本發(fā)明涉及金屬焊接領(lǐng)域，尤其涉及一種碳鋼-含鎳合金復(fù)合板激光對(duì)接焊方法。

背景技術(shù)：

隨著工程環(huán)境介質(zhì)的復(fù)雜化，在多數(shù)工程領(lǐng)域，單一組元材料已難以同時(shí)滿(mǎn)足成本與性能需求，由兩種及以上性能不同的金屬通過(guò)一定的加工制備手段復(fù)合而成的材料，兼具兩種金屬組元各自的優(yōu)點(diǎn)的材料稱(chēng)之為雙金屬?gòu)?fù)合板。其中以碳鋼為基層，以一定厚度的不銹鋼或鎳基合金為覆層，通過(guò)爆炸焊、真空軋制或其它復(fù)合的方式實(shí)現(xiàn)牢靠的冶金結(jié)合的碳鋼－含鎳合金復(fù)合板兼具覆層的高塑性、高韌性及基層的高強(qiáng)度，且耐蝕、耐磨、耐熱的覆層材料提高惡劣工作環(huán)境的適應(yīng)性，與傳統(tǒng)單一組元鋼板相比，可節(jié)約鎳、鉻等合金元素含量70％～80％，從而節(jié)約成本30％～50％，具有顯著的性能和成本優(yōu)勢(shì)，因此在石油化工、機(jī)械工程、食品醫(yī)療、核電、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

盡管碳鋼－含鎳合金復(fù)合板有其優(yōu)越性，單在結(jié)構(gòu)制備與連接時(shí)由于其由兩種及以上材料復(fù)合形成，不同材料的化學(xué)成分、微觀組織及力學(xué)性能之間可能差異很大，因此對(duì)接焊接難度要遠(yuǎn)高于單一組元金屬材料。例如，在焊接過(guò)程中合金元素的擴(kuò)散與偏析，易形成復(fù)雜的金屬間化合物，造成基層的脆化，在基層側(cè)產(chǎn)生凝固裂紋；碳元素的遷移，容易在界面結(jié)合處形成碳化物，使其組織成分不均勻、不穩(wěn)定，從而影響到力學(xué)性能和耐腐蝕性能等；基層與覆層異種金屬熱物性的差異，使焊接凝固過(guò)程收縮率差別大，容易引起較大的殘余應(yīng)力導(dǎo)致接頭開(kāi)裂。因此解決這些焊接性難題，對(duì)于碳鋼－含鎳合金復(fù)合板的實(shí)際生產(chǎn)與應(yīng)用具有重要意義。

目前碳鋼－含鎳合金復(fù)合板的焊接在實(shí)際工程領(lǐng)域以電弧焊為主，而傳統(tǒng)電弧焊方法，熱輸入量大、能量密度低、熔化區(qū)域大，在覆層和過(guò)渡層焊接時(shí)，為避免合金元素的稀釋?zhuān)‰娏鳌⒌蜔彷斎氲暮附右蟠蟠蠼档土撕附邮┕ば?；在焊接覆層與基層交界處，需要采用較覆層更高合金元素含量的焊材來(lái)進(jìn)行過(guò)渡層焊接，這進(jìn)一步增加了焊接成本。受限于焊接方法、焊接設(shè)備和焊接條件，碳鋼－含鎳耐蝕合金復(fù)合板的焊接通常為大角度的y形或x形坡口，且主要為以基層-過(guò)渡層-覆層為焊接順序的雙面焊工藝，除了需要消耗更多的焊材，也會(huì)增加焊接工序以及焊接接頭殘余拉應(yīng)力和焊接變形量，影響到焊接效率和焊接質(zhì)量。對(duì)于小口徑的內(nèi)襯覆層的復(fù)合管制造和連接以及一些結(jié)構(gòu)的空間限制等會(huì)導(dǎo)致無(wú)法在覆層側(cè)施焊的情況，需要從基層側(cè)施焊。雖然全焊道采用覆層匹配焊材可以實(shí)現(xiàn)覆層-過(guò)渡層-基層的單面焊焊接順序，但會(huì)導(dǎo)致昂貴的覆層焊材消耗量增加。因此，從降低焊接成本和提高焊接效率考量，開(kāi)發(fā)一種更為高效的碳鋼－含鎳耐蝕合金復(fù)合板焊接方法是十分有意義的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是解決碳鋼－含鎳耐蝕合金復(fù)合板對(duì)接焊焊接變形量大、焊材成本高、焊接效率低的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種碳鋼－含鎳合金復(fù)合板基層側(cè)單面對(duì)接超窄間隙激光填絲焊接方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

步驟一、加工待對(duì)接復(fù)合板，所述待對(duì)接復(fù)合板包括碳鋼基層1和不銹鋼或鎳基合金覆層2，所述碳鋼基層1與所述不銹鋼或鎳基合金覆層2上下連接，加工所述碳鋼基層1的側(cè)端面，使得所述碳鋼基層1的側(cè)端面與所述不銹鋼或鎳基合金覆層2的側(cè)面形成階梯形結(jié)構(gòu)，打磨并清潔所述碳鋼基層1的側(cè)端面與所述不銹鋼或鎳基合金覆層2的側(cè)面；

