CN113182647B - 一种用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接技术领域，具体公开一种用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法。所述双丝熔化极气体保护焊焊接方法，首先，设计两种焊丝的类型、成分及含量，制备两种焊丝；其次，设计坡口形式和尺寸；再次，将两根焊丝进行空间位置排列，每根焊丝分别位于匹配的母材一侧；最后，设定双丝焊焊接模式和焊接工艺参数，实施双丝焊接，形成分区复合焊缝。本发明提供的焊接方法，焊接工艺简单，焊接效率高，成本低，焊丝设计和开发容易，热输入调节范围大且精确可控，避免热影响区晶粒粗大，避免形成脆性金属间化合物，焊接应力和变形小，焊缝内部质量优良，无气孔、裂纹、夹渣等缺陷，焊接接头组织和性能调控容易，焊接接头综合性能好。

Description

一种用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法。

背景技术

随着工业的迅速发展和科学技术的飞跃进步，金属材料得到越来越多的应用，然而，在很多情况下，任何一种金属材料都很难完全满足使用要求，即使满足要求，也常因为价格昂贵得不到广泛的应用，为了满足这一需求，兼有多种金属优点的异种金属的组合连接结构被大量采用，不同金属材料的连接组合不仅能够满足不同工作条件对材质提出的不同要求，充分发挥不同材料的性能优势，而且还能降低贵重金属的消耗，降低结构整体制造成本，从而进一步提高经济效益。因此，异种金属制成的结构在机械、化工、电力、核工业及航空航天等行业得到广泛应用。

为能充分发挥异种金属材料各自的良好性能，将异种金属可靠的连接起来是非常重要的，常见地连接方法有粘接、机械连接(包括铆接及螺栓连接)和焊接。使用粘接方法得到的接头强度极其有限，仅能满足对接头强度要求较低的应用场合；采用机械连接方法获得的接头的强度较高，但接头气密性差，并且接头难以满足表面要求较高的工件；焊接作为异种金属材料的连接方法，获得了广泛的应用，但是仍存在许多问题有待解决，目前采用的异种金属连接方法涉及了熔化焊、钎焊、压焊及熔钎焊等主要焊接方法。

由于异种金属在物理性能、化学性能等方面有显著差异，与同种金属材料的焊接相比，异种金属材料的焊接无论从焊接机理和操作技术上都比同种材料要复杂得多，异种金属连接存在问题的主要原因如下：

(1)异种金属的熔点和沸点的差异

异种金属的熔点和沸点相差越大，越难进行焊接，熔点、沸点低的金属达到熔化状态时，熔点高的金属仍呈固态，当熔点、沸点高的金属熔化时，就会造成熔点低的金属元素烧损或蒸发，造成金属流失，使得难以熔合形成焊接接头。

(2)异种金属的线膨胀系数差异

异种金属的线膨胀系数相差越大，越难进行焊接。线膨胀系数大的金属加热时膨胀大，冷却时收缩也大，在熔池结晶时会产生很大焊接应力，引起较大的焊接变形。由于焊缝两侧金属承受的应力状态不同，所以易使焊缝及热影响区产生裂纹，甚至导致焊缝与母材剥离。

(3)异种金属的热导率和比热容差异

异种金属的热导率和比热容相差越大，会引起热输入不平衡，越难进行焊接。金属的热导率和比热容差异会使焊缝的结晶条件变化，晶粒严重粗化，并影响难熔金属的润湿性能，降低焊接接头的质量。

(4)异种金属的化学相容性

异种金属之间能否进行焊接，取决于这两种金属的化学相容性。若异种金属在液态和固态能无限制地溶解，形成无限固溶体，那么这两种金属化学相容性好，因为形成的固溶体塑性和韧性好，该异种金属焊接性好，焊接接头综合力学性能好；如果只能有限地溶解，形成有限固溶体，当有限固溶体的溶质超过了溶解度，或者从该固溶体中析出另一种固溶体，形成两相混合物，或者从该固溶体中析出金属间化合物，金属间化合物的性质硬而脆，会引起接头塑性和韧性下降。

因此，合金元素之间可能发生不同的相互作用，或相互溶解形成固溶体，或相互反应形成金属间化合物，或互溶和反应兼有，形成混合物或其他复杂组织。对焊接而言，无限固溶的异种金属之间具有很好的相容性，有限固溶的异种金属相容性变差，完全形成金属间化合物的异种金属相容性最差，随着形成金属间化合物的数量增加，焊接性越来越差。

总之，异种金属材料的焊接性主要取决于两种材料的化学相容性及物理性能等，物理性能差异越大，化学相容性越差，焊接性就越差。

为了解决大量的异种金属的焊接问题，人们通过对焊接方法、焊接工艺和焊接材料的改进来提高异种金属的连接质量和性能。异种金属焊接主要采用的熔焊方法有电弧焊、电子束焊、激光焊、等离子弧焊等。采用电弧焊、等离子弧焊等传统熔化焊时，由于热输入较大，难以克服异种材料连接的诸多难题，焊缝质量不佳，有气孔、裂纹等缺陷，尤其是难以抑制脆性金属间化合物的生成。采用能量密度集中的电子束焊及激光焊时，由于温度高，焊缝窄而深，热影响区小，熔合比小，热输入易于控制，冷却速度快，适用于异种难熔材料和稀有金属的焊接，然而，电子束焊及激光焊的焊接成本较高，工艺要求较高，对于化学相容性差的金属，常加入箔片作为过渡金属或者加入填充金属，依旧不能完全抑制金属间化合物的生成，影响了接头质量，尤其对于具有低熔点材料的异种金属，由于蒸发大，难以实现焊接。

