm，而大尺寸板材的下料精度以及拼焊装配精度导致实际拼缝间隙通常大于0.5mm，导致其无法满足激光焊接对拼缝间隙的要求，焊缝内部极易出现未焊合缺陷。再如，公开号为CN103878484A专利申请公开了一种层状双金属复合材料高效对接激光焊接方法。按照该专利提出的技术路线，需先开设大尺寸坡口，然后采用激光焊对复层和部分基材组成的I形坡口进行连接焊，再采用电弧焊接对坡口进行多道多层焊填充，最后在焊缝表面焊接盖层。该方法在焊接尺寸较厚的双金属复合材料时，除对焊缝装配间隙有较高的要求外，基材坡口需经过多层多道焊填充，消耗大量的焊接材料，同时造成焊缝热影响区和焊接变形过大，使焊缝性能下降。因此，该方法增加了焊接成本，焊缝性能和焊接效率也不高。上述双金属复合材料各类焊接工艺，存在焊接效率低、接头质量差等缺点，还有如热输入大，合金元素稀释率高等的缺点，不但影响了双金属复合焊管、复合板的生产效率和产品质量，也在一定程度上限制了双金属复合材料的使用与推广。由上可知，双金属复合管的生产主要是采用不锈钢管和普通钢管进行嵌套固定封口的方式生产，生产工序复杂，尺寸精度低，复层和基层结合强度低，容易产生剥离现象。
因此，寻找一种新型、高效的双金属复合管生产方法以显著提高双金属复合管的生产效率和产品质量，对双金属复合板、双金属复合螺旋管的推广应用具有重要的意义和价值。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于，提供一种双金属复合管的焊接方法和产品，旨在解决当前双金属复合管生产工序复杂、效率低、成本高、焊缝性能或者精度不足的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种双金属复合管焊接方法，其包括如下步骤：
S1：将双金属复合板板材两侧待焊接部位自然的切边作为焊接坡口；
S2：将双金属复合板材逐渐弯曲成管状，形成螺旋缝，或成型为直缝管状；
S3：使用激光—电弧复合焊接方法在复层面焊接螺旋缝或者直缝，
其中，复层覆盖于整个基层之上，复层的耐腐蚀性能优于基层。
进一步的，其还包括步骤S4：在复合管为双面复层时，执行完步骤S3后，再在剩余的一个复层面进行盖面焊，完成整个螺旋焊缝或直焊缝的焊接。
进一步的，执行完步骤S2后，形成的螺旋缝或者直缝中，拼缝间隙小于0.3mm，错边小于0.5mm。
进一步的，激光—电弧复合焊接方法中，所选用的焊丝合金元素总含量高于复层中合金元素总含量，从而避免焊缝合金元素被基层稀释而导致复层焊缝耐腐蚀性降低。
进一步的，激光—电弧复合焊接技术为激光—单电弧单丝复合焊、激光—双电弧双丝复合焊或者激光—三电弧三丝复合焊，其中，激光—电弧复合焊接中以激光引导或者电弧引导，激光为摆动激光。
进一步的，盖面焊为激光熔覆、激光-电弧复合焊接、埋弧焊或电弧堆焊。
按照本发明的第二个方面，还提供一种如上所述方法制备获得的双金属复合管。该复合管为不锈钢材质，不锈钢层厚度占整个复合管厚度的5％～25％。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明采用激光-电弧复合焊接工艺对双金属复合材料进行焊接，通过单次工序即可实现复合板的焊接，避免了传统方法焊接复层部分时需采用过渡焊工艺，本发明的方法工序更少，只需要单次焊接就能一步实现复合管的焊接成型，相比多道次焊接才能成型的工艺，本发明复合管焊接方法工程价值极为明显，约可以节省2/3的焊接成本。
2.本发明所采用的激光-电弧复合焊接，由于激光的穿透性强，使得单道焊接即可获得大的熔深，可减少焊接道数和焊接材料用量，避免多层堆焊热量积累带来的热影响区、焊接应力及焊接变形过大等缺点，提高焊缝的性能和焊接效率，降低生产成本。
3.本发明可以实现单面或双面双金属复合材料螺旋管的焊接，还能与其他工艺组合应用，工艺灵活性和应用性比较强。具体的，在焊接双面复合板时，焊缝背面可采用激光-电弧复合焊接、激光熔覆、电弧堆焊或埋弧焊，可显著改善焊缝背面的耐腐蚀能力。
4.通过本发明工艺获得焊缝的拉伸强度和屈服强度可达到母材(即双金属复合材料)的92％以上，延伸率可达到母材(即双金属复合材料)的89％以上，焊缝自腐蚀电流密度与母材(即双金属复合材料)相当，焊缝性能满足工程要求。
附图说明
图1是本发明实施例中激光—电弧复合焊接双金属复合板的示意图；
