CN114850633B - 一种用于异种材料连接的三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材料连接的三丝熔化极气体保护焊焊接方法。所述三丝熔化极气体保护焊焊接方法，第一，设计并制备与母材A和母材B相匹配的焊丝A和焊丝B；第二，设计并制备与焊丝A和焊丝B均匹配的焊丝C；第三，设计坡口形式和尺寸；第四，将三根焊丝进行空间位置排列；第五，设定三丝焊焊接模式和焊接工艺参数，实施单层焊接或多层焊接，形成分区复合焊缝。本发明提供的焊接方法，焊接柔性好，工艺简单，焊接效率高，成本低，焊丝设计和开发高效，复合焊缝分区良好，避免形成脆性组织，热输入精确可控，焊接应力和变形小，焊缝成形美观，焊缝内部质量优良，能够实现厚板异种材料连接，焊接接头综合性能好。

Description

一种用于异种材料连接的三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材料连接的三丝熔化极气体保护焊焊接方法。

背景技术

随着航空航天、能源、电力、核工业、机械、汽车、石油化工等工业的发展，高温合金、多组元合金、金属间化合物、复合材料、难熔金属等先进材料也得到越来越多的应用。其中，高温合金具有优良的高温性能和耐腐蚀性能；高熵合金、中熵合金等多组元合金材料具有优异的综合性能；金属间化合物由两种或者更多种金属组元按比例组成的、具有不同于其组成元素的长程有序晶体结构的化合物，原子间保持金属键及共价键的共存性，具有金属光泽、金属导电性和导热性等金属的基本特性，使其具有其他固溶体材料所没有的性能，能够同时兼顾金属的塑性和陶瓷的高温强度，有成为新型高温结构材料的基础；复合材料是由两种或两种以上不同化学性质或不同组织的组分构成的材料，就是用经过选择的一定数量比的两种或两种以上的组分，通过人工方式将两种或多种性质不同，但性能互补的材料复合起来做成的具有特殊性能的材料。

然而，随着现代科学技术的进步和工业的发展，对材料的性能提出了越来越高的要求，除了要求满足通常的力学性能之外，还有如高温强度、耐磨性、耐腐蚀性、低温韧性、导热性等多方面的性能要求，这使得在很多情况下，任何一种先进材料都很难完全满足使用要求，因此，现代工程结构中经常需要对异种材料进行连接。

异种材料连接构件的特点是能够最大限度地发挥材料各自的性能优势，起到“材尽其用”的效果。但是，异种材料的连接要比同种材料困难得多，这些材料的特点是硬度和强度高、塑性和韧性差，焊接难度很大.因为除了材料本身的物理化学性能对连接性的影响之外，两种材料物理和化学性能的差异在更大程度上影响它们之间的连接性，采用常规的连接方法难以实现，先进异种材料连接存在问题的主要原因如下：

(1)异种材料间及材料组分间的物理性能差异

异种材料的熔点和沸点的差异大将会导致焊接非常困难，熔点、沸点差异大会导致焊接时低熔点的金属元素烧损或蒸发，造成金属流失，焊缝成形恶化，以及会导致高熔点材料难以熔化，从而难以熔合形成可靠的焊接接头；异种材料的线膨胀系数差异大，会导致在焊接过程中引起较大的焊接应力和变形，焊后存在较大的残余应力和残余变形，影响构件精度，降低承载能力，甚至会引起裂纹，导致开裂；异种材料的热导率和比热容差异大，会引起热输入不平衡，影响结晶，导致一侧母材晶粒粗化，并影响难熔材料的润湿性能，降低焊接接头的质量。同时，采用的异种复合材料的自身组分形态及物理性能的差异对焊接质量有重要影响，一方面，复合材料的基体与增强相的熔点差异相差较大，使得熔池存在大量未熔化的增强相，增加了熔池的黏度，降低了熔池的流动性，界面润湿性差，增加了缺陷的敏感性；另一方面，复合材料基体与增强相的线胀系数相差较大，在焊接加热和冷却过程巾会产生很大的内应力，易使结合界面脱开，降低接头强度。

(2)异种材料间及材料组分间的化学相容性

异种材料的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，或相互溶解和相互反应兼有，形成混合物或其它复杂组织。形成的固溶体塑性和韧性好，综合性能好，形成的金属间化合物大部分性质硬而脆，少部分综合性能好。因此，异种材料之间能否进行直接焊接，取决于这两种材料间的相互作用的化学性质，如果焊缝形成综合性能优良的组织结构(如固溶体或者综合性能较好的金属间化合物)，则说明化学相容性好，焊接性好，如果焊缝形成脆性的组织结构(如脆性的金属间化合物)，则说明化学相容性差，焊接性差。同时，复合材料的金属基体与增强相之间的接触界面在焊接时会发生化学反应，这种界面反应生成的化合物的性质及数量对界面的强度有重要影响，如果界面相容性好，则焊接性好，如果界面相容性差，则使得焊接性变差。

因此，异种材料的焊接性主要取决于两种材料间的物理性能差异和化学相容性以及本身组成组分间的物理性能差异和界面化学相容性等，两种材料间及材料本身组成的组分间的物理性能差异越大，两种材料间的化学相容性越差，以及材料本身组成的组分间的界面化学相容性越差，化学反应物综合性能越差，焊接性就越差。

以上这两大根本原因，导致异种材料连接存在诸多的难题，目前，各种焊接方法和工艺都存在不同的局限性，都没有完善的解决难焊异种材料连接问题，存在主要问题如下：第一，无法实现厚板异种材料的连接，大部分都是针对薄板连接，这主要是受限于设备功率的限制，而且对于高能束焊接方法，功率太高还会导致焊缝成形恶化，使得中间过渡层的隔离效果变差，无法实现可靠连接；第二，焊接柔性差，无法适应复杂构件的连接；第三，焊接工艺复杂，焊接效率低，焊接成本高，难以实现大规模化焊接，如扩散焊连接时间长，电子束焊成本较高，添加各种中间过渡层的工艺增加了焊接准备时间，影响了焊缝成形；第四，焊缝成形有待改善，如部分熔化焊方法；第五，焊接接头形式不佳和尺寸受限，如有的钎焊方法只能采用搭接，有的熔化焊方法需要真空条件，从而限制了焊接接头尺寸；第六，无法完全抑制脆性组织的形成，焊接接头的组织和性能难以综合调控，焊接接头综合性能较低，难以实际应用；第七，热输入精确控制困难，焊接应力和变形大，易产生气孔、裂纹等焊接缺陷；第八，异种材料成分和组分复杂，对焊接材料要求高，适用的焊接材料缺乏，焊接材料设计和开发难度大。

发明内容

针对异种材料连接时的焊接方法存在焊接工艺复杂，难以实现厚板异种材料的连接，焊接效率低，成本高，焊接柔性差，无法适应复杂构件的连接，对焊接材料要求高，焊接材料设计和开发难度大，热输入精确控制难度大，存在较大的焊接应力和变形，容易产生气孔、裂纹等缺陷，焊缝成形不佳，焊接接头形式不佳和尺寸受限，焊接接头的组织和性能调控难度大，易产生脆性金属间化合物，焊接接头综合性能差等问题，本发明提出了一种用于异种材料连接的三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：

一种用于异种材料连接的三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材料中的母材A和母材B的成分、组分、物理及化学性能特点，分别设计与母材A和母材B相匹配的焊丝A和焊丝B的类型、成分及含量，并制备焊丝A和焊丝B；