压焊方法可以减小高温对金属的有害影响，提高了异种金属的焊接质量，扩大了异种金属的应用范围。其中冷压焊、超声波焊、扩散焊等方法接缝处温度低，不易产生金属间化合物，这对异种金属焊接有利。采用冷压焊，金属变形较大，适于异种有色金属和熔点较低、塑性较好的异种稀有金属的焊接；扩散焊的主要特点是在真空室内，在一定的压力下加热而完成异种材料之间的焊接，焊接效率低，焊接成本高，焊接位置和工件尺寸受限；超声波焊适用于有色金属和稀有金属的焊接，主要用于电子工业器件。采用普通摩擦焊进行异种金属焊接，结构形式受限，搅拌摩擦焊对异种有色金属焊接有独特的优势，但是对于接头的形式要求苛刻，一般仅适合板材的焊接，对化学相容性差的金属，脆性化合物难以完全避免。

采用钎焊的方法可以实现化学相容性好的异种金属的连接，但是钎焊存在效率低、钎缝金属晶粒粗大、钎焊接头疲劳强度低以及耐热性差等问题。采用熔-钎焊是为了解决异种金属间相容性差、易生成金属间化合物的难题，对难焊接的金属采取钎焊，而对易焊接的金属采取熔焊，或者对低熔点金属采取熔焊、高熔点金属采取钎焊，但是，该工艺复杂，工艺参数需要精确控制，形成的接头强度较低。

为了获得优质的异种材料焊接接头，采取了如下各种复杂的工艺措施：

①控制热输入，尽量缩短被焊材料在液态下停留的时间，使其在较低的温度下焊接或缩短加热时间，使热源更多地向熔点高的工件输热来调节加热和接触时间，从而减少金属间化合物的生成。

②焊接时要加强被焊材料保护，防止或减少周围空气的侵入。

③采用与两种被焊金属都具有较好相容性的中间过渡层，以防止生成金属间化合物。

④焊缝中加入某些合金元素，以阻止金属间化合物的产生和增长。

⑤堆焊过渡层(隔离层)，在金属A的坡口表面上先堆焊一层中间合金，然后用与中间合金和金属B物理性能相近、化学相容性好的填充金属再把中间合金与金属B连接起来，堆焊时尽量减小熔深或增加堆焊层次，使过渡层表面稀释减少。

采取以上这些工艺措施时，能够减少金属间化合物生成，提高焊缝内部质量，改善接头性能，但是存在焊接工艺复杂，焊接效率低，焊接成本高，焊接操作复杂等问题。

焊接异种材料时，焊接材料的选择也很关键，一般焊接材料选择原则如下：

①形成的焊缝组织和性能保持稳定，满足焊接接头的使用性能，即保证焊缝金属与基体金属具有良好的综合性能，在使用条件下不会产生脆性相、热裂纹和冷裂纹等。

②焊接接头应具有与母材相适应的物理性能，保证焊缝金属具有所要求的综合性能，包括热强性、耐热性、耐腐蚀性和耐磨性等，也能降低焊接应力。

③焊接材料有良好的工艺性，即焊接材料能够适应各种空间位置的焊接，且能适应交直流焊接电源，并保证一定的生产效率。

因此，异种金属焊接时，对焊接材料要求苛刻，在实际选材时，往往难以找到匹配的焊接材料，往往需要开发新的焊接材料，这极大的增加了焊接难度和焊接成本。

综上所述，异种金属的连接对焊接方法、焊接工艺及焊接材料都有较高的要求，异种金属焊接工艺复杂，焊接效率低，成本高，容易产生金属间化合物，焊缝成形不佳，存在较大的焊接应力，容易产生气孔、裂纹等缺陷，焊接接头的组织调控难度大，综合性能不佳。产生这一系列焊接问题的根源是异种金属的物理性能差异大和化学相容性差，为了解决这些焊接问题，必须将焊缝进行分区控制，不同的区域具有不同的成分和结构，起到不同的作用，为了制备成分和结构复杂的分区复合焊缝，相应的需要把先进的焊接方法、焊接新材料和创新的焊接工艺有机组合，形成新的焊接技术。

发明内容

针对异种金属连接时的焊接方法存在焊接工艺复杂，焊接效率低，成本高，对焊接材料要求高，焊接材料设计和开发难度大，热输入控制难度大，容易产生脆性金属间化合物，热影响区晶粒粗大，焊缝成形不佳，存在较大的焊接应力和变形，容易产生气孔、裂纹、夹渣等缺陷，焊接接头的组织和性能调控难度大，综合性能差等问题，本发明提出了一种用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法。

为达到上述发明目的，本发明是采用如下技术方案实现的：

一种用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法，包括以下步骤：

(1)根据需要连接的异种金属的物理化学性能特点，设计两种焊丝的类型、成分及含量，并制备两种焊丝；

(2)根据需要连接的异种金属及要使用的两种焊丝的的物理化学性能特点，设计坡口形式和尺寸，加工并清理坡口；

(3)两种焊丝都配有独立的弧焊电源和送丝机构，两种焊丝分别通过各自配有的送丝机构送丝，最后从两个导电嘴输出两根焊丝，将两根焊丝进行空间位置排列，每根焊丝分别位于匹配的金属母材一侧，在平行于焊接方向上，两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距可调节，以及每根焊丝轴线延伸线与母材平面的夹角可调节，在垂直于焊接方向，两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距可调节，以及每根焊丝轴线延伸线与母材平面的夹角可调节；

(4)设定双丝熔化极气体保护焊焊接模式和焊接工艺参数，启动焊接供气系统和焊接设备，实施双丝熔化极气体保护焊焊接，双丝和母材熔化混合后形成一个分区复合熔池，熔池凝固后形成分区复合焊缝。

