雙層金屬復合板對焊焊接方法
【專利摘要】本發明公開一種雙層金屬復合板對焊焊接方法，包括以下步驟：(1)在復層坡口中采用熔化焊形成復層焊縫連接復層金屬；(2)在復層焊縫上的基層坡口底部采用噴涂方法制備復層金屬焊縫保護涂層作為過渡層；(3)在基層坡口中采用熔化焊接形成基層焊縫連接基層金屬層。本發明通過焊縫結構設計與焊接方法相結合，保證焊接過程中不發生復層和基層金屬的直接冶金反應，復層和基層金屬焊縫中間具有一層復層金屬焊縫保護涂層，其作用是后續工藝不會對復層金屬焊縫成份引起變化，不會使復層焊縫發生再次熔化。有效避免目前焊接工藝對復層金屬焊縫引起復層金屬成份的變化，提高雙層金屬焊接時復層焊縫的抗腐蝕等性能，并保證復層與基層焊縫無縫隙連接。
【專利說明】
雙層金屬復合板對焊焊接方法
技術領域
[0001 ]本發明屬于材料加工領域，涉及一種金屬復合板的對接焊接方法。【背景技術】
[0002]金屬復合板具有兩種材料的綜合優勢，節約貴重金屬材料，實現了低成本基層和高性能復層的完美結合，有著廣闊的應用前景。然而由于復層和基層材料的物理化學性質差異大、互溶性差等原因，導致金屬復合板采用常規熔焊方法焊接時復層/基層界面附近過渡層焊縫金屬組織性能惡化[1-12]，焊接接頭性能難以保證，嚴重限制了雙金屬復合板在石油天然氣、化工及汽車制造等行業的應用。
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【發明內容】
[0015]本發明的目的在于提供一種雙層金屬復合板對焊焊接方法，該焊接方法可有效避免目前采用焊接工藝對復層金屬焊縫引起的成份變化，可以有效提高雙層金屬焊接時復層/基層界面接合強度并保證復層焊縫的抗腐蝕或導電等性能。
[0016]為實現上述目的，本發明采取的技術方案如下:
[0017]雙層金屬復合板對焊焊接方法，包括以下步驟:
[0018] (1)在復層坡口中采用熔化焊形成復層焊縫連接復層金屬；
[0019] (2)在復層焊縫上的基層坡口底部采用噴涂方法制備復層金屬焊縫保護涂層作為過渡層；
[0020] (3)在基層坡口中采用熔化焊接形成基層焊縫連接基層金屬層。
[0021]進一步的，雙層金屬復合板對焊焊接形成的最終焊縫至少包括三層:復層熔化焊縫層、中間熔化或部分熔化過渡層和基層熔化焊縫層;熔化焊連接基層金屬時，過渡層發生部分熔化或完全熔化，復層焊縫不發生熔化。
[0022]進一步的，復合板復層金屬的連接是冶金結合，焊接方法采用激光焊接或氬弧焊接。
[0023]進一步的，過渡層采用熱噴涂方法制備或冷噴涂方法制備;過渡層的材料為金屬、 金屬合金、金屬陶瓷或陶瓷材料。
[0024]進一步的，雙層金屬復合板的復層金屬為純鈦、純鋁、鈦合金、鋁合金或鈦為連續相的鈦基復合材料。
[0025]進一步的，雙層金屬復合板的基層金屬為鋼材。
[0026]進一步的，過渡層為同質涂層、具有打底層和表面層的不同質涂層或者是梯度過渡涂層。
[0027]進一步的，復層金屬與作為過渡層的金屬保護涂層的結合是機械結合或機械和冶金結合共同起作用。
[0028]進一步的，過渡層與基層金屬焊縫的結合為冶金結合。
[0029]進一步的，復層焊縫表面打磨平整后噴砂，然后再噴涂形成過渡層。
[0030]進一步的，雙層金屬復合板的焊接接口采用以下三種形式之一:
[0031] (1)基層采用雙坡口結構，下部坡口夾角大于上部坡口結構，復層金屬對接不采用坡口設計；
[0032](2)基層和復層均采用V型坡口；[〇〇33](3)基層采用U型坡口，復層采用V型坡口。