(2)根据设计的焊丝A和焊丝B的成分、物理及化学性能特点，设计与焊丝A和焊丝B均匹配的焊丝C的的类型、成分及含量，并制备焊丝C；

(3)根据需要连接的异种材料及要使用的三种焊丝的物理及化学性能特点，并考虑焊丝空间排列的要求及复合焊缝成形和分区的要求，设计坡口形式和尺寸，加工并清理坡口；

(4)三种焊丝都配有独立的弧焊电源和送丝机构，三种焊丝分别通过各自配有的送丝机构送丝，最后从焊枪结构的三个导电嘴输出三根焊丝，将三根焊丝进行空间位置排列，焊丝A、焊丝B和焊丝C的末端在母材平面上的三个投影点连线构成三角形，其中，焊丝A和焊丝B的轴向延伸线分别指向母材A和母材B，从垂直于焊接方向上看，焊丝C末端在母材平面上的投影点位于焊丝A末端在母材平面上的投影点和焊丝B末端在母材平面上的投影点之间，在平行于焊接方向上，三根焊丝末端在母材平面上的三个投影点的间距均可调节，以及每根焊丝轴线延伸线与母材平面的夹角可调节，在垂直于焊接方向上，三根焊丝末端在母材平面上的三个投影点的间距均可调节，以及每根焊丝轴线延伸线与母材平面的夹角可调节；

(5)设定三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，通入焊接保护气体，实施三丝熔化极气体保护焊单层焊接或多层焊接，三丝和母材熔化后形成三个熔池，三个熔池在焊接过程中形成三个熔体，熔体间进行静态复合，形成单层或多层分区复合焊缝。

一种用于异种材料连接的三丝熔化极气体保护焊焊接方法的基本原理如下：

第一，设计和制备3种焊丝，将焊丝成分分解，从而满足制备的分区复合焊缝的成分、组分、含量、结构和性能要求。首先，设计和采用的3种焊丝与母材熔化混合后形成分区复合焊缝，以满足复杂异种材料的连接需求，复合焊缝包括如下焊缝各分区：临近母材A的焊缝区、临近母材B的焊缝区和位于两个焊缝区之间的中心区，以及中心区与两个临近母材的焊缝区分别形成的两个界面过渡层、临近母材A的焊缝区与母材A形成的一个界面过渡层及临近母材B的焊缝区与母材B形成的一个界面过渡层；其次，根据需要连接的异种材料中的母材A和母材B的成分、组分、物理及化学性能特点，设计与母材A和母材B相匹配的焊丝A和焊丝B的类型、成分及含量，然后，根据设计的焊丝A和焊丝B的成分、物理及化学性能特点，设计与焊丝A和焊丝B均匹配的焊丝C。一方面，设计的两种焊丝A和B与各自对应的母材A和B的化学相容性好，设计的两种焊丝A和B与各自对应的母材A和B熔化混合后形成以综合性能优良的固溶体结构为主，或者设计的两种焊丝A和B与各自对应的母材A和B熔化混合后形成的非固溶体结构的综合力学性能高，避免脆性材料的生成；另一方面，设计的焊丝C与焊丝A和焊丝B的化学相容性好，设计的焊丝C分别与焊丝A和焊丝B熔化混合后形成以综合性能优良的固溶体结构为主，或者设计的焊丝C分别与焊丝A和焊丝B熔化混合后形成的非固溶体结构的综合力学性能高，避免脆性材料的生成；最后，设计的三种焊丝之间以及焊丝A和焊丝B与对应的母材的物理性能差异小，使得焊接后形成的分区复合焊缝的物理性能形成比较缓和的梯度过渡，从而解决异种母材的物理性能差异大所导致的焊接问题，从而能够降低焊接应力和变形。因此，三种焊丝的设计和开发高效，通过设计一套有机组合的三种焊丝，将焊丝类型、成分、组分及含量进行分解设计，便于实现复合焊缝各区及界面层的成分、组分、含量、结构和物理性能调控，使复合焊缝各区综合性能优良。

第二，设计合适的坡口形式和尺寸，以适应母材、焊丝和焊接工艺要求，制备缓和的性能梯度过渡焊缝。首先，合适的坡口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；其次，坡口形式和尺寸与三种焊丝的焊接热输入和填充量相匹配，有利于熔池的凝固结晶，确保焊缝成形良好，降低焊接应力和变形；再次，合适的坡口使得形成的隔离区能够避免化学相容性差的材料接触，避免形成脆性的组织，确保复合焊缝性能；最后，坡口形式和尺寸的设计能够适应异种材料厚板多层焊接，避免侧壁未熔合，确保厚板多层焊接过程的连续性，使得焊接效率高。

第三，对三丝进行空间位置排列，设定合适的三丝空间位置，使得焊接过程稳定，使形成的三个熔体复合良好，以制备成形优良的单层或多层复合焊缝。首先，设定合适的三丝空间位置，将电弧温度和能量密度进行分解，熔化不同物化性能的材料，因为采用三丝电弧焊接时，在焊丝端部和母材之间产生电弧，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三个电弧，每个电弧的阴极和阳极的温度和能量密度分布也随阴极和阳极材料的不同而不同，因此，三个熔化极电弧的温度和能量密度分布能够根据加热的焊丝和母材的的物化性能不同，具有自适应调整能力，这样，通过采用多电弧，就能熔化不同物化性能的材料，避免采用一个电弧，电弧的温度和能量密度无法分解，造成无法获得具有合适的温度和能量密度分布的电弧，导致低熔点、低沸点的材料挥发，高熔点、高沸点的材料难以熔化，因此，采用三丝电弧焊，形成三个温度分布和能量密度分布不同的电弧，三个相对独立的电弧分别用来熔化对应的焊丝和母材，能够满足复杂异种母材和焊丝对电弧温度分布和能量密度分布的需求，使得复合焊缝成形和分区良好；其次，通过对三丝进行空间位置优化排列，焊丝A、焊丝B和焊丝C的末端在母材平面上的三个投影点连线构成三角形，使得产生的三个电弧处于合适的空间位置，避免电弧间的电磁干扰，这样能够确保焊接过程稳定；再次，设定合适的三丝空间位置，使得形成的三个熔池具有合适的横向和纵向距离，使得前一个熔体处于相对静态状态下发生耦合，同时，在凝固过程中，使得每两个熔体的复合温度合适，在前一个熔体冷却到温度合适时进行耦合，避免前一个熔体温度过高导致后一个低熔点熔体挥发，从而影响焊缝成型，同时，三个熔体凝固后形成的复合焊缝的性能形成缓和的梯度过渡，从而降低应力和变形；从次，设定合适的三丝空间位置，使得形成的三个熔体各自起到隔离作用，避免母材元素之间以及两个侧面焊缝之间的元素的接触所导致形成脆性的组织结构，从而改善焊缝性能。由于焊丝A和焊丝B的轴向延伸线分别指向母材A和母材B，焊丝A与母材A以及焊丝B与母材B之间形成的两个相对独立的电弧分别用来熔化对应的焊丝和母材，形成两道分离的侧面焊缝，用于隔离两个母材的元素，避免直接接触，同时，从垂直于焊接方向上看，焊丝C末端在母材平面上的投影点位于焊丝A末端在母材平面上的投影点和焊丝B末端在母材平面上的投影点之间，这使得焊丝C熔化后过渡到熔池中形成复合焊缝的中部，起到隔离两道侧面焊缝元素的作用，避免两个侧面焊缝元素直接接触所导致形成脆性的组织结构，从而改善焊缝性能；最后，设定合适的三丝空间位置，尤其两侧焊丝A和B的角度的设定，使得两侧焊丝分别指向各自对应的母材，这样确保两个电弧对坡口两侧熔化良好，避免侧壁熔化不良，形成未熔合缺陷，同时，形成的上一层复合焊缝能够作为下一层复合焊缝的底部，起到底部隔离和分离作用，确保厚板多层焊接过程的连续性及复合焊缝的综合性能，使得能够适用异种材料厚板多层焊接。因此，通过三种焊丝的空间位置最优排列，精确控制复合焊缝各区的成分、组分和结构，形成成形优良、分区清晰的单层或多层复合焊缝。