一种用于异种金属连接的双丝气体保护焊焊接方法的基本原理如下：

首先，设计两种焊丝，将焊丝成分分解，从而满足分区复合焊缝的成分、含量、结构和性能要求。根据需要连接的异种金属的物理化学性能特点，并考虑要设计的两种焊丝的物理化学性能特点，设计两种焊丝，要求设计的两种焊丝与各自对应的母材的化学相容性好及物理性能差异小，同时，两种焊丝间的化学相容性好及物理性能差异小，以便于解决物理性能差异大和化学相容性差所导致的焊接问题，采用设计的两种焊丝，焊接后形成分区复合焊缝，该分区复合焊缝包括临近两侧母材的两个隔离区和位于两个隔离区之间的中心混合区，形成的两个隔离区分别与各自相邻的母材区具有较好的化学相容性，两个隔离区分别与各自相邻的母材区的物理性能差异小于两个母材区之间的物理性能差异，同时，两个隔离区金属之间具有较好的化学相容性，混合区的成分含量介于两个隔离区成分含量之间，从而，采用设计的两种焊丝，形成的分区复合焊缝各区的结构以综合性能优良的固溶体结构为主，避免脆性的金属间化合物的生成。因此，通过设计两种焊丝，便于实现焊缝各区的成分、含量和结构调控，使焊缝各区综合性能优良。如果采用单丝焊接，焊丝熔化过渡到熔池后无法实现成分的分离，进而无法实现焊缝的成分和微观结构的分区，采用两种焊丝焊接，能够将成分进行分解，两根焊丝分别靠近各自的母材，在两根焊丝端部和各自靠近的底部母材产生两个电弧，用于熔化焊丝和母材，熔化后形成两个小熔池，两个小熔池部分有重叠，混合后形成重叠熔池，靠近两个母材的部分熔池凝固后形成两个隔离区，中间部分的重叠熔池凝固后形成中心混合区，从而满足分区复合焊缝的成分、含量和结构要求。两种焊丝为一套有机组合的焊丝，两种焊丝需要共同使用才能解决物理性能差异大和化学相容性差所导致的焊接问题，由于将成分进行分解设计，使得两种焊丝的设计和开发容易，能够实现焊缝各区的成分和结构调控，使焊缝各区综合性能优良。

其次，设计的坡口形式和尺寸要充分考虑需要连接的异种金属及要使用的两种焊丝的物理化学性能特点，使得形成的焊接接头的物理性能在垂直于焊缝方向形成缓和的梯度过渡，避免物理性能突变，从而能够减小焊接应力及变形，有利于熔池的凝固结晶，使得形成的隔离区能够避免化学相容性差的两种母材金属接触，避免形成金属间化合物。

再次，对双丝进行空间位置排列，使得产生的两个电弧处于合适的空间位置，形成稳定的分区复合熔池，满足复杂的分区复合焊缝制备需求。采用双丝电弧焊接时，在焊丝端部和底部母材之间产生电弧，由于每根焊丝端部的温度受到焊丝电极的熔点和沸点限制，使得不同种类的焊丝端部的温度不同，高熔点、高沸点的焊丝端部温度高，低熔点、低沸点的焊丝端部温度低，同理，母材的温度也受到母材的熔点和沸点限制，高熔点、高沸点的母材温度高，低熔点、低沸点的母材温度低，这样，形成温度分布及能量密度不同的两个电弧，通过对双丝进行空间位置排列，使得产生的两个电弧处于合适的空间位置，避免电弧间的电磁干扰，两个相对独立的电弧分别用来熔化对应的焊丝和母材，这样能够确保焊接过程稳定，形成稳定的分区复合熔池，合理控制焊缝及两侧母材的热输入，使得焊缝成形良好，从而实现分区复合焊缝的制备。

最后，对热输入进行分区精确控制，从而实现分区复合焊缝各区及热影响区的组织和性能综合调控，降低焊接应力和减少变形，使得焊缝内部质量和焊接接头的综合性能优良。根据需要连接的异种金属及采用的双丝的物理化学性能特点，采用合适的焊接模式及焊接工艺参数，从而能够进一步精确控制焊缝各区及热影响区的热输入，对分区复合焊缝各区及热影响区的组织和性能进行综合调控，降低应力和减少变形，焊缝内部质量好，无气孔、裂纹、夹渣等缺陷，使得异种焊接接头综合性能好。

采用本方法解决由于物理性能的差异大和化学相容性差所导致的的各种焊接问题的具体连接原理分述如下：

(一)熔点、沸点差异大的异种金属连接原理

对于熔点、沸点差异大的异种金属连接，首先，设计的两种焊丝的熔点和沸点差异以及两种焊丝与各自对应的两种母材的熔点和沸点差异要小于两种被焊母材的熔点和沸点差异，由于两个电弧的阴极和阳极的温度取决于焊丝和母材的熔点和沸点，因此，产生的两个电弧的温度分布及能量密度不同，分别自适应两根焊丝和两个母材的熔点和沸点；其次，根据需要连接的异种金属及要采用的两种焊丝的熔点、沸点差异，设计合适的坡口形式和尺寸，然后设置两根焊丝的空间位置，确保两个电弧热源有一定合适距离，避免电弧由于热量的传递导致的电弧温度及能量密度的变化，对焊丝和母材熔化产生不利影响；最后，采用合适的焊接模式和焊接工艺，进一步控制热输入，精确控制焊丝和母材熔化，双丝焊中两根焊丝由单独的焊接电源供电，焊接模式和焊接工艺参数能够独立调控，可对热输入大的脉冲模式和热输入小的CMT(冷金属过渡)模式进行最优组合，如对于低熔点母材，可以采用低热输入CMT焊接模式，并且采用低热输入焊接工艺参数，对于高熔点母材，可以采用高热输入脉冲焊接模式，并且采用高热输入焊接工艺参数。通过以上焊丝的设计、焊丝空间位置的排列及焊接模式的选择和焊接工艺的优化，实现对不同的母材施加不同的热输入，这样能够避免低熔点、低沸点母材过多烧损和蒸发，高熔点、高沸点的母材难以熔化或熔化不良，同时，由于选择的两种焊丝的熔点、沸点差异缩小，形成的熔池的熔点、沸点物理性能介于两个母材之间，能够使得形成的分区复合焊缝成形良好，此外，热输入的合理精确控制也能降低焊接应力和减小变形。