[0034]雙層金屬復合板對焊焊接方法，包括以下步驟:
[0035]首先加工雙金屬復合板對接焊坡口，復層金屬對接可以采用V型坡口或不采用坡口設計;基層采用V型、U型或雙坡口方案，即下部坡口夾角較大，上部坡口夾角較小，并且下部坡口暴露出復層金屬的寬度大于1mm。采用熔化焊接方法連接復合板復層金屬;然后采用熱噴涂或冷噴涂方法制備復層金屬焊縫保護涂層;最后再采用熔化焊方法連接復合板基層金屬，在采用熔化焊方法連接復合板基層金屬時，保護涂層可以發生部分熔化，但不能使復層焊縫發生再次熔化。[〇〇36]本發明中，焊接接口可以采用以下三種形式:(1)基層采用雙坡口方案，下部坡口夾角較大，保證噴涂制備的過渡層與復層焊縫和基層接合良好，上部坡口夾角較小以減少基層焊縫體積、提高焊接效率，復層金屬對接不采用坡口設計；(2)基層和復層均采用V型坡口，復層采用V型坡口以保證復層厚度較大時在焊接過程中易焊透；(3)基層采用U型坡口， 復層采用V型坡口。
[0037]相對于現有技術，本發明具有以下有益效果:
[0038]本發明采用熱噴涂或冷噴涂方法制備雙層金屬復合板對接焊焊縫中的過渡層，采用噴涂方法制備過渡層不會使復層焊縫發生再次熔化，不會引起復層金屬焊縫成份的變化。因此，該焊接方法不僅可以有效避免目前采用焊接工藝對復層金屬焊縫引起的成份的變化，也可以有效提高雙層金屬焊接時復層/基層界面附近的接合強度，并保證復層焊縫的抗腐蝕或導電等性能。【附圖說明】
[0039]圖1為一種復層為鈦或鋁基層為鋼的雙層金屬復合板對焊焊縫橫截面示意圖，基層采用雙坡口設計，復層不采用坡口設計；
[0040]圖2為一種復層為鈦或鋁基層為鋼的雙層金屬復合板對焊焊縫橫截面示意圖，基層采用U型坡口，復層采用V型坡口設計；
[0041]圖3為一種復層為鈦或鋁基層為鋼的雙層金屬復合板對焊焊縫橫截面示意圖，基層和復層均采用V型坡口設計。【具體實施方式】[〇〇42]實施例1:TA1/Q345雙金屬復合板對接焊
[0043]按照圖1所示的雙坡口方案加工雙金屬復合板基層對接焊坡口，基層采用雙坡口， 雙坡口底部露出復層7_9mm，復層不采用坡口；然后將坡口根部的TA1復層上表面的鋼全部去除，以保證復層TA1焊縫中不會摻入Q345材料。先采用氬弧焊方法焊接制備復層TA1焊縫， 然后在基層采用雙坡口中采用冷噴涂方法制備出材質為Fe基合金的復層金屬焊縫保護涂層作為過渡層，最后采用氣體保護焊方法焊接制備基層Q345焊縫，從而獲得完整的具有三明治結構的TA1/Q345雙層金屬復合板對接焊接頭。在TA1復層的氬弧焊焊接過程中采用較小線能量保證僅復層材料TA1發生熔化而基層材料Q345不發生熔化;TA1復層焊接完畢以后將復層焊縫表面打磨平整后噴砂，再采用冷噴涂方法在TA1復層焊縫表面上制備復層焊縫保護層，保護涂層的厚度為2-3mm，以保證氣保焊方法焊接制備基層Q345焊縫時僅過渡涂層發生部分熔化而復層TAl及復層焊縫不發生熔化;冷噴涂采用的金屬粉末與基層材質具有良好的可焊性，以保證過渡層/基層焊縫界面附近區域材料具有良好的組織性能;基層Q345焊縫填充焊接過程中采用較小的焊接線能量并且層間充分冷卻。
[0044]實施例2:TA2/235R雙金屬復合板對接焊