第四，采用合适的三丝熔化极气体保护焊焊接模式和焊接工艺参数，使得焊接过程稳定，对焊接热输入进行分区精确控制，从而实现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。一方面，根据需要连接的异种材料及要使用的三种焊丝的物理及化学性能特点，并考虑要制备的复合焊缝成形及分区的要求和焊接过程稳定性的要求，以及考虑母材厚度及坡口形式和尺寸，设定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复合焊缝各区及热影响区的热输入。通过调节三种焊丝的送丝速度，实现三种焊丝过渡到熔池的成分和含量调节，通过调节两侧母材熔合比，从而调节两侧母材的熔化量，形成的三个熔池在焊接过程中形成三个熔体，在冷却过程中进行液相和液相、液相和固相以及固相和固相间的复合，通过熔池和熔体的流动和混合、固相和液相的扩散等，实现分区复合焊缝各区的成分、组分、含量及组织的精确调控及热影响区的组织调控，进而实现分区复合焊缝各区及热影响区性能的综合调控，使得焊缝内部质量优良，无气孔、裂纹、夹渣等缺陷，焊接应力和变形小，形成综合性能优良的单层或多层分区复合焊缝和焊接接头；另一方面，设定合适的焊接模式及焊接工艺参数，对熔滴过渡和熔池受力进行控制，确保焊接过程稳定，避免熔体混合过度，产生脆性的组织，通过控制每个熔池的受力方向和大小，避免在较大电弧力作用下使得熔池形成紊流，也要避免对前一个熔体产生较大的电弧力，使其在焊接过程中形成的三个熔体两两复合良好，避免熔体混合过度，产生脆性的金属间化合物等组织，影响隔离效果，降低焊缝性能。因此，设定合适的三丝熔化极气体保护焊焊接模式及焊接工艺参数，实现分区复合焊缝各区及热影响区性能的综合调控，使得焊缝内部质量优良，形成综合性能优良的单层或多层分区复合焊缝，实现单层或多层分区复合焊缝和焊接接头的制备。

相对于现有技术，本发明提供的用于异种材料连接的三丝熔化极气体保护焊焊接方法的有益效果是，焊接工艺简单，焊接过程稳定，焊接效率高，成本低；焊接接头形式好，焊接接头尺寸不受限制；对焊丝成分进行分解设计，焊丝设计和开发高效；焊接方法柔性好，能够制备复杂构件；能够适应不同厚度的材料的连接，尤其是能够实现厚板异种材料的多层连接；热输入精确可控，复合焊缝各区的成分、组分、组织和性能调控便捷高效，避免热影响区晶粒粗大，避免形成脆性组织结构，焊接应力和变形小；焊缝成形美观，焊缝分区清晰，焊缝内部质量优良，能够避免气孔、裂纹等缺陷，焊接接头综合性能好。

附图说明

图1是用于异种材料连接的三丝熔化极气体保护焊焊接的三丝空间排列位置图，其中，1为焊丝A末端在母材平面上的投影点，2为焊丝C末端在母材平面上的投影点，3为焊丝B末端在母材平面上的投影点，4为焊丝A轴线延伸线与母材平面的交点，5为焊丝C轴线延伸线与母材平面的交点，6为焊丝B轴线延伸线与母材平面的交点，7为平行于焊接方向上焊丝A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C轴线延伸线与母材平面的夹角，9为平行于焊接方向上焊丝B轴线延伸线与母材平面的夹角，10为垂直于焊接方向上焊丝A轴线延伸线与母材平面的夹角，11为垂直于焊接方向上焊丝C轴线延伸线与母材平面的夹角，12为垂直于焊接方向上焊丝B轴线延伸线与母材平面的夹角，13为平行于焊接方向上焊丝A末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距，14为垂直于焊接方向上焊丝A末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距，15为垂直于焊接方向上焊丝B末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距，16为平行于焊接方向上焊丝B末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距，17为母材A，18为母材B，19为焊丝A，20为焊丝C，21为焊丝B，22为焊接方向。

图2是用于异种材料连接的三丝熔化极气体保护焊单层焊接示意图，其中，1为导电嘴A，2为导电嘴C，3为导电嘴B，4为焊丝A，5为焊丝C，6为焊丝B，7为母材A，8为母材B，9为焊接方向。

图3是用于异种材料连接的三丝熔化极气体保护焊多层焊接示意图，其中，1为导电嘴A，2为导电嘴C，3为导电嘴B，4为焊丝A，5为焊丝C，6为焊丝B，7为母材A，8为母材B，9为焊接方向。

图4是实施例1的坡口设计图，其中，1为TaW2.5钽合金母材，2为Inconel625镍基合金母材，3为母材厚度，4为坡口深度，5为坡口宽度。

图5是实施例2的坡口设计图，其中，1为Ti₂AlNb金属间化合物母材，2为Inconel718镍基合金母材，3为母材厚度，4为坡口深度，5为坡口宽度，6为Ti₂AlNb金属间化合物母材坡口圆弧半径，7为Inconel718镍基合金母材坡口圆弧半径。

图6是实施例3的坡口设计图，其中，1为TiAl金属间化合物母材，2为40Cr钢母材，3为母材厚度，4为坡口深度，5为坡口底部宽度，6为TiAl金属间化合物母材的坡口角度，7为40Cr钢母材的坡口角度。

图7是实施例4的坡口设计图，其中，1为TiB_P/TC4复合材料母材，2为316L不锈钢母材，3为母材厚度，4为坡口深度，5为坡口底部宽度，6为316L不锈钢母材的坡口角度。

图8是实施例5的坡口设计图，其中，1为TC4钛合金母材，2为TaNb3钽合金母材，3为母材厚度，4为坡口深度，5为TC4钛合金母材的坡口圆弧半径，6为TaNb3钽合金母材的坡口圆弧半径，7为TC4钛合金母材的坡口角度，8为TaNb3钽合金母材的坡口角度。

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材料连接的三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材料中的母材A和母材B的成分、组分、物理及化学性能特点，分别设计与母材A和母材B相匹配的焊丝A和焊丝B的类型、成分及含量，并制备焊丝A和焊丝B；