(二)线膨胀系数差异大的异种金属连接原理

对于线膨胀系数差异大的异种金属连接，首先，设计的两种焊丝的线膨胀系数差异及两种焊丝与各自对应的两种母材的线膨胀系数差异要小于两种被焊母材间的线膨胀系数差异；其次，根据需要连接的异种金属及要采用的两种焊丝的线膨胀系数差异，设计合适的坡口形式和尺寸，然后合理设置两根焊丝的空间位置，使得制备的焊接接头的线膨胀系数在垂直于焊缝方向形成平缓的梯度过渡，避免线膨胀系数突变导致较大的焊接应力和变形；最后，采用合适的焊接模式及焊接工艺参数，对线膨胀系数大的母材一侧，采用较低热输入的焊接模式和焊接工艺，对线膨胀系数小的母材一侧，采用较高热输入的焊接模式和焊接工艺，从而控制热影响区的大小及减小压缩塑变区的范围，进一步降低焊接应力和减小变形。

(三)热导率差异大的异种金属连接原理

对于热导率差异大的异种金属连接，首先，设计的两种焊丝的热导率差异及两种焊丝与各自对应的两种母材的热导率差异要小于两种被焊母材间的热导率差异；其次，根据需要连接的异种金属及要采用的两种焊丝的热导率差异，设计合适的坡口形式和尺寸，合理设置两根焊丝的空间位置，使得制备的焊接接头的热导率在垂直于焊缝方向形成平缓的梯度过渡；最后，采用合适的焊接模式及焊接工艺参数，对热导率大的母材一侧，采用较高热输入的焊接模式和焊接工艺，对热导率小的母材一侧，采用较低热输入的焊接模式和焊接工艺，从而控制两侧母材及焊缝的温度分布，避免热影响区晶粒粗化，改善熔池的凝固结晶条件，提高焊接接头的质量。

(四)比热容差异大的异种金属连接原理

对于比热容差异大的异种金属连接，首先，设计的两种焊丝的比热容差异及两种焊丝与各自对应的两种母材的比热容差异要小于两种被焊母材间的比热容差异；其次，根据需要连接的异种金属及要采用的两种焊丝的比热容差异，设计合适的坡口形式和尺寸，合理设置两根焊丝的空间位置，使得制备的焊接接头的比热容在垂直于焊缝方向形成平缓的梯度过渡；最后，采用合适的焊接模式及焊接工艺参数，对于比热容大的母材一侧，采用较高热输入的焊接模式和焊接工艺，对于比热容小的母材一侧，采用较高热输入的焊接模式和焊接工艺，从而控制两侧母材及焊缝的温度分布，避免热影响区晶粒粗化，改善熔池的凝固结晶条件，提高焊接接头的质量。

(五)化学相容性差的异种金属连接原理

对于化学相容性差的异种金属连接时，首先，设计的两种焊丝与各自对应的一侧母材的的化学相容性好，同时，两种焊丝的化学相容性好；其次，根据需要连接的异种金属及要采用的两种焊丝的化学性能特点，设计合适的坡口形式和尺寸，合理设置两根焊丝的空间位置，使得焊接时的熔池形成分区复合熔池，凝固后形成分区复合焊缝，形成的两个隔离区将化学相容性差的两种母材金属元素隔离，避免焊缝隔离区和混合区形成金属间化合物；最后，采用合适的焊接模式及焊接工艺参数，控制两侧母材的熔化量和焊缝的形状，调节焊缝各个区的成分、含量和组织结构，从而提高焊缝的综合性能。

相对于现有技术，本发明提供的用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法的有益效果是，能够解决由于熔点、沸点、线膨胀系数、热导率或比热容等物理性能差异大和在化学性能上相容性差所导致的异种金属连接问题，焊接工艺简单，焊接效率高，焊接成本低，由于采用两种焊丝配合使用，将焊丝成分分解，使得焊丝设计和开发容易，热输入调节范围大且精确可控，避免热影响区晶粒粗大，避免形成脆性金属间化合物，焊接应力和变形小，焊缝内部质量优良，无气孔、裂纹、夹渣等缺陷，焊缝成形好，焊接接头组织和性能调控容易，焊接接头综合性能好。

附图说明

图1是用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接的双丝空间排列位置图，其中，1为焊丝1末端在母材平面上的投影点，2为焊丝2末端在母材平面上的投影点，3为焊丝1轴线延伸线与母材平面的交点，4为焊丝2轴线延伸线与母材平面的交点，5为垂直于焊接方向上焊丝1轴线延伸线与母材平面的夹角，6为垂直于焊接方向上焊丝2轴线延伸线与母材平面的夹角，7为平行于焊接方向上焊丝1轴线延伸线与母材平面的夹角，8为平行于焊接方向上焊丝2轴线延伸线与母材平面的夹角，9为平行于焊接方向上两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距，10为垂直于焊接方向上两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距，11为焊丝1，12为焊丝2，13为母材1，14为母材2，15为根部间隙，16为焊接方向。