步驟二、對(duì)接兩塊所述待對(duì)接復(fù)合板，兩塊所述待對(duì)接復(fù)合板的所述碳鋼基層1側(cè)面構(gòu)成間隙u形坡口3，所述不銹鋼或鎳基合金覆層2形成i形對(duì)接縫；

步驟三、從所述碳鋼基層1予以施焊，對(duì)所述不銹鋼或鎳基合金覆層2對(duì)接采用激光自熔焊或激光填絲焊方法，形成不銹鋼或鎳基合金覆層焊縫7；

步驟四、采用激光填絲焊方法在所述不銹鋼或鎳基合金覆層焊縫7上表面對(duì)u形坡口3實(shí)施填充焊，形成碳鋼基層的首道激光填絲碳鋼焊縫8；

步驟五、采用激光填絲多層道焊方法在所述首道激光填絲碳鋼焊縫8上表面施焊，形成碳鋼基層后續(xù)填充焊縫9，直至所述u形坡口3被填滿(mǎn)，完成碳鋼－含鎳合金復(fù)合板的對(duì)接焊。

進(jìn)一步地，步驟二所述的u形坡口3的上寬度d不超過(guò)7mm，下寬度d不小于2mm，所述u形坡口3單邊角度為4°～10°，打磨并清潔復(fù)合板上下表面的范圍為距離所述u形坡口15～20mm。

進(jìn)一步地，步驟二所述的i形對(duì)接縫間隙寬度小于0.1mm。

進(jìn)一步地，所采用的激光為光纖激光，碟片激光，半導(dǎo)體激光或co2激光。

進(jìn)一步地，激光焊接的激光光束4入射角α為6°～8°，焊絲導(dǎo)管5送絲角度β為45°～55°，所用的焊絲6直徑為1.0～1.2mm，干伸長(zhǎng)度為9～11mm。

進(jìn)一步地，步驟三中的所述激光填絲焊所用的焊絲為與所述不銹鋼或鎳基合金覆層2匹配的高合金焊絲，步驟四和步驟五中所述激光填絲焊所用的焊絲為與所述碳鋼基層1匹配的碳鋼焊絲。

進(jìn)一步地，步驟四和步驟五中所述激光的光斑為單光斑或雙光斑或三光斑。

進(jìn)一步地，步驟四和步驟五中的所述碳鋼基層1的激光焊接為激光熱傳導(dǎo)焊模式，采用窄間隙激光填絲焊接方法。

進(jìn)一步地，步驟三中的所述不銹鋼或鎳基合金覆層2的激光焊接速度為2.4m/min～3.6m/min，步驟四和步驟五中的所述碳鋼基層1的激光填絲焊焊接速度為0.4m/min～1.2m/min，送絲速度為3m/min～12m/min。

進(jìn)一步地，步驟四中的所述的首道激光填絲碳鋼焊縫8熔深為0.3～1.0mm，堆高為1.4～2.4mm，步驟五中的所述的后續(xù)填充焊縫(9)的熔深不超過(guò)前一道焊縫底部。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明提供了一種碳鋼－含鎳合金復(fù)合板基層側(cè)單面對(duì)接超窄間隙激光填絲多層道焊接方法。對(duì)于小口徑的內(nèi)襯覆層的復(fù)合管連接以及一些結(jié)構(gòu)的空間限制等會(huì)導(dǎo)致無(wú)法在覆層側(cè)施焊的情況，本發(fā)明可以從基層側(cè)進(jìn)行單面焊接，有效解決上述問(wèn)題，另外本發(fā)明通過(guò)超窄間隙的坡口設(shè)計(jì)，減小了焊絲填充量、焊接變形量及殘余拉應(yīng)力，提高了焊接效率和質(zhì)量。。

本發(fā)明的技術(shù)效果還體現(xiàn)在以下方面：與傳統(tǒng)電弧焊相比，激光焊熱輸入小、熱影響區(qū)域窄，對(duì)接接頭殘余拉應(yīng)力小，進(jìn)一步地碳鋼基層側(cè)采用碳鋼焊絲，并在碳鋼基層首道激光填絲焊采用熱導(dǎo)焊焊接模式減小了含鎳耐蝕合金熔入比，從而既降低了焊材成本、減少焊接工序又能保證焊接接頭性能與質(zhì)量，具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)和效率優(yōu)勢(shì)。

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說(shuō)明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

附圖說(shuō)明

圖1為碳鋼－含鎳合金復(fù)合板焊接過(guò)程示意圖；

圖2為碳鋼－含鎳合金復(fù)合板焊后示意圖；

圖3為碳鋼－含鎳合金復(fù)合板的坡口示意圖；

圖4為碳鋼－含鎳合金復(fù)合板焊縫示意圖；

圖5為本發(fā)明的實(shí)例一中碳鋼－含鎳合金復(fù)合板焊接接頭橫截面形貌圖。

其中，1-碳鋼基層、2-不銹鋼或鎳基合金覆層、3-u形坡口、4-激光光束、5-焊絲導(dǎo)管、6-焊絲、7-不銹鋼或鎳基合金覆層焊縫、8-首道碳鋼填充焊縫、9-碳鋼基層后續(xù)填充焊縫。