(2)根据设计的焊丝A和焊丝B的成分、物理及化学性能特点，设计与焊丝A和焊丝B均匹配的焊丝C的的类型、成分及含量，并制备焊丝C；

(3)根据需要连接的异种材料及要使用的三种焊丝的物理及化学性能特点，并考虑焊丝空间排列的要求及复合焊缝成形和分区的要求，设计坡口形式和尺寸，加工并清理坡口；

(4)三种焊丝都配有独立的弧焊电源和送丝机构，三种焊丝分别通过各自配有的送丝机构送丝，最后从焊枪结构的三个导电嘴输出三根焊丝，将三根焊丝进行空间位置排列，焊丝A、焊丝B和焊丝C的末端在母材平面上的三个投影点连线构成三角形，其中，焊丝A和焊丝B的轴向延伸线分别指向母材A和母材B，从垂直于焊接方向上看，焊丝C末端在母材平面上的投影点位于焊丝A末端在母材平面上的投影点和焊丝B末端在母材平面上的投影点之间，在平行于焊接方向上，三根焊丝末端在母材平面上的三个投影点的间距均可调节，以及每根焊丝轴线延伸线与母材平面的夹角可调节，在垂直于焊接方向上，三根焊丝末端在母材平面上的三个投影点的间距均可调节，以及每根焊丝轴线延伸线与母材平面的夹角可调节；

(5)设定三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，通入焊接保护气体，实施三丝熔化极气体保护焊单层焊接或多层焊接，三丝和母材熔化后形成三个熔池，三个熔池在焊接过程中形成三个熔体，熔体间进行静态复合，形成单层或多层分区复合焊缝。

具体地，步骤(1)中，根据需要连接的异种材料中的母材A和母材B的成分、组分、物理及化学性能特点，分别设计与母材A和母材B相匹配的焊丝A和焊丝B的类型、成分及含量，也就是说，首先，设计的两种焊丝A和B与各自对应的母材A和B化学相容性好，设计的两种焊丝A和B与各自对应的母材A和B熔化混合后形成以综合性能优良的固溶体结构为主，或者设计的两种焊丝A和B与各自对应的母材A和B熔化混合后形成综合性能优良的非固溶体结构，避免脆性组织的生成；其次，设计的两种焊丝与各自对应的母材的物理性能差异小，使得焊接后形成的复合焊缝各个分区的物理性能差异小。

步骤(2)中，根据设计的焊丝A和焊丝B的成分、物理及化学性能特点，设计与焊丝A和焊丝B均匹配的焊丝C的的类型、成分及含量，一方面，这使得设计的焊丝C与焊丝A和焊丝B的化学相容性好，焊丝C分别与焊丝A和焊丝B熔化混合后形成以综合性能优良的固溶体结构为主，或者设计的焊丝C分别与焊丝A和焊丝B熔化混合后形成的非固溶体结构的综合力学性能高，避免脆性组织结构的生成，另一方面，设计的焊丝C与焊丝A和B的物理性能差异小，使得焊接后形成的分区复合焊缝的物理性能形成比较缓和的梯度过渡，从而解决异种母材的物理性能差异大所导致的焊接问题，使得整个焊接接头物理性能形成平缓的梯度过渡，降低焊接应力和变形。

步骤(3)中，所述设计的坡口形式和尺寸主要起到四方面作用，第一，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；第二，坡口形式和尺寸与三种焊丝的焊接热输入和填充量相匹配，有利于熔池的凝固结晶，确保焊缝成形良好，降低焊接应力和变形；第三，使得形成的隔离区能够避免化学相容性差的材料接触，避免形成脆性的化合物，确保复合焊缝性能；第四，坡口形式和尺寸的设计能够适应异种材料厚板多层焊接，确保厚板多层焊接过程的连续性和高效性。

步骤(4)中，将三根焊丝进行空间位置排列，焊丝A、焊丝B和焊丝C的末端在母材平面上的三个投影点连线构成三角形，焊丝A和焊丝B的轴向延伸线分别指向母材A和母材B，从垂直于焊接方向上看，焊丝C末端在母材平面上的投影点位于焊丝A末端在母材平面上的投影点和焊丝B末端在母材平面上的投影点之间，在平行于焊接方向上和在垂直于焊接方向上，三根焊丝末端在母材平面上的三个投影点的间距均可调节，以及每根焊丝轴线延伸线与母材平面的夹角可调节，三根焊丝进行空间位置排列主要起到五方面作用，第一，设定合适的三丝空间位置，将电弧温度和能量密度进行分解，形成三个温度分布和能量密度分布不同的电弧，熔化不同物化性能的材料，避免低熔点、低沸点的材料挥发，高熔点、高沸点的材料难以熔化，能够满足复杂异种母材和焊丝对电弧温度分布和能量密度分布的需求，使得复合焊缝成形和分区良好；第二，该排列使得产生的三个电弧处于合适的空间位置，避免电弧间的电磁干扰，使得焊接过程稳定；第三，设定合适的三丝空间位置，使得形成的三个熔池具有合适的横向和纵向距离，使得前一个熔体处于相对静态状态下发生耦合，同时，在凝固过程中，使得每两个熔体的复合温度合适，在前一个熔体冷却到温度合适时进行耦合，避免前一个熔体温度过高导致后一个低熔点熔体挥发，从而影响焊缝成型，同时，三个熔体凝固后形成的复合焊缝的性能形成缓和的梯度过渡，从而降低应力的变形；第四，设定合适的三丝空间位置，焊丝A和焊丝B分别与母材A和母材B之间形成的两个相对独立的电弧分别用来熔化对应的焊丝和母材，形成两道分离的侧面焊缝，用于隔离两个母材的元素，避免直接接触，焊丝C熔化后过渡到熔池中形成复合焊缝的中部，起到隔离两道侧面焊缝元素的作用，避免两个侧面焊缝元素直接接触，这样使得形成的三个熔体各自起到隔离作用，避免母材元素之间以及两个侧面焊缝之间的元素的接触所导致形成脆性的组织结构，从而改善焊缝性能；第五，设定合适的三丝空间位置，尤其两侧焊丝A和B的角度的设定，使得两侧焊丝分别指向各自对应的母材，这样确保两个电弧对坡口两侧熔化良好，避免侧壁熔化不良，形成未熔合缺陷，同时，形成的上一层复合焊缝能够作为下一层复合焊缝的底部，起到底部隔离和分离作用，确保厚板多层焊接过程的连续性及复合焊缝的综合性能，使得能够适用异种材料厚板多层焊接。因此，通过三种焊丝的空间位置最优排列，精确控制复合焊缝各区的成分、组分和结构，形成成形优良、分区清晰的单层或多层复合焊缝。

步骤(5)中，根据需要连接的异种材料及要使用的三种焊丝的物理及化学性能特点，并考虑要制备的复合焊缝成形及分区的要求和焊接过程稳定性的要求，设定三丝熔化极气体保护焊焊接模式和焊接工艺参数，使得焊接过程稳定，从而能够进一步精确控制焊缝各区及两侧母材的热输入，对焊接热输入进行分区精确控制，从而实现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。一方面，设定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复合焊缝各区及热影响区的热输入。通过调节三种焊丝的送丝速度，实现三种焊丝过渡到熔池的成分和含量调节，通过调节两侧母材熔合比，从而调节两侧母材的熔化量，形成的三个熔池在焊接过程中形成三个熔体，通过熔池和熔体的流动和混合、固相和液相的扩散等，熔体间在冷却过程中进行液相和液相、液相和固相以及固相和固相间的高效复合，实现分区复合焊缝各区的成分、组分、含量及组织的精确调控及热影响区的组织调控；另一方面，设定合适的焊接模式及焊接工艺参数，对熔滴过渡和熔池受力进行控制，确保焊接过程稳定，避免熔体混合过度，产生脆性的组织，通过控制每个熔池的受力方向和大小，避免在较大电弧力作用下使得熔池形成紊流，也要避免对前一个熔体产生较大的电弧力，使其在焊接过程中形成的三个熔体两两复合良好，熔体间进行静态复合，避免熔体混合过度，产生脆性的金属间化合物等组织，影响隔离效果，从而降低焊缝性能。因此，设定合适的三丝熔化极气体保护焊焊接模式及焊接工艺参数，实现分区复合焊缝各区及热影响区性能的综合调控，使得焊缝内部质量优良，无气孔、裂纹、夹渣等缺陷，焊接应力和变形小，形成综合性能优良的单层或多层分区复合焊缝，实现单层或多层分区复合焊缝和焊接接头的制备。