图2是分区复合焊缝设计图，其中，1为母材1，2为母材2，3为混合区，4为隔离区1，5为隔离区2。

图3是实施例1的坡口设计图，其中，1为T3纯铜母材，2为Ni200纯镍母材，3为T3纯铜母材的坡口角度，4为Ni200纯镍母材的坡口角度，5为钝边高度，6为根部间隙，7为母材厚度。

图4是实施例2的坡口设计图，其中，1为TA2纯钛母材，2为Ta1纯钽母材，3为TA2纯钛母材的坡口圆弧半径，4为Ta1纯钽母材的矩形坡口宽度，5为钝边高度，6为根部间隙，7为母材厚度。

图5是实施例3的坡口设计图，其中，1为304不锈钢母材，2为T2纯铜母材，3为304不锈钢母材的坡口角度，4为T2纯铜母材的坡口圆弧半径，5为钝边高度，6为根部间隙，7为母材厚度。

图6是实施例4的坡口设计图，其中，1为BH2铌合金母材，2为1Cr18Ni9Ti不锈钢母材，3为BH2铌合金母材的矩形坡口宽度，4为1Cr18Ni9Ti不锈钢母材的矩形坡口宽度，5为钝边高度，6为根部间隙，7为母材厚度。

图7是实施例5的坡口设计图，其中，1为TC4钛合金母材，2为316L不锈钢母材，3为TC4钛合金母材的坡口圆弧半径，4为316L不锈钢母材的坡口圆弧半径，5为钝边高度，6为根部间隙，7为母材厚度。

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。

本发明实施例提供一种用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法。该方法包括以下步骤：

(1)根据需要连接的异种金属的物理化学性能特点，设计两种焊丝的类型、成分及含量，并制备两种焊丝；

(2)根据需要连接的异种金属及要使用的两种焊丝的的物理化学性能特点，设计坡口形式和尺寸，加工并清理坡口；

(3)两种焊丝都配有独立的弧焊电源和送丝机构，两种焊丝分别通过各自配有的送丝机构送丝，最后从两个导电嘴输出两根焊丝，将两根焊丝进行空间位置排列，每根焊丝分别位于匹配的金属母材一侧，在平行于焊接方向上，两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距可调节，以及每根焊丝轴线延伸线与母材平面的夹角可调节，在垂直于焊接方向，两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距可调节，以及每根焊丝轴线延伸线与母材平面的夹角可调节；

(4)设定双丝熔化极气体保护焊焊接模式和焊接工艺参数，启动焊接供气系统和焊接设备，实施双丝熔化极气体保护焊焊接，双丝和母材熔化混合后形成一个分区复合熔池，熔池凝固后形成分区复合焊缝。

具体地，步骤(1)中，根据需要连接的异种金属的物理化学性能特点，设计两种焊丝的类型、成分及含量，设计的两种焊丝与各自对应的母材的化学相容性好，物理性能差异小，同时，两种焊丝的化学相容性好，物理性能差异小，两种焊丝为一套有机组合的焊丝，两种焊丝需要共同使用才能解决物理性能差异大和化学相容性差所导致的焊接问题，实现焊缝各区的成分和结构调控，使焊缝各区综合性能优良。

步骤(2)中，所述设计的坡口形式和尺寸，使得焊接接头的物理性能在垂直于焊缝方向形成缓和的梯度过渡，避免物理性能突变，从而能够减小焊接应力及变形，有利于熔池的凝固结晶，使得形成的隔离区能够避免化学相容性差的两种母材金属接触，避免形成金属间化合物。

步骤(3)中，将两根焊丝进行空间位置排列，使得产生的两个电弧处于合适的空间位置，避免电弧间的电磁干扰，两个相对独立的电弧分别用来熔化对应的焊丝和母材，使得焊接过程稳定，合理控制焊缝及两侧母材的热输入，确保焊缝成形。

步骤(4)中，设定双丝熔化极气体保护焊焊接模式和焊接工艺参数，从而能够进一步精确控制焊缝各区及两侧母材的热输入，使得焊接过程稳定，通过调节两种焊丝的熔化速度，实现两种焊丝过渡到熔池的成分和含量调节，通过调节熔合比，从而调节母材的熔化量，进而调节熔池的成分和含量，两种焊丝和母材熔化混合后形成一个分区复合熔池，熔池凝固后形成分区复合焊缝，从而实现分区复合焊缝各区的成分及含量精确调节，进而实现分区复合焊缝各区及热影响区的组织和性能的综合调控，降低焊接应力和减少变形，使得焊缝内部质量和焊接接头的综合性能好，从而实现分区复合焊缝的制备。

优选地，所述焊丝的类型包括实心焊丝和药芯焊丝，使得两种焊丝的成分和含量设计更加容易。

优选地，所述在平行于焊接方向上，两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距为0～40mm，每根焊丝轴线延伸线与母材平面的夹角为40°～140°，在垂直于焊接方向上，两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距为2～20mm，每根焊丝轴线延伸线与母材平面的夹角为45°～135°，通过设置焊丝空间位置，使得产生的两个电弧处于合适的空间位置，焊接过程稳定，形成稳定的分区复合熔池，满足复杂的分区复合焊缝制备需求。

优选地，所述两种焊丝共用一把焊枪或者使用两把独立焊枪，使得调节焊丝的空间位置方便，能够确保焊接过程稳定，有效控制熔滴过渡和熔池流动，实现分区复合焊缝的制备。

优选地，所述焊接供气系统由两套独立的供气系统组成，每套供气系统的气体流量能够独立控制，由送气管输送到焊枪，形成气路1和气路2，供应的焊接保护气体为He、Ar中的至少一种，每个气路的气体流量为10～50L/min，使焊接在惰性气体保护下进行，以免熔池及焊缝金属发生氧化和氮化，避免形成夹渣等缺陷，确保焊接质量，同时，焊接保护气体作为产生电弧的介质，维持电弧稳定燃烧，使焊接过程稳定。