图2是本发明实施例中双金属复合板激光-电弧复合焊接实物效果图；
图3是本发明实施例中双金属复合管激光-电弧复合焊接结构示意图；
图4是本发明实施例中双金属双层复合管激光-电弧复合焊接示意图。
其中，以上图中，相同的附图标记自始至终表示相同的结构或者部件：
1-复层，2-基层，3-激光，4-电弧焊，5-电弧，6-电弧区熔池，7-激光区熔池，8-激光-电弧复合焊接焊缝，9-盖层焊缝，1-1-第一复层，1-2-第二复层。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出的一种双金属复合管的制造方法，适用螺旋成型或直缝焊管焊接工艺制造，其包括如下步骤：
S1：在双金属复合板的板材两边待焊接部位加工I型坡口，其中，I型坡口即为不开坡口，所属焊缝待焊部位加工成I型坡口后，拼缝间隙小于0.3mm，错边小于0.5mm。
S2：双金属复合板材连续送入螺旋管成型机组，并逐渐弯曲成管状，形成螺旋缝，或通过JCOE成型工艺成型为直缝管状。
S3：使用激光-电弧复合焊接在不锈钢面对复合板焊缝进行焊接，所选用的激光-电弧复合焊接可以是激光-单电弧单丝复合焊，或者激光-双电弧双丝复合焊接和激光-三电弧三丝复合焊接，所用激光-电弧复合焊接中可以是激光引导或者电弧引导，所用激光-电弧复合焊接中激光模式可以为摆动激光，所选用的激光-电弧复合焊接所选用的焊丝合金元素总含量高于不锈钢复层合金元素总含量，避免焊缝合金元素被基层稀释而导致复层焊缝耐腐蚀性降低。
S4：当不锈钢复合板为双面复合时，对焊缝背面进行盖面焊，完成整个螺旋焊缝或直焊缝的焊接。所述焊缝背面盖面所采用的工艺为激光-电弧复合焊接、激光熔覆、电弧堆焊或埋弧焊。
图1是本发明实施例中激光—电弧复合焊接双金属复合板的示意图，由图可知，复合板的复层1整体紧密覆盖贴合在复合板基层2，焊接时，利用激光3的高能量密度特性，穿透基层形成基层熔池，也称为激光区熔池7。激光和电弧焊4的电弧5作用于复层形成复层的电弧区熔池6。激光-电弧焊接过程中，由于电弧能量密度低，电弧作用的熔池内熔化的基层所占比例少，同时通过选用合金元素更高的焊丝，可减少基层对复层合金元素的稀释。
图2是本发明实施例中双金属复合板激光-电弧复合焊接实物效果图，由图可知，其整体焊缝良好，焊缝形貌规则，采用激光电弧复合焊接实现了单面焊双面成型，焊缝电弧区内基层所占比例少，对复层的稀释率低，同时激光区具有很大的深宽比，基层焊缝尺寸小，基层液态金属向上流动较少，从而不会对复层有较强地稀释。通过元素分析，复层焊缝合金元素含量与母材接近，整体焊缝耐腐蚀性也与母材相当。实际上，本发明方法避免了传统方法焊接复层部分时需采用过渡焊工艺，且本发明的方法工序更少，只需要单次焊接就能实现复合管的焊接成型，相比多道次焊接才能成型的工艺，本发明复合管焊接方法工程价值极为明显，约可以节省2/3的焊接成本。
下面通过具体的实施例，进一步阐述本发明方法。
实施例1
本实施例中复合板厚度为复层+基层为6mm+2mm，其中复合板复层1为2mm的304不锈钢，复合板基层2为6mm的Q235钢，焊接坡口为I形，即不人工额外加工坡口。激光-电弧复合焊接采用激光-单电弧复合焊接，焊丝为ER309L。将以上复合板材加工成为复合管。
具体包括如下步骤：
S1：在双金属复合板的板材两边待焊接部位加工I型坡口；
S2：双金属复合板材连续送入螺旋管成型机组，逐渐弯曲成管状，并形成螺旋缝，其中拼缝间隙为小于0.3mm；
S3：使用激光-电弧复合焊接在螺旋管内侧不锈钢面对复合板焊缝进行焊接，形成激光-电弧复合焊接焊缝8，完成整个双金属复合螺旋管的焊接。
图3是本发明实施例中双金属复合管激光-电弧复合焊接结构示意图，如图3所示，其焊接质量较好。其中，激光-电弧复合焊接参数如表1所示：
表1实施例1中所涉及的激光-电弧复合焊接工艺参数范围
实施例2
本实施例中复合板厚度复层+基层+复层为8mm+2mm+2mm，其中，第一复层1-1和第二复层1-2均为2mm的304不锈钢，基层2为8mm的Q235钢，焊接坡口为I形。采用激光-单电弧复合焊接，焊丝为ER309L，盖层激光熔覆所选用的粉末为308L。
具体包括如下步骤：
S1：在双金属复合板的板材两边待焊接部位加工I型坡口；