优选地，所述焊丝的类型包括实心焊丝和药芯焊丝，使得两种焊丝的类型、成分和含量设计更加容易和高效，便于与各种不同的母材匹配，便于焊丝C与焊丝A和焊丝B的匹配。

优选地，所述焊枪结构包括一把三丝焊枪或者三把单丝焊枪或者一把双丝焊枪和一把单丝焊枪，也就是说，三种焊丝共用一把三丝焊枪，或者三种焊丝分别使用一把单丝焊枪，或者三种焊丝中的两种焊丝使用一把双丝焊枪和三种焊丝中的另一种焊丝使用一把单丝焊枪，使得焊丝的空间位置调节方便，能够确保焊接过程稳定，有效控制熔滴过渡和熔池流动，实现单层或多层分区复合焊缝的制备。

优选地，所述三个导电嘴为直导电嘴和弯曲导电嘴中的任意一种，便于调整焊丝的空间位置，克服电弧间的电磁干扰，有利于侧壁熔合，有利于控制熔滴和熔池所受的力，使得形成的熔池稳定，便于制备分区复合焊缝，使得单层或多层复合焊缝成形优良。

优选地，所述在平行于焊接方向上，焊丝A末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为1～60mm，焊丝B末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为1～60mm，以及每根焊丝轴线延伸线与母材平面的夹角为30°～150°，在垂直于焊接方向上，焊丝A末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为2～20mm，焊丝B末端在母材平面上的投影点与焊丝C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30°～150°，通过设置三种焊丝空间位置，使得产生的三个电弧处于合适的空间位置，克服电弧间的电磁干扰，使得熔滴过渡顺利和熔池稳定，熔体间形成静态复合，焊接过程稳定，同时，使得两个电弧对坡口两侧熔化良好，避免侧壁熔化不良，导致形成未熔合缺陷，使得能够适用异种材料厚板多层焊接，形成成形优良、分区清晰的单层或多层复合焊缝，满足复杂的分区单层或多层复合焊缝制备需求。

优选地，所述焊接供气系统由三套独立的供气系统组成，每套供气系统由1个高压气瓶、1个气体减压阀、1个气体流量计及1根送气管组成，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、气路2和气路3，便于将保护气体输送到焊接区，扩大焊接区保护范围，避免熔池、熔体和焊缝区的氧化和氮化，从而改善复合焊接接头性能。

优选地，所述焊接保护气体为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、熔体及焊缝区发生氧化和氮化，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，所述焊丝A、焊丝B和焊丝C的焊接模式为CMT、直流、交流和脉冲模式中的任意一种，根据需要连接的异种材料及要使用的三种焊丝的物理及化学性能特点，并考虑要制备的复合焊缝成形及分区的要求和焊接过程稳定性的要求，以及考虑母材厚度及坡口形式和尺寸等，采用最佳的焊接模式，实现分区复合焊缝的成分、组分、含量和组织结构设计，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，所述三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，对焊接热输入进行分区精确控制，控制焊丝和母材的熔化量，使得焊接过程稳定，复合焊缝成形美观，焊缝内部质量优良，形成综合性能优良的单层或多层复合焊接接头。

用于异种材料连接的三丝熔化极气体保护焊焊接方法能够解决由于两种材料间的物理性能差异大和化学相容性差以及本身组成组分间的物理性能差异大和界面化学相容性差等所导致的异种材料连接问题以及难以实现厚板异种材料连接的难题，本方法焊接工艺简单，焊接过程稳定，焊接效率高，成本低；焊接接头形式好，焊接接头尺寸不受限制；对焊丝成分分解设计，焊丝设计和开发高效；焊接方法柔性好，能够制备复杂构件；能够适应不同厚度的材料的连接，尤其是能够实现厚板异种材料的多层连接；热输入精确可控，复合焊缝各区的成分、组分、组织和性能调控便捷高效，避免热影响区晶粒粗大，避免形成脆性的组织结构，焊接应力和变形小；焊缝成形美观，焊缝分区清晰，焊缝内部质量优良，能够避免气孔、裂纹等缺陷，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材料连接的三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

一种用于异种材料TaW2.5钽合金和Inconel625镍基合金连接的三丝熔化极气体保护焊焊接方法，焊接母材分别为TaW2.5钽合金和Inconel625镍基合金，TaW2.5钽合金和Inconel625镍基合金物理性能差异较大，TaW2.5钽合金中的Ta、W元素和Inconel625镍基合金中的Ni、Fe等元素化学相容性差，易生成脆性金属间化合物，为实施TaW2.5钽合金和Inconel625镍基合金异种材料连接，具体包括以下步骤：

(1)根据需要连接的异种材料中的TaW2.5钽合金和Inconel625镍基合金的成分、组分、物理及化学性能特点，分别设计与母材TaW2.5钽合金和母材Inconel625镍基合金相匹配的焊丝A和焊丝B的类型、成分及含量，如表1所示，并制备焊丝A和焊丝B；

(2)根据设计的焊丝A和焊丝B的成分、物理及化学性能特点，设计与焊丝A和焊丝B均匹配的焊丝C的的类型、成分及含量，如表1所示，并制备焊丝C；

表1焊丝类型、成分及含量

(3)根据需要连接的异种材料TaW2.5钽合金和Incone625镍基合金及要使用的三种焊丝的物理及化学性能特点，并考虑焊丝空间排列的要求及复合焊缝成形和分区的要求，设计坡口形式和尺寸，如图4所示，TaW2.5钽合金和Incone625镍基合金母材厚度均为4mm，坡口深度为3mm，坡口宽度为8mm，加工并清理坡口；

(4)三种焊丝都配有独立的弧焊电源和送丝机构，焊枪结构包括三把单丝焊枪，焊丝A、焊丝B及焊丝C分别采用一把单丝焊枪，三种焊丝分别通过各自配有的送丝机构送丝，最后从焊枪结构的三个导电嘴输出三根焊丝，导电嘴A和导电嘴B为弯曲导电嘴，导电嘴C为直导电嘴，将三根焊丝进行空间位置排列，焊丝A、焊丝B和焊丝C的末端在母材平面上的三个投影点连线构成三角形，其中，焊丝A和焊丝B的轴向延伸线分别指向母材TaW2.5钽合金和和母材Incone625镍基合金，从垂直于焊接方向上看，焊丝C末端在母材平面上的投影点位于焊丝A末端在母材平面上的投影点和焊丝B末端在母材平面上的投影点之间，在平行于焊接方向上，焊丝A末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为55mm，焊丝B末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为15mm，焊丝A轴线延伸线与母材平面的夹角为100°，焊丝B轴线延伸线与母材平面的夹角为60°，焊丝C轴线延伸线与母材平面的夹角为40°，在垂直于焊接方向上，焊丝A末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为4mm，焊丝B末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为3mm，焊丝A轴线延伸线与母材平面的夹角为95°，焊丝B轴线延伸线与母材平面的夹角为120°，焊丝C轴线延伸线与母材平面的夹角为60°；