优选地，所述双丝熔化极气体保护焊焊接模式为CMT+CMT模式、CMT+脉冲模式或脉冲+脉冲模式，根据异种金属的物理性能差异和化学相容性来采用最佳的焊接模式，实现分区复合焊缝的成分、含量和结构设计，使得分区复合焊缝各区及热影响区具有优良的综合性能。

优选地，所述采用脉冲+脉冲模式时，两根焊丝间的脉冲电流相位相差180°，使得两根焊丝协同控制，两个电弧在2根焊丝末端与工件间交替燃烧，避免电弧间的电磁干扰，从而确保焊接过程稳定。

优选地，所述双丝熔化极气体保护焊焊接工艺参数为：平均焊接电流为20～600A，平均电弧电压为8～45V，焊接速度为0.3～2.4m/min，焊丝干伸长度为6～25mm，焊丝直径为0.6～2.0mm，通过调节焊接工艺参数，控制焊丝和母材的熔化量，满足复杂的分区复合焊缝制备需求。

本双丝熔化极气体保护焊焊接方法能够解决由于熔点、沸点、线膨胀系数、热导率或比热容等物理性能差异大和在化学性能上相容性差所导致的异种金属连接问题，焊接工艺简单，焊接效率高，焊接成本低，焊丝设计和开发容易，热输入调节范围大且精确可控，避免热影响区晶粒粗大，避免形成脆性金属间化合物，焊接应力和变形小，焊缝内部质量优良，无气孔、裂纹、夹渣等缺陷，焊缝成形好，焊接接头组织和性能调控容易，焊接接头综合性能好。

为了更好的说明本发明提供的用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法，下面通过实施例做进一步的举例说明。

实施例1

一种用于T3纯铜和Ni200纯镍异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法，焊接母材为T3纯铜和Ni200纯镍，铜和镍化学相容性好，但两种材料熔点、热导率等差异较大，为实施T3纯铜和Ni200纯镍异种金属连接，具体包括以下步骤：

(1)根据需要连接的异种金属T3纯铜和Ni200纯镍的物理化学性能特点，设计两种焊丝的类型、成分及含量如表1所示，并制备两种焊丝。

表1焊丝类型、成分及含量

(2)根据需要连接的异种金属T3纯铜与Ni200纯镍及要使用的焊丝1和焊丝2的物理化学性能特点，设计坡口形式和尺寸如图3所示，T3纯铜母材的坡口角度为60°，Ni200纯镍母材的坡口角度为45°，钝边高度为1mm，根部间隙为2mm，T3纯铜母材与Ni200纯镍母材的厚度均为5mm，加工后清理坡口。

(3)两种焊丝都配有独立的弧焊电源和送丝机构，两种焊丝共用一把焊枪，两种焊丝分别通过各自配有的送丝机构送丝，最后从两个导电嘴输出两根焊丝，将两根焊丝进行空间位置排列，每根焊丝分别位于匹配的金属母材一侧，焊丝1位于T3纯铜母材侧，焊丝2位于Ni200纯镍母材侧，在平行于焊接方向上，两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距为8mm，焊丝1轴线延伸线与母材平面的夹角为125°，焊丝2轴线延伸线与母材平面的夹角为120°，在垂直于焊接方向，两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距为8mm，焊丝1轴线延伸线与母材平面的夹角为110°，焊丝2轴线延伸线与母材平面的夹角为100°。

(4)设定双丝熔化极气体保护焊焊接模式和焊接工艺参数，如表2所示，启动焊接供气系统，焊丝1的气路通入气体为Ar气，气体流量为15L/min，焊丝2的气路通入气体为He气，气体流量为30L/min，启动焊接设备，实施双丝熔化极气体保护焊焊接，双丝和母材熔化混合后形成一个分区复合熔池，熔池凝固后形成分区复合焊缝。

表2焊接模式及焊接工艺参数

实施例2

一种用于TA2纯钛和Ta1纯钽异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法，焊接母材为TA2纯钛和Ta1纯钽，两种材料可无限固溶，但熔点、沸点、热导率及比热容差异较大，为实施TA2纯钛和Ta1纯钽异种金属连接，具体包括以下步骤：

(1)根据需要连接的异种金属TA2纯钛和Ta1纯钽的物理化学性能特点，设计两种焊丝的类型、成分及含量如表3所示，并制备两种焊丝。

表3焊丝类型、成分及含量

(2)根据需要连接的异种金属TA2纯钛和Ta1纯钽及要使用的两种焊丝的的物理化学性能特点，设计坡口形式和尺寸如图4所示，TA2纯钛母材的坡口圆弧半径为13.6mm，Ta1纯钽母材的矩形坡口宽度为10.5mm，钝边高度为1mm，根部间隙为1.5mm，TA2纯钛母材和Ta1纯钽母材厚度均为6mm，加工后清理坡口。

(3)两种焊丝都配有独立的弧焊电源和送丝机构，两种焊丝采用两把独立的焊枪，两种焊丝分别通过各自配有的送丝机构送丝，最后从两个导电嘴输出两根焊丝，将两根焊丝进行空间位置排列，每根焊丝分别位于匹配的金属母材一侧，焊丝1位于TA2纯钛母材侧，焊丝2位于Ta1纯钽母材侧，在平行于焊接方向上，两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距为37mm，焊丝1轴线延伸线与母材平面的夹角为100°，焊丝2轴线延伸线与母材平面的夹角为70°，在垂直于焊接方向，两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距为18mm，焊丝1轴线延伸线与母材平面的夹角为100°，焊丝2轴线延伸线与母材平面的夹角为50°。

