一种层状双金属复合材料高效对接激光焊接方法

摘要

本发明公开了一种层状双金属复合材料高效对接激光焊接方法，在靠近复层一侧的基层上设置基层保留层，构成I型坡口；借助了在激光熔透型焊接过程中，熔池内上下两个部位的液态金属在金属蒸汽摩擦和温度梯度的作用下在各自的位置上进行Marangoni对流，而彼此之间发生很少的对流交换的特征与层状双金属复合材料的层状特征相匹配的特性，保证了焊缝中两种金属材料各自的性能特性。其优点在于：实现了复层金属和部分基层金属的一次性对接焊接成型；省略了传统复合板或复合管对接焊接时的封焊和过渡层焊接工序；减小了剩余基层坡口的深度和宽度，即减小了基层焊接量。

说明书

【技术领域】

本发明属于材料加工技术领域，涉及一种层状双金属复合材料高效对接激光焊接方法。

【背景技术】

层状结构双金属复合材料是指通过爆炸焊接、轧制等工艺使强度、熔点、热膨胀系数差异 极为悬殊的不同金属实现的机械或者冶金结合，得到一种新的复合型的结构材料，其特点在于 集不同材料的优点于一身，充分发挥不同材料特性，同时，极大地节约稀贵金属材料，降低设 备的制造成本，使稀贵金属在许多领域的应用成为可能，例如，在腐蚀性环境较强的石油、石 化企业、核工业及医药、食品加工等领域，以碳钢为基层，不锈钢为复层的层状的双金属复合 管和复合板已得到了大量的应用。使用不锈钢复合板的主要目的在于一方面充分利用其基材的 高强度、塑韧性和覆层的耐腐蚀、耐热、耐磨、光亮等特殊性能，另一方面不锈钢复层厚度通 常只占复合板总厚度的10%～20%，所以可节约大量的不锈钢，价格可降至整体不锈钢板的 2/3～3/4。

尽管层状双金属复合材料有其优越性，但在结构制造中，两种不同的材料属性也给层状双 金属复合材料焊接成型方法带来了新的问题。例如，在焊接过程中，接头凝固过渡层的形成易 导致焊缝金属中生成脆性相而使接头的塑韧性下降；接头界面合金元素碳的迁移使接头的力学 性能和耐腐蚀性能下降等都是阻碍双金属复合管的焊接成型问题。在层状双金属复合材料焊接 时，需重点关注以下问题：接头界面附近熔合区的显微组织、合金元素分布的梯度变化、以及 在焊接过渡层时如何避免裂纹的产生、如何保证过渡层焊缝与覆层不锈钢具有相近的抗腐蚀性 能等。显然，这些焊接技术问题的解决，对该类材料在实际生产中的大规模推广应用具有非常 重要的意义。目前，国内外对一些双金属复合管的焊接工艺及焊接性已有相对较多的研究，并 取得了一定进展。复合管的焊接不同于复合板的焊接,传统的复合板可以先焊基层,再焊过渡 层，如图1a所示（1至n+2的焊接顺序）。复合管由于受管径的影响,只能先进行复层对接焊, 再焊过渡层,最后进行基层的焊接（1至n的焊接顺序）。在施工中发现,由于管材椭圆度的 影响,衬层的厚度一般在2～3mm,组对十分困难,此外若焊枪的位置和力度控制不好,往往造 成衬层烧穿,于是确定了先进行封焊再进行根焊的焊接工序,如图1b所示，实践证明封焊后的 焊接接头,减少了组对的错边量,解决了衬层和基层钢管的相对位移问题,同时也解决了衬层 金属热导率小、焊接热量传输速度慢和途径单一等问题,避免了焊缝过热而造成焊接困难、焊 后成型差和主要合金元素过量烧损等现象的发生;也避免了直接在接头坡口处产生未熔合和 焊接裂纹等缺陷，为焊接的顺利进行提供了便利。