(5)根据需要连接的异种材料TaW2.5钽合金和Incone625镍基合金及要使用的三种焊丝的物理及化学性能特点，并考虑要制备的复合焊缝成形及分区的要求和焊接过程稳定性的要求，以及考虑母材厚度及坡口形式和尺寸等，设定三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，焊接供气系统由三套独立的供气系统组成，焊丝A的气路通入气体为Ar气，气体流量为12L/min，焊丝B的气路通入气体为He气和Ar气的混合气体，气体流量为30L/min，焊丝C的气路通入气体为Ar气，气体流量为45L/min，启动焊接设备，实施三丝熔化极气体保护焊单层焊接，三丝和母材熔化后形成三个熔池，三个熔池在焊接过程中形成三个熔体，熔体间进行静态复合，形成单层分区复合焊缝。

表2焊接模式及焊接工艺参数

实施例2

一种用于异种材料Ti₂AlNb金属间化合物和Inconel718镍基合金连接的三丝熔化极气体保护焊焊接方法，焊接母材分别为Ti₂AlNb金属间化合物和Inconel718镍基合金，Ti₂AlNb金属间化合物和Inconel718镍基合金物理性能差异较大，Ti₂AlNb金属间化合物中的Ti、Al、Nb等元素和Inconel718镍基合金Ni、Cr、Fe等元素化学相容性差，易生成脆性金属间化合物，为实施Ti₂AlNb金属间化合物和Inconel718镍基合金异种材料连接，具体包括以下步骤：

(1)根据需要连接的异种材料中的Ti₂AlNb金属间化合物和Inconel718镍基合金的成分、组分、物理及化学性能特点，分别设计与母材Ti₂AlNb金属间化合物和母材Inconel718镍基合金相匹配的焊丝A和焊丝B的类型、成分及含量，如表3所示，并制备焊丝A和焊丝B；

(2)根据设计的焊丝A和焊丝B的成分、物理及化学性能特点，设计与焊丝A和焊丝B均匹配的焊丝C的的类型、成分及含量，如表3所示，并制备焊丝C；

表3焊丝类型、成分及含量

(3)根据需要连接的异种材料Ti₂AlNb金属间化合物和Inconel718镍基合金及要使用的三种焊丝的物理及化学性能特点，并考虑焊丝空间排列的要求及复合焊缝成形和分区的要求，设计坡口形式和尺寸，如图5所示，Ti₂AlNb金属间化合物母材和Inconel718镍基合金母材厚度均为4mm，坡口深度为3mm，坡口宽度为10mm，Ti₂AlNb金属间化合物母材坡口圆弧半径为5.5mm，Inconel718镍基合金母材坡口圆弧半径为5.5mm，加工并清理坡口；

(4)三种焊丝都配有独立的弧焊电源和送丝机构，焊枪结构包括一把双丝焊枪和一把单丝焊枪，焊丝A和焊丝B采用一把双丝焊枪，焊丝C采用一把单丝焊枪，三种焊丝分别通过各自配有的送丝机构送丝，最后从焊枪结构的三个导电嘴输出三根焊丝，导电嘴A为弯曲导电嘴，导电嘴B和导电嘴C为直导电嘴，将三根焊丝进行空间位置排列，焊丝A、焊丝B和焊丝C的末端在母材平面上的三个投影点连线构成三角形，其中，焊丝A和焊丝B的轴向延伸线分别指向母材Ti₂AlNb金属间化合物和和母材Inconel718镍基合金，从垂直于焊接方向上看，焊丝C末端在母材平面上的投影点位于焊丝A末端在母材平面上的投影点和焊丝B末端在母材平面上的投影点之间，在平行于焊接方向上，焊丝A末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为4mm，焊丝B末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为6mm，焊丝A轴线延伸线与母材平面的夹角为35°，焊丝B轴线延伸线与母材平面的夹角为145°，焊丝C轴线延伸线与母材平面的夹角为90°，在垂直于焊接方向上，焊丝A末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为5mm，焊丝B末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为3mm，焊丝A轴线延伸线与母材平面的夹角为40°，焊丝B轴线延伸线与母材平面的夹角为50°，焊丝C轴线延伸线与母材平面的夹角为60°。

(5)根据需要连接的异种材料Ti₂AlNb金属间化合物和Inconel718镍基合金及要使用的三种焊丝的物理及化学性能特点，并考虑要制备的复合焊缝成形及分区的要求和焊接过程稳定性的要求，以及考虑母材厚度及坡口形式和尺寸等，设定三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，启动焊接供气系统，焊接供气系统由三套独立的供气系统组成，焊丝A的气路通入气体为He气和Ar气的混合气体，气体流量为25L/min，焊丝B的气路通入气体为He气，气体流量为40L/min，焊丝C的气路通入气体为Ar气，气体流量为35L/min，启动焊接设备，实施三丝熔化极气体保护焊单层焊接，三丝和母材熔化后形成三个熔池，三个熔池在焊接过程中形成三个熔体，熔体间进行静态复合，形成单层分区复合焊缝。

表4焊接模式及焊接工艺参数

实施例3

一种用于异种材料TiAl金属间化合物和40Cr钢连接的三丝熔化极气体保护焊焊接方法，焊接母材分别为TiAl金属间化合物和40Cr钢，TiAl金属间化合物和40Cr钢物理性能差异较大，TiAl金属间化合物中的Ti和Al元素和40Cr钢中Fe和Cr元素化学相容性差，易生成脆性金属间化合物，为实施TiAl金属间化合物和40Cr钢异种材料连接，具体包括以下步骤：

(1)根据需要连接的异种材料中的TiAl金属间化合物和40Cr钢的成分、组分、物理及化学性能特点，分别设计与母材TiAl金属间化合物和母材40Cr钢相匹配的焊丝A和焊丝B的类型、成分及含量，如表5所示，并制备焊丝A和焊丝B；

(2)根据设计的焊丝A和焊丝B的成分、物理及化学性能特点，设计与焊丝A和焊丝B均匹配的焊丝C的的类型、成分及含量，如表5所示，并制备焊丝C；

表5焊丝类型、成分及含量

(3)根据需要连接的异种材料TiAl金属间化合物和40Cr钢及要使用的三种焊丝的物理及化学性能特点，并考虑焊丝空间排列的要求及复合焊缝成形和分区的要求，设计坡口形式和尺寸，如图6所示，TiAl金属间化合物母材和40Cr钢母材厚度均为12mm，坡口深度为10.5mm，坡口底部宽度为20mm，TiAl金属间化合物母材的坡口角度为10°，40Cr钢母材的坡口角度为12°，加工并清理坡口；