(4)设定双丝熔化极气体保护焊焊接模式和焊接工艺参数，如表4所示，两根焊丝间的脉冲电流相位相差180°，启动焊接供气系统，焊丝1的气路通入气体为Ar气，气体流量为45L/min，焊丝2的气路通入气体为He气和Ar气的混合气体，气体流量为48L/min，启动焊接设备，实施双丝熔化极气体保护焊焊接，双丝和母材熔化混合后形成一个分区复合熔池，熔池凝固后形成分区复合焊缝。

表4焊接模式及焊接工艺参数

实施例3

一种用于304不锈钢和T2纯铜异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法，焊接母材为304不锈钢和T2纯铜，熔点、线膨胀系数、热导率及比热容差异较大，为实施304不锈钢和T2纯铜异种金属连接，具体包括以下步骤：

(1)根据需要连接的异种金属304不锈钢和T2纯铜的物理化学性能特点，设计两种焊丝的类型、成分及含量如表5所示，并制备两种焊丝。

表5焊丝类型、成分及含量

(2)根据需要连接的异种金属304不锈钢和T2纯铜及要使用的两种焊丝的的物理化学性能特点，设计坡口形式和尺寸如图5所示，304不锈钢母材的坡口角度为45°，T2纯铜母材的坡口圆弧半径为6mm，钝边高度为0.5mm，根部间隙为1mm，304不锈钢母材和T2纯铜母材厚度均为6mm，加工后清理坡口。

(3)两种焊丝都配有独立的弧焊电源和送丝机构，两种焊丝共用一把焊枪，两种焊丝分别通过各自配有的送丝机构送丝，最后从两个导电嘴输出两根焊丝，将两根焊丝进行空间位置排列，每根焊丝分别位于匹配的金属母材一侧，焊丝1位于304不锈钢母材侧，焊丝2位于T2纯铜母材侧，在平行于焊接方向上，两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距为4mm，焊丝1轴线延伸线与母材平面的夹角为100°，焊丝2轴线延伸线与母材平面的夹角为90°，在垂直于焊接方向，两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距为5mm，焊丝1轴线延伸线与母材平面的夹角为100°，焊丝2轴线延伸线与母材平面的夹角为80°。

(4)设定双丝熔化极气体保护焊焊接模式和焊接工艺参数，如表6所示，启动焊接供气系统，焊丝1的气路通入气体为Ar气，气体流量为25L/min，焊丝2的气路通入气体为He气，气体流量为35L/min，启动焊接设备，实施双丝熔化极气体保护焊焊接，双丝和母材熔化混合后形成一个分区复合熔池，熔池凝固后形成分区复合焊缝。

表6焊接模式及焊接工艺参数

实施例4

一种用于BH2铌合金和1Cr18Ni9Ti不锈钢异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法，焊接母材为BH2铌合金和1Cr18Ni9Ti不锈钢，两种材料化学相容性差，熔点和热导率差异也较大，为实施BH2铌合金和1Cr18Ni9Ti不锈钢异种金属连接，具体包括以下步骤：

(1)根据需要连接的异种金属BH2铌合金和1Cr18Ni9Ti不锈钢的物理化学性能特点，设计两种焊丝的类型、成分及含量如表7所示，并制备两种焊丝。

表7焊丝类型、成分及含量

(2)根据需要连接的异种金属BH2铌合金和1Cr18Ni9Ti不锈钢及要使用的两种焊丝的的物理化学性能特点，设计坡口形式和尺寸如图6所示，BH2铌合金母材的矩形坡口宽度为9mm，1Cr18Ni9Ti不锈钢母材的矩形坡口宽度为6mm，钝边高度为1mm，根部间隙为1mm，BH2铌合金母材和1Cr18Ni9Ti不锈钢母材厚度均为5mm，加工后清理坡口。

(3)两种焊丝都配有独立的弧焊电源和送丝机构，两种焊丝采用两把独立的焊枪，两种焊丝分别通过各自配有的送丝机构送丝，最后从两个导电嘴输出两根焊丝，将两根焊丝进行空间位置排列，每根焊丝分别位于匹配的金属母材一侧，焊丝1位于BH2铌合金母材侧，焊丝2位于1Cr18Ni9Ti不锈钢母材侧，在平行于焊接方向上，两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距为18mm，焊丝1轴线延伸线与母材平面的夹角为110°，焊丝2轴线延伸线与母材平面的夹角为120°；在垂直于焊接方向，两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距为12mm，焊丝1轴线延伸线与母材平面的夹角为60°，焊丝2轴线延伸线与母材平面的夹角为70°。

(4)设定双丝熔化极气体保护焊焊接模式和焊接工艺参数，如表8所示，启动焊接供气系统，焊丝1的气路通入气体为He气和Ar气的混合气体，气体流量为20L/min，焊丝2的气路通入气体为He气，气体流量为40L/min，启动焊接设备，实施双丝熔化极气体保护焊焊接，双丝和母材熔化混合后形成一个分区复合熔池，熔池凝固后形成分区复合焊缝。

表8焊接模式及焊接工艺参数

实施例5

一种用于TC4钛合金和316L不锈钢异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法，焊接母材为TC4钛合金和316L不锈钢，两种材料化学相容性差，线膨胀系数、热导率及比热容差异也较大，为实施TC4钛合金和316L不锈钢异种金属连接，具体包括以下步骤：