[0045]按照圖1所示的雙坡口方案加工雙金屬復合板基層對接焊坡口，雙坡口底部露出復層3-5mm，然后將坡口根部的TAl復層上表面的鋼全部去除，以保證復層TA2焊縫中不會摻入235R材料。先采用激光焊方法焊接制備復層TA2焊縫，然后在基層采用雙坡口中采用熱噴涂方法制備出材質為FeCrAl的復層金屬保護涂層作為過渡層，最后采用氬弧焊的方法焊接制備基層235R焊縫，從而獲得完整的TA2/235R雙層金屬復合板對接焊接頭。在TA2復層的激光焊焊接過程中采用低能量輸入保證僅復層材料TA2發生熔化而基層材料235R不發生熔化;TA2復層焊接完畢后將復層焊縫表面噴砂;再采用火焰噴涂方法在TA2復層焊縫表面上制備復層焊縫保護涂層，材質為FeCrAl的過渡層厚度為3-4mm，以保證氬弧焊焊接制備基層235R時僅過渡層發生部分熔化而復層TA2材料及復層焊縫不發生熔化;火焰噴涂采用的金屬粉末與基層材質具有良好的可焊性，可以采用實例中的FeCrAl，也可以采用與235R可焊性好的金屬材料，以保證過渡層/基層焊縫界面附近區域材料具有良好的組織性能；基層235R焊縫填充焊接過程中采用低能量焊接并且層間充分冷卻。
[0046]實施例3:TA1/X65雙金屬復合管板對接焊
[0047]按照圖2所示的坡口方案加工雙金屬復合板基層對接焊坡口，基層開具U型坡口，U型坡口底部露出復層7-9mm，復層開60度的V型坡口。先采用氬弧焊方法焊接制備復層TAl焊縫，利用氬氣保護復層減少氧化，然后在基層開U型坡口中采用電弧噴涂方法制備出材質為金屬FeCr合金的過渡層;基層的填充焊接采用兩種焊接方法完成，首先采用線能量較小的氬弧焊方法制備厚度約為3mm的焊縫(盡量減少過渡層的熔化量)，然后采用埋弧焊方法完成剩余基層焊縫的填充焊接，從而獲得完整TA1/X65雙層金屬復合板對接焊接頭。在TAl復層的氬弧焊焊接過程中采用較小線能量保證僅復層材料TAl發生熔化而基層材料X65不發生熔化;TAl復層焊接完畢后將復層焊縫表面噴砂;再采用電弧噴涂方法在TAl復層焊縫表面上制備過渡層，材質為FeCr合金的過渡層的厚度為3-5mm，基層X65焊縫填充焊接過程中采用較小的焊接線能量并且層間充分冷卻。
[0048]實施例4:TA2/316L雙金屬復合板對接焊
[0049]按照圖1所示的雙坡口方案加工雙金屬復合板基層對接焊坡口，雙坡口底部露出復層3-5mm，然后將坡口根部的TA2復層上表面的鋼全部去除，以保證復層TA2焊縫中不會摻入316L材料。先采用激光焊方法焊接制備復層TA2焊縫，然后采用冷噴涂方法制備出材質為金屬Ni的過渡層，最后采用氬弧焊方法焊接制備基層316L焊縫，從而獲得完整的TA1/316L雙層金屬復合板對接焊接頭。在TA2復層的激光焊焊接過程中采用低能量輸入保證僅復層材料TA2發生熔化而基層材料316L不發生熔化;TA2復層焊接完畢后將復層焊縫表面打磨平整后噴砂;再采用冷噴涂方法在TA2復層焊縫表面上制備過渡層，材質為金屬Ni的過渡層焊縫具有足夠的厚度，約為3mm，以保證氬弧焊方法焊接制備基層316L焊縫時僅材質為金屬Ni的過渡層發生部分熔化而復層TA2材料不發生熔化;熱噴涂采用的金屬粉末與基層材質不相同，基層316L焊縫填充焊接過程中采用低能量焊接并且層間充分冷卻。
[0050]實施例5:TC1/SUS304雙金屬復合板對接焊
[0051]按照圖3所示的坡口方案加工雙金屬復合板基層對接焊坡口，復層和基層均采用60度的V型坡口設計，基層坡口底部需要露出復層寬度約為7-9mm，然后將基層坡口根部的TC4復層上表面的鋼全部去除，以保證復層TC4焊縫中不會摻入SUS304材料。先采用氬弧焊方法焊接制備復層TC4焊縫，然后采用冷噴涂方法制備出材質為金屬Ni的過渡層，最后采用氬弧焊方法焊接制備基層SUS304焊縫，從而獲得完整的具有三明治結構的TC4/SUS304雙層金屬復合板對接焊接頭。