(4)三种焊丝都配有独立的弧焊电源和送丝机构，焊枪结构包括一把双丝焊枪和一把单丝焊枪，焊丝A和焊丝C采用一把双丝焊枪，焊丝B采用一把单丝焊枪，三种焊丝分别通过各自配有的送丝机构送丝，最后从焊枪结构的三个导电嘴输出三根焊丝，导电嘴A和导电嘴B为弯曲导电嘴，导电嘴C为直导电嘴，将三根焊丝进行空间位置排列，焊丝A、焊丝B和焊丝C的末端在母材平面上的三个投影点连线构成三角形，其中，焊丝A和焊丝B的轴向延伸线分别指向母材TiAl金属间化合物和和母材40Cr钢，从垂直于焊接方向上看，焊丝C末端在母材平面上的投影点位于焊丝A末端在母材平面上的投影点和焊丝B末端在母材平面上的投影点之间，在平行于焊接方向上，焊丝A末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为25mm，焊丝B末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为40mm，焊丝A轴线延伸线与母材平面的夹角为90°，焊丝B轴线延伸线与母材平面的夹角为120°，焊丝C轴线延伸线与母材平面的夹角为100°，在垂直于焊接方向上，焊丝A末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为4mm，焊丝B末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为15mm，焊丝A轴线延伸线与母材平面的夹角为90°，焊丝B轴线延伸线与母材平面的夹角为120°，焊丝C轴线延伸线与母材平面的夹角为70°；

(5)根据需要连接的异种材料TiAl金属间化合物和40Cr钢及要使用的三种焊丝的物理及化学性能特点，并考虑要制备的复合焊缝成形及分区的要求和焊接过程稳定性的要求，以及考虑母材厚度及坡口形式和尺寸等，设定三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，焊接供气系统由三套独立的供气系统组成，焊丝A的气路通入气体为He气，气体流量为48L/min，焊丝B的气路通入气体为Ar气，气体流量为20L/min，焊丝C的气路通入气体为Ar气，气体流量为40L/min，启动焊接设备，实施三丝熔化极气体保护焊多层焊接，三丝和母材熔化后形成三个熔池，三个熔池在焊接过程中形成三个熔体，熔体间进行静态复合，形成多层分区复合焊缝。

表6焊接模式及焊接工艺参数

实施例4

一种用于异种材料TiB_P/TC4复合材料和316L不锈钢连接的三丝熔化极气体保护焊焊接方法，焊接母材分别为TiB_P/TC4复合材料和316L不锈钢，TiB_P/TC4复合材料和316L不锈钢物理性能差异大，TiB_P/TC4复合材料中的主要元素Ti和316L不锈钢中的Ni、Cr、Fe等元素化学相容性差，易生成脆性金属间化合物，且TiB_P/TC4复合材料的组分间的物理性能差异大，界面化学相容性差，为实施TiB_P/TC4复合材料和316L不锈钢异种材料连接，具体包括以下步骤：

(1)根据需要连接的异种材料中的TiB_P/TC4复合材料和316L不锈钢的成分、组分、物理及化学性能特点，分别设计与母材TiB_P/TC4复合材料和母材316L不锈钢相匹配的焊丝A和焊丝B的类型、成分及含量，如表7所示，并制备焊丝A和焊丝B；

(2)根据设计的焊丝A和焊丝B的成分、物理及化学性能特点，设计与焊丝A和焊丝B均匹配的焊丝C的的类型、成分及含量，如表7所示，并制备焊丝C；

表7焊丝类型、成分及含量

(3)根据需要连接的异种材料TiB_P/TC4复合材料和316L不锈钢及要使用的三种焊丝的物理及化学性能特点，并考虑焊丝空间排列的要求及复合焊缝成形和分区的要求，设计坡口形式和尺寸，如图7所示，TiB_P/TC4复合材料和316L不锈钢母材厚度均为3mm，坡口深度为2mm，坡口底部宽度为12mm，316L不锈钢母材的坡口角度为15°，加工并清理坡口；

(4)三种焊丝都配有独立的弧焊电源和送丝机构，焊枪结构包括一把三丝焊枪，焊丝A、焊丝B及焊丝C共采用一把三丝焊枪，三种焊丝分别通过各自配有的送丝机构送丝，最后从焊枪结构的三个导电嘴输出三根焊丝，导电嘴A和导电嘴B为弯曲导电嘴，导电嘴C为直导电嘴，将三根焊丝进行空间位置排列，焊丝A、焊丝B和焊丝C的末端在母材平面上的三个投影点连线构成三角形，其中，焊丝A和焊丝B的轴向延伸线分别指向母材TiB_P/TC4复合材料和母材和316L不锈钢，从垂直于焊接方向上看，焊丝C末端在母材平面上的投影点位于焊丝A末端在母材平面上的投影点和焊丝B末端在母材平面上的投影点之间，在平行于焊接方向上，焊丝A末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为35mm，焊丝B末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为25mm，焊丝A轴线延伸线与母材平面的夹角为100°，焊丝B轴线延伸线与母材平面的夹角为75°，焊丝C轴线延伸线与母材平面的夹角为120°，在垂直于焊接方向上，焊丝A末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为9mm，焊丝B末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为3mm，焊丝A轴线延伸线与母材平面的夹角为110°，焊丝B轴线延伸线与母材平面的夹角为130°，焊丝C轴线延伸线与母材平面的夹角为75°；

(5)根据需要连接的异种材料TiB_P/TC4复合材料和316L不锈钢及要使用的三种焊丝的物理及化学性能特点，并考虑要制备的复合焊缝成形及分区的要求和焊接过程稳定性的要求，以及考虑母材厚度及坡口形式和尺寸等，设定三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，焊接供气系统由三套独立的供气系统组成，焊丝A的气路通入气体为He气和Ar气的混合气体，气体流量为30L/min，焊丝B的气路通入气体为He气和Ar气的混合气体，气体流量为35L/min，焊丝C的气路通入气体为Ar气，气体流量为25L/min，启动焊接设备，实施三丝熔化极气体保护焊单层焊接，三丝和母材熔化后形成三个熔池，三个熔池在焊接过程中形成三个熔体，熔体间进行静态复合，形成单层分区复合焊缝。

表8焊接模式及焊接工艺参数

实施例5

一种用于异种材料TC4钛合金和TaNb3钽合金连接的三丝熔化极气体保护焊焊接方法，焊接母材分别为TC4钛合金和TaNb3钽合金，TC4钛合金和TaNb3钽合金物理性能差异大，TC4钛合金中的主要元素Ti和TaNb3钽合金中的Ta、Nb元素化学相容性好，为实施TC4钛合金和TaNb3钽合金异种材料连接，具体包括以下步骤：

(1)根据需要连接的异种材料中的TC4钛合金和TaNb3钽合金的成分、组分、物理及化学性能特点，分别设计与母材TC4钛合金和母材TaNb3钽合金相匹配的焊丝A和焊丝B的类型、成分及含量，如表9所示，并制备焊丝A和焊丝B；

(2)根据设计的焊丝A和焊丝B的成分、物理及化学性能特点，设计与焊丝A和焊丝B均匹配的焊丝C的的类型、成分及含量，如表9所示，并制备焊丝C；

表9焊丝类型、成分及含量

(3)根据需要连接的异种材料TC4钛合金和TaNb3钽合金及要使用的三种焊丝的物理及化学性能特点，并考虑焊丝空间排列的要求及复合焊缝成形和分区的要求，设计坡口形式和尺寸，如图8所示，TC4钛合金母材和TaNb3钽合金母材厚度均为20mm，坡口深度为18mm，TC4钛合金母材的坡口圆弧半径为10mm，TaNb3钽合金母材的坡口圆弧半径为12mm，TC4钛合金母材的坡口角度为8°，TaNb3钽合金母材的坡口角度为10°，加工并清理坡口；