(1)根据需要连接的异种金属TC4钛合金和316L不锈钢的物理化学性能特点，设计两种焊丝的类型、成分及含量如表9所示，并制备两种焊丝。

表9焊丝类型、成分及含量

(2)根据需要连接的异种金属TC4钛合金与316L不锈钢及要使用的两种焊丝的的物理化学性能特点，设计坡口形式和尺寸如图7所示，TC4钛合金母材坡口圆弧半径为3.5mm，316L不锈钢母材坡口圆弧半径为5mm，钝边高度为0.5mm，间隙为1mm，TC4钛合金母材和316L不锈钢母材厚度均为4mm，加工后清理坡口。

(3)两种焊丝都配有独立的弧焊电源和送丝机构，两种焊丝共用一把焊枪，两种焊丝分别通过各自配有的送丝机构送丝，最后从两个导电嘴输出两根焊丝，将两根焊丝进行空间位置排列，每根焊丝分别位于匹配的金属母材一侧，焊丝1位于TC4钛合金母材侧，焊丝2位于316L不锈钢母材侧，在平行于焊接方向上，两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距为0mm，焊丝1轴线延伸线与母材平面的夹角为100°，焊丝2轴线延伸线与母材平面的夹角为80°；在垂直于焊接方向，两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距为3mm，焊丝1轴线延伸线与母材平面的夹角为80°，焊丝2轴线延伸线与母材平面的夹角为80°。

(4)设定双丝熔化极气体保护焊焊接模式和焊接工艺参数，如表10所示，启动焊接供气系统，焊丝1的气路通入气体为Ar气，气体流量为45L/min，焊丝2的气路通入气体为Ar气，气体流量为40L/min，启动焊接设备，实施双丝熔化极气体保护焊焊接，双丝和母材熔化混合后形成一个分区复合熔池，熔池凝固后形成分区复合焊缝。

表10焊接模式及焊接工艺参数

以上各实施例由于设计和采用了匹配的焊丝，采用了合适的坡口形式，对焊丝空间位置进行了最佳排列，选择了合适的焊接模式和焊接工艺参数，进行了有效的焊接惰性气体保护，解决了由于熔点、沸点、线膨胀系数、热导率或比热容等物理性能差异大和在化学性能上相容性差所导致的异种金属连接问题，采用双丝焊接，对焊丝成分进行分解，焊丝设计和开发容易，焊接工艺简单，焊接过程稳定，焊接效率高，焊接成本低；通过调节焊接模式和焊接工艺参数，热输入调节范围大且精确可控，通过控制两侧的热输入，避免了热影响区晶粒粗大，减小了焊接应力和变形，避免了脆性金属间化合物的生成，焊缝内部质量优良，无气孔、裂纹、夹渣等缺陷，形成了分区复合焊缝，焊缝成形好，容易调控焊接接头组织和性能，焊接接头综合性能好，满足技术要求。

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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据需要连接的异种金属的物理化学性能特点，设计两种焊丝的类型、成分及含量，并制备两种焊丝；

(2)根据需要连接的异种金属及要使用的两种焊丝的的物理化学性能特点，设计坡口形式和尺寸，加工并清理坡口；

(3)两种焊丝都配有独立的弧焊电源和送丝机构，两种焊丝分别通过各自配有的送丝机构送丝，最后从两个导电嘴输出两根焊丝，将两根焊丝进行空间位置排列，每根焊丝分别位于匹配的金属母材一侧，在平行于焊接方向上，两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距可调节，以及每根焊丝轴线延伸线与母材平面的夹角可调节，在垂直于焊接方向，两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距可调节，以及每根焊丝轴线延伸线与母材平面的夹角可调节；

(4)设定双丝熔化极气体保护焊焊接模式和焊接工艺参数，启动焊接供气系统和焊接设备，实施双丝熔化极气体保护焊焊接，双丝和母材熔化混合后形成一个分区复合熔池，熔池凝固后形成分区复合焊缝。

2.如权利要求1所述的一种用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法，其特征在于，所述金属包括纯金属和合金，所述异种金属包括两种不同的金属。

3.如权利要求1所述的一种用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法，其特征在于，所述需要连接的异种金属具有由于熔点、沸点、线膨胀系数、热导率或比热容等物理性能差异大和在化学性能上相容性差所导致的焊接问题。

4.如权利要求1所述的一种用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法，其特征在于，所述焊丝的类型包括实心焊丝和药芯焊丝。

5.如权利要求1所述的一种用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法，其特征在于，所述在平行于焊接方向上，两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距为0～40mm，以及每根焊丝轴线延伸线与母材平面的夹角为40°～140°，在垂直于焊接方向上，两根焊丝末端在母材平面上的投影点的间距为2～20mm，以及每根焊丝轴线延伸线与母材平面的夹角为45°～135°。

6.如权利要求1所述的一种用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法，其特征在于，所述两种焊丝共用一把焊枪或者采用两把独立焊枪。

7.如权利要求1所述的一种用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法，其特征在于，所述焊接供气系统由两套独立的供气系统组成，每套供气系统的气体流量能够独立控制，由送气管输送到焊枪，供应的焊接保护气体为He、Ar中的至少一种，每个气路的气体流量为10～50L/min。

8.如权利要求1所述的一种用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法，其特征在于，所述双丝熔化极气体保护焊焊接模式为CMT+CMT模式、CMT+脉冲模式或脉冲+脉冲模式。

9.如权利要求8所述的一种用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法，其特征在于，采用 所述脉冲+脉冲模式时，两根焊丝间的脉冲电流相位相差180°。

10.如权利要求1所述的一种用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法，其特征在于，所述双丝熔化极气体保护焊焊接工艺参数为：平均焊接电流为20～600A，平均电弧电压为8～45V，焊接速度为0.3～2.4m/min，焊丝干伸长度为6～25mm，焊丝直径为0.6～2.0mm。

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