[0052]實施例6:鋁合金/Q235雙金屬復合板對接焊
[0053]按照圖1所示的雙坡口方案加工雙金屬復合板基層對接焊坡口，雙坡口底部露出復層7-9mm，然后將坡口根部的TAl復層上表面的鋼全部去除，以保證復層鋁合金焊縫中不會摻入Q235材料。先采用氬弧焊方法焊接制備復層鋁合金焊縫，然后采用電弧噴涂方法制備出材質為FeCr的過渡層，最后采用埋弧焊的方法焊接制備基層Q235焊縫，從而獲得完整的具有三明治結構的鋁合金/Q235雙層金屬復合板對接焊接頭。在復層鋁合金的氬弧焊焊接過程中采用較小線能量保證僅復層材料鋁合金發生熔化而基層材料Q235不發生熔化;鋁合金復層焊接完畢后將復層焊縫表面打磨平整后噴砂;再采用電弧噴涂方法在鋁合金復層焊縫表面上制備過FeCr過渡層，制備基層Q235焊縫時過渡層發生部分熔化而復層鋁合金材料不發生熔化;基層Q235焊縫填充焊接過程中采用較小的焊接線能量并且層間充分冷卻。
[0054]實施例7:純鋁/316不銹鋼雙金屬復合板對接焊
[0055]實施例7與實施例6的不同僅為焊接材料的不同。
【主權項】
1.雙層金屬復合板對焊焊接方法，其特征在于，包括以下步驟:(1)在復層坡口中采用熔化焊形成復層焊縫連接復層金屬；(2)在復層焊縫上的基層坡口底部采用噴涂方法制備復層金屬焊縫保護涂層作為過渡 層；(3)在基層坡口中采用熔化焊接形成基層焊縫連接基層金屬層。2.根據權利要求1所述的雙層金屬復合板對焊焊接方法，其特征在于，雙層金屬復合板 對焊焊接形成的最終焊縫至少包括三層:復層熔化焊縫層、中間熔化或部分熔化過渡層和 基層熔化焊縫層;熔化焊連接基層金屬時，過渡層發生部分熔化或完全熔化，復層焊縫不發 生熔化。3.根據權利要求1所述的雙層金屬復合板對焊焊接方法，其特征在于，復合板復層金屬 的連接是冶金結合，焊接方法采用激光焊接或氬弧焊接。4.根據權利要求1所述的雙層金屬復合板對焊焊接方法，其特征在于，過渡層采用熱噴 涂方法制備或冷噴涂方法制備;過渡層的材料為金屬、金屬合金、金屬陶瓷或陶瓷材料。5.根據權利要求1所述的雙層金屬復合板對焊焊接方法，其特征在于，雙層金屬復合板 的復層金屬為純鈦、純鋁、鈦合金、鋁合金或鈦為連續相的鈦基復合材料。6.根據權利要求1所述的雙層金屬復合板對焊焊接方法，其特征在于，過渡層為同質涂 層、具有打底層和表面層的不同質涂層或者是梯度過渡涂層。7.根據權利要求1所述的雙層金屬復合板對焊焊接方法，其特征在于，復層金屬與作為 過渡層的金屬保護涂層的結合是機械結合或機械和冶金結合共同起作用。8.根據權利要求1所述的雙層金屬復合板對焊焊接方法，其特征在于，過渡層與基層金 屬焊縫的結合為冶金結合。9.根據權利要求1所述的雙層金屬復合板對焊焊接方法，其特征在于，復層焊縫表面打 磨平整后噴砂，然后再噴涂形成過渡層。10.根據權利要求1所述的雙層金屬復合板對焊焊接方法，其特征在于，雙層金屬復合 板的焊接接口采用以下三種形式之一:(1)基層采用雙坡口結構，下部坡口夾角大于上部坡口結構，復層金屬對接不采用坡口 設計；(2)基層和復層均采用V型坡口；(3)基層采用U型坡口，復層采用V型坡口。
【文檔編號】B23K31/02GK106001967SQ201610566179
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月18日
【發明人】李成新, 譚香, 付斯林, 張林杰, 雒曉濤, 楊冠軍, 李長久
【申請人】西安交通大學