(4)三种焊丝都配有独立的弧焊电源和送丝机构，焊枪结构包括三把单丝焊枪，焊丝A、焊丝B及焊丝C分别采用一把单丝焊枪，三种焊丝分别通过各自配有的送丝机构送丝，最后从焊枪结构的三个导电嘴输出三根焊丝，导电嘴A为弯曲导电嘴，导电嘴B和导电嘴C为直导电嘴，将三根焊丝进行空间位置排列，焊丝A、焊丝B和焊丝C的末端在母材平面上的三个投影点连线构成三角形，其中，焊丝A和焊丝B的轴向延伸线分别指向母材TC4钛合金和和母材TaNb3钽合金，从垂直于焊接方向上看，焊丝C末端在母材平面上的投影点位于焊丝A末端在母材平面上的投影点和焊丝B末端在母材平面上的投影点之间，在平行于焊接方向上，焊丝A末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为15mm，焊丝B末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为55mm，焊丝A轴线延伸线与母材平面的夹角为110°，焊丝B轴线延伸线与母材平面的夹角为130°，焊丝C轴线延伸线与母材平面的夹角为55°，在垂直于焊接方向上，焊丝A末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为16mm，焊丝B末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为5mm，焊丝A轴线延伸线与母材平面的夹角为45°，焊丝B轴线延伸线与母材平面的夹角为120°，焊丝C轴线延伸线与母材平面的夹角为80°；

(5)根据需要连接的异种材料TC4钛合金和TaNb3钽合金及要使用的三种焊丝的物理及化学性能特点，并考虑要制备的复合焊缝成形及分区的要求和焊接过程稳定性的要求，以及考虑母材厚度及坡口形式和尺寸等，设定三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，焊接供气系统由三套独立的供气系统组成，焊丝A的气路通入气体为Ar气，气体流量为38L/min，焊丝B的气路通入气体为Ar气，气体流量为28L/min，焊丝C的气路通入气体为He气和Ar气的混合气体，气体流量为35L/min，启动焊接设备，实施三丝熔化极气体保护焊多层焊接，三丝和母材熔化后形成三个熔池，三个熔池在焊接过程中形成三个熔体，熔体间进行静态复合，形成多层分区复合焊缝。

表10焊接模式及焊接工艺参数

以上各实施例解决了由于两种材料间的物理性能差异大和化学相容性差以及本身组成组分间的物理性能差异大和界面化学相容性差等所导致的异种材料连接问题以及难以实现厚板异种材料连接的难题，对焊丝成分进行了分解，高效设计和开发了匹配的焊丝，设计了合适的坡口形式和尺寸，对三根焊丝空间位置进行了最佳空间排列，选择了合适的焊接模式和焊接工艺参数，对焊接区进行了有效的惰性气体保护，采用的焊接方法柔性好，焊接工艺简单，焊接过程稳定，焊接成本低，焊接效率高，精确控制了焊接各区域热输入，热影响区晶粒细小，减小了焊接应力和变形，没有脆性金属间化合物等脆性组织的生成，焊缝内部质量优良，没有气孔、裂纹、夹渣等缺陷，实现了厚板异种材料的多层连接，通过设定焊接模式和调节焊接工艺参数，复合焊缝各区的成分、组分、含量、组织和性能调控便捷高效，形成了分区清晰的复合焊缝，焊缝成形美观，复合焊接接头各区组织优良，焊接接头综合性能好，满足了技术要求。

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)

1.一种用于异种材料连接的三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材料中的母材A和母材B的成分、组分、物理及化学性能特点，分别设计与母材A和母材B相匹配的焊丝A和焊丝B的类型、成分及含量，并制备焊丝A和焊丝B；

(2)根据设计的焊丝A和焊丝B的成分、物理及化学性能特点，设计与焊丝A和焊丝B均匹配的焊丝C的的类型、成分及含量，并制备焊丝C；

(3)根据需要连接的异种材料及要使用的三种焊丝的物理及化学性能特点，并考虑焊丝空间排列的要求及复合焊缝成形和分区的要求，设计坡口形式和尺寸，加工并清理坡口；

(4)三种焊丝都配有独立的弧焊电源和送丝机构，三种焊丝分别通过各自配有的送丝机构送丝，最后从焊枪结构的三个导电嘴输出三根焊丝，将三根焊丝进行空间位置排列，焊丝A、焊丝B和焊丝C的末端在母材平面上的三个投影点连线构成三角形，其中，焊丝A和焊丝B的轴向延伸线分别指向母材A和母材B，从垂直于焊接方向上看，焊丝C末端在母材平面上的投影点位于焊丝A末端在母材平面上的投影点和焊丝B末端在母材平面上的投影点之间，在平行于焊接方向上，三根焊丝末端在母材平面上的三个投影点的间距均可调节，以及每根焊丝轴线延伸线与母材平面的夹角可调节，在垂直于焊接方向上，三根焊丝末端在母材平面上的三个投影点的间距均可调节，以及每根焊丝轴线延伸线与母材平面的夹角可调节；

(5)设定三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，通入焊接保护气体，实施三丝熔化极气体保护焊单层焊接或多层焊接，三丝和母材熔化后形成三个熔池，三个熔池在焊接过程中形成三个熔体，熔体间进行静态复合，形成单层或多层分区复合焊缝。

2.如权利要求1所述的一种用于异种材料连接的三丝熔化极气体保护焊焊接方法，其特征在于，所述异种材料包括纯金属、合金、金属间化合物和金属基复合材料。

3.如权利要求1所述的一种用于异种材料连接的三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。

4.如权利要求1所述的一种用于异种材料连接的三丝熔化极气体保护焊焊接方法，其特征在于，所述焊枪结构包括一把三丝焊枪或者三把单丝焊枪或者一把双丝焊枪和一把单丝焊枪。

5.如权利要求1所述的一种用于异种材料连接的三丝熔化极气体保护焊焊接方法，其特征在于，所述三个导电嘴为直导电嘴和弯曲导电嘴中的任意一种。

6.如权利要求1所述的一种用于异种材料连接的三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，焊丝A末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为1～60mm，焊丝B末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为1～60mm，以及每根焊丝轴线延伸线与母材平面的夹角为30°～150°，在垂直于焊接方向上，焊丝A末端在母材平面上的投影点与焊丝C末端在母材平面上的投影点的间距为2～20mm，焊丝B末端在母材平面上的投影点与焊丝C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30°～150°。

7.如权利要求1所述的一种用于异种材料连接的三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三套独立的供气系统组成，每套供气系统由1个高压气瓶、1个气体减压阀、1个气体流量计及1根送气管组成，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。

8.如权利要求1所述的一种用于异种材料连接的三丝熔化极气体保护焊焊接方法，其特征在于，所述焊接保护气体为He、Ar中的至少一种，每个气路的气体流量为10～50L/min。

9.如权利要求1所述的一种用于异种材料连接的三丝熔化极气体保护焊焊接方法，其特征在于，所述焊丝A、焊丝B和焊丝C的焊接模式为CMT、直流、交流和脉冲模式中的任意一种。

10.如权利要求1所述的一种用于异种材料连接的三丝熔化极气体保护焊焊接方法，其特征在于，所述三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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