大量的已有研究表明，采用图1a和图1b中所示的焊接工艺可以实现了双金属复合板和复 合管的焊接，对焊接接头的性能评价也满足工程应用中的要求。但从焊接工艺的效率性上来看， 图1a和图1b所示的已成熟的焊接工艺相对来说比较复杂，要采用不同的焊接工艺参数分别焊 接复层、过渡层、基层，而且往往每一层的焊接材料也不相同。复杂的焊接工艺必然也导致低 的焊接效率，以至于导致较低的生产制造效率，所以，从双金属复合管的焊接工艺及其焊接效 率来说开发出更高效的焊接成型工艺是十分有意义的。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种层状双金属复合材料高效对接激光焊接方法，以解决层状双金 属复合材料对接焊接时工序复杂、焊接效率低下的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种层状双金属复合材料高效对接激光焊接方法，包括以下步骤：

1）在复合板或复合管中靠近复层一侧的基层上设置基层保留层，基层保留层的厚度为复 层厚度的0.9-1.1倍；在基层保留层上的其余上层基层上开取剩余基层焊接坡口；

2）对接复合板或复合管，基层保留层和复层构成I型坡口；I型坡口上形成剩余基层焊接 坡口；

3）采用激光焊接工艺对复层及基层保留层组成的I型坡口处进行熔透焊接；

4）然后焊接剩余基层焊接坡口，完成整个对焊过程。

本发明进一步的改进在于：I型坡口对接无间隙或者间隙量小于0.1mm。

本发明进一步的改进在于：剩余基层焊接坡口为V型或U型坡口。

本发明进一步的改进在于：I型坡口横截面上两块复合板或复合管之间没有错边量或者错 边量小于0.1mm。

本发明进一步的改进在于：I型坡口的焊缝横截面形貌符合上下对称的双钉子头形貌特征。

本发明坡口形貌和尺寸的设计包括以下几个原则：

①依据复合板或者复合管中复层的厚度设计靠近复层一侧的I型对接坡口尺寸，即保持I 型对接坡口区域的基层厚度和复层厚度大体相当；

②依据复层一侧的I型对接坡口尺寸设计之后剩余的基层厚度和拟采用的焊接工艺方式设 计后续的基层焊接坡口。

所述的保证复层处的I型坡口具有一定的对接精度是指在焊接前对复合板或者复合管对接 装配夹持时应保证坡口无间隙或者间隙小于激光光斑，应保证在坡口横截面上两块试样之间没 有错边量或者错边量很小。

所述的合适的激光焊接工艺参数是指依据复合板或者复合管对接接头处I型坡口位置处复 层和保留基层的总厚度选择合适的激光功率和焊接速度保证可以实现对I型坡口熔透型焊接。

所述的熔透焊接指保证合适的焊接工艺，使得得到的焊缝横截面形貌符合上下对称的双钉 子头形貌特征。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种层状双金属复合材料的高效焊接方法，是一种基于激光熔透型焊接时， 熔池内的液态金属流动行为特征和层状双金属复合板或复合管的层状结构特征的匹配特征提 出的一种方法，借助了在激光熔透型焊接过程中，熔池内上下两个部位的液态金属在金属蒸汽 摩擦和温度梯度的作用下在各自的位置上进行Marangoni对流，而彼此之间发生很少的对流交 换的特征，在保证了焊缝中两种金属材料各自的性能特性基础上实现了层状双金属复合材料的 一次性焊接成型技术。

本发明的技术效果还在于以下两点：①通过实现层状双金属复合板或复合管中对接焊接中 的复层和部分基层一次焊接成型基层上，减少了传统层状双金属复合板或复合管封焊和过渡层 的焊接工序，可在激光焊缝基层上直接展开剩余基层的焊接工序；②通过实现层状双金属复合 板或复合管中对接焊接中的复层和部分基层一次焊接成型基层上，减小了层状双金属复合板或 复合管中剩余基层的厚度，减小了剩余基层所需要开取坡口宽度，从而减少后续基层的焊接工 作量。