S2：双金属复合板材连续送入螺旋管成型机组逐渐弯曲成管状，并形成螺旋缝，其中拼缝间隙为小于0.3mm；
S3：使用激光-电弧复合焊接在螺旋管内侧不锈钢面，对复合板焊缝进行焊接，形成激光-电弧复合焊接焊缝8。图4是本发明实施例中双金属双层复合管激光-电弧复合焊接示意图，如图4所示，其焊接质量较好。
其中，激光-电弧复合焊接参数如表1所示：
表2实施例2中所涉及的激光-电弧复合焊接工艺参数范围
S4：激光-电弧复合焊接完成后，在螺旋管外侧采用激光熔覆工艺，对焊缝背面进行盖面，形成盖层焊缝9，盖层高度略高于工件表面，其中盖层熔覆参数参见表2，完成整个双金属螺旋管的焊接。
表3实施例3中所涉及的激光-电弧复合焊接工艺参数范围
实施例3
本实施例中复合板厚度为(10+2)mm，其中，复合板复层1为2mm的304不锈钢，复合板基层2为6mm的Q235钢，焊接坡口为I形。激光-电弧复合焊接采用激光-单电弧复合焊接装置，焊丝为ER309L，
具体包括如下步骤：
S1：在双金属复合板的板材两边待焊接部位加工I型坡口；
S2：双金属复合板材通过JCOE成型工艺成型为直缝管状并形成螺旋缝，其中拼缝间隙为小于0.4mm；
S3：使用激光-双电弧复合焊接在螺旋管内侧不锈钢面对复合板焊缝进行焊接，形成激光-电弧复合焊接焊缝8，完成整个双金属复合螺旋管的焊接。其中，激光-电弧复合焊接参数如表4所示。
表4
本发明中，利用激光的高能量密度特性，穿透基层形成基层熔池，电弧和激光共同作用于复层形成复层熔池，熔池冷却之后形成双金属复合材料的激光-电弧复合焊缝。复合焊接过程中，由于电弧能量密度低，电弧作用的熔池内熔化的基层所占比例少，同时通过选用合金元素更高的焊丝，减少基层对复层合金元素的稀释，确保复层合金元素含量。本发明优点在于单次工序实现复层和基层连接，解决当前双金属复合管生产工序复杂、效率低的难题，避免了多层多道堆焊热量积累导致热影响区、焊接应力及焊接变形过大的缺点。
本发明中，激光和电弧复合作用，各自的作用不同，其中，激光主要用于实现焊缝链接，电弧不仅用于焊接，还用于调控成分。本发明方法中电弧采用冷金属过渡工艺，极低的热输入下实现熔滴过渡，减少电弧对熔池的搅动作用，才能保证能成功焊接双层金属。本发明焊接方法中，需要控制复层熔池的稀释率，其措施为：使用合金元素更高的焊丝，采用冷金属过渡技术，通过控制电弧的熔深，减小激光电弧复合焊接中电弧区内基层所占比例，减少基层对复层合金元素的稀释。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种双金属复合管焊接方法，其特征在于，其包括如下步骤：
S1：将双金属复合板板材两侧待焊接部位自然的切边作为焊接坡口；
S2：将双金属复合板材逐渐弯曲成管状，形成螺旋缝，或成型为直缝管状；
S3：使用激光—电弧复合焊接方法在复层面焊接螺旋缝或者直缝，
其中，复层覆盖于整个基层之上，复层的耐腐蚀性能优于基层。
2.如权利要求1所述的一种双金属复合管焊接方法，其特征在于，其还包括步骤S4：在复合管为双面复层时，执行完步骤S3后，再在剩余的一个复层面进行盖面焊，完成整个螺旋焊缝或直焊缝的焊接。
3.如权利要求2所述的一种双金属复合管焊接方法，其特征在于，执行完步骤S2后，形成的螺旋缝或者直缝中，拼缝间隙小于0.3mm，错边小于0.5mm。
4.如权利要求3所述的一种双金属复合管焊接方法，其特征在于，激光—电弧复合焊接方法中，所选用的焊丝合金元素总含量高于复层中合金元素总含量，从而避免焊缝合金元素被基层稀释而导致复层焊缝耐腐蚀性降低。
5.如权利要求4所述的一种双金属复合管焊接方法，其特征在于，激光—电弧复合焊接技术为激光—单电弧单丝复合焊、激光—双电弧双丝复合焊或者激光—三电弧三丝复合焊，其中，激光—电弧复合焊接中以激光引导或者电弧引导，激光可以固定位置直射，或者通过外界机构实现摆动。
6.如权利要求5所述的一种双金属复合管焊接方法，其特征在于，盖面焊为激光熔覆、激光-电弧复合焊接、埋弧焊或电弧堆焊。
7.如权利要求1-6之一所述方法制备获得的双金属复合管。
8.如权利要求7所述的双金属复合管，其特征在于，其复层为不锈钢材质，复层位于管体的内壁或/和外壁，不锈钢层厚度占整个复合管厚度的5％～25％。
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