【附图说明】

图1a和图1b为现有复合板、复合管对接坡口示意图；

图2a和图2b本发明所采取的复合板或复合管对接坡口示意图；

图3传统焊接工艺所采取的复合板或复合管对接坡口示意图；

图4激光熔透焊时熔池内金属流动行为特征与复合板或复合管结构特征匹配示意图；

图5实施例中得到的DSS2205-X65层状双金属复合板焊接接头横截面宏观形貌。

图6实施例中得到的DSS2205-X65层状双金属复合板焊接接头横截面内部分微区的显微组 织形貌。

【具体实施方式】

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供一种层状双金属复合材料高效对接激光焊接方法，是一种基于激光熔透型焊接 时，熔池内的液态金属流动行为特征和层状双金属复合板或复合管的层状结构特征的匹配特征 提出的一种方法，借助了在激光熔透型焊接过程中，熔池内上下两个部位的液态金属在金属蒸 汽摩擦和温度梯度的作用下在各自的位置上进行Marangoni对流，而彼此之间发生很少的对流 交换的特征，在保证了焊缝中两种金属材料各自的性能特性基础上实现了层状双金属复合材料 的一次性焊接成型技术，其原理示意图如图4所示。

本发明的技术效果还在于一下两点：①通过实现层状双金属复合板或复合管中对接焊接中 的复层和部分基层一次焊接成型基层上，减少了传统层状双金属复合板或复合管封焊21和过 渡层22（如附图3所示）的焊接工序，可在激光焊缝基层上直接展开剩余基层的焊接工序； ②通过实现层状双金属复合板或复合管中对接焊接中的复层和部分基层一次焊接成型基层上， 减小了层状双金属复合板或复合管中剩余基层的厚度（如附图1（a）和图1（b）中剩余层d< 附图3中剩余层d1），减小了剩余基层所需要开取坡口宽度（如附图1中坡口宽度D<附图3 中坡口宽度D1），从而减少后续基层的焊接工作量。

本实施例采用YLS-4000型光纤激光器对DSS2205-X65层状双金属复合板进行焊接，复合 板中双向不锈钢DSS2205（复层11）厚度为2mm，管线钢X65（基层12）的厚度为16mm，具体 的操作步骤如下：

（1）依据DSS2205-X65层状双金属复合板中复层11的厚度，针对DSS2205-X65层状双金 属复合板对接焊接设计如附图2a中所示坡口，坡口特点在于：在靠近复层11（DSS2205）一 侧保留和复层11相同厚度的基层12（X65）（复层厚度b=基层保留层厚度f），这样使复层11 和2mm厚的基层保留层共同组成了一个厚度为4mm的I型坡口，其余上层基层12开取成V型 坡口。如图2（b）所示其余上层基层12还可以开取成U型坡口。

（2）依据步骤（1）的设计对DSS2205-X65层状双金属复合板开取坡口，在对步骤（1） 中的I型对接坡口焊接前，对试板通过装配夹持，保证坡口对接无间隙或者间隙小于激光光斑， 保证坡口无错边或者错边很小。

（3）依据步骤（1）中I型坡口厚度和已有的试验工艺经验选择焊接激光功率为3500W， 焊接速度为1.5m/min。

（4）依据步骤（3）中工艺参数对步骤（2）中开取I型坡口进行焊接，实现了熔透型焊 接；

（5）然后焊接V型坡口，完成整个对焊过程。

对得到的焊接接头进行金相组织观察和分析，评价发明内容的合理性和可行性。

对实例得到的接头和横截面进行形貌观察和显微组织分析，图5为实施例中得到的焊缝横 截面宏观形貌，从图中可以看出焊缝内部上下两个部分的组织形貌完全不同，并且在焊缝中间 部位有明显的界限（如图中虚线所示），这说明在激光对复合板焊接时，焊缝内部上下两层金 属没有发生太多的对流或交换。图6为图5焊缝中相应微观区域的组织特征，从图中可以看出， 在位于焊缝上部，下部和中部虚线交接出的显微组织各不相同，上部显微组织为典型的碳钢组 织（层片状珠光体无序的分布在铁素体基体上），下部显微组织为典型的DSS2205双相组织（铁 素体+奥氏体），在焊缝中部两种组织的交界处界线明显，界线（图中虚线）上部为碳钢组织形 貌，下部DSS2205双相组织形貌。

最后说明的是，本实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领普通技术人员对本 发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神范围，均应 涵盖在本发明的权利要求范围中。