具體實(shí)施方式

以下參考說(shuō)明書(shū)附圖介紹本發(fā)明的多個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，使其技術(shù)內(nèi)容更加清楚和便于理解。本發(fā)明可以通過(guò)許多不同形式的實(shí)施例來(lái)得以體現(xiàn)，本發(fā)明的保護(hù)范圍并非僅限于文中提到的實(shí)施例。

在附圖中，結(jié)構(gòu)相同的部件以相同數(shù)字標(biāo)號(hào)表示，各處結(jié)構(gòu)或功能相似的組件以相似數(shù)字標(biāo)號(hào)表示。附圖所示的每一組件的尺寸和厚度是任意示出的，本發(fā)明并沒(méi)有限定每個(gè)組件的尺寸和厚度。為了使圖示更清晰，附圖中有些地方適當(dāng)夸大了部件的厚度。

實(shí)施例一

本實(shí)施例中，以(3.8+17)mm的in825/l450復(fù)合板材為例進(jìn)行焊接，參照?qǐng)D1-5進(jìn)行說(shuō)明具體的操作步驟。

依據(jù)步驟一通過(guò)機(jī)械銑削加工方式在碳鋼基層1側(cè)面加工出u形坡口3，單邊坡口為6°，并加工不銹鋼或鎳基合金覆層2，使得碳鋼基層1的側(cè)端面與不銹鋼或鎳基合金覆層2的側(cè)面形成階梯形結(jié)構(gòu)，用砂紙打磨并用乙醇、丙酮清潔坡口表面及其附近15mm范圍內(nèi)的油污及氧化膜。

依據(jù)步驟二將試板通過(guò)裝配夾持，保證坡口對(duì)接間隙小于0.1mm，保證坡口錯(cuò)邊量小于0.1mm，碳鋼基層1的u形坡口3下寬度d為2.0mm，上寬度d為5.6mm。

依據(jù)步驟三使用ipgyls-10000型光纖激光器從碳鋼基層側(cè)施焊，焊接過(guò)程中用純度為99.99％的氬氣作為保護(hù)氣體，氣流量為15l/min，以激光功率p＝4.5kw，焊接速度vs＝2.4m/min，離焦量f＝0mm，激光光束4入射角α＝7.5°的工藝參數(shù)形成覆層激光自熔焊焊縫7。

依據(jù)步驟四使用ipgyls-10000型光纖激光器從碳鋼基層側(cè)施焊，選用焊材為er50-6(φ1.2mm)焊絲，焊接過(guò)程中用純度為99.99％的氬氣作為保護(hù)氣體，氣流量為15l/min，以激光功率p＝4kw，焊接速度vs＝1.2m/min，送絲速度vf＝5m/min，離焦量f＝+15mm，激光光束4入射角α＝7.5°，焊絲導(dǎo)管5送絲角度β＝49.5°，焊絲6干伸長(zhǎng)l＝10mm的工藝參數(shù)形成碳鋼基層的首道激光填絲碳鋼焊縫(8)。

依據(jù)步驟五在碳鋼基層的首道碳鋼填充焊縫8上以p＝4.5kw，vs＝0.9m/min，vf＝12m/min，f＝+15mm，α＝7.5°，β＝49.5°，l＝10mm的工藝參數(shù)繼續(xù)形成碳鋼基層的填充焊縫，直至填滿(mǎn)坡口，完成整個(gè)對(duì)接焊過(guò)程。

焊接接頭橫截面如圖5所示，焊接接頭成形良好，觀察焊縫橫截面未發(fā)現(xiàn)裂紋、側(cè)壁未熔合及焊接氣孔等缺陷，碳鋼基層的首道碳鋼填充焊縫8熔深為0.6～0.7mm，堆高為1.9～2.1mm。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無(wú)需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書(shū)所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。

技術(shù)特征：

1.一種碳鋼-含鎳合金復(fù)合板激光對(duì)接焊方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

步驟一、加工待對(duì)接復(fù)合板，所述待對(duì)接復(fù)合板包括碳鋼基層(1)和不銹鋼或鎳基合金覆層(2)，所述碳鋼基層(1)與所述不銹鋼或鎳基合金覆層(2)上下連接，加工所述碳鋼基層(1)的側(cè)端面，使得所述碳鋼基層(1)的側(cè)端面與所述不銹鋼或鎳基合金覆層(2)的側(cè)面形成階梯形結(jié)構(gòu)，打磨并清潔所述碳鋼基層(1)的側(cè)端面與所述不銹鋼或鎳基合金覆層(2)的側(cè)面；

步驟二、對(duì)接兩塊所述待對(duì)接復(fù)合板，兩塊所述待對(duì)接復(fù)合板的所述碳鋼基層(1)側(cè)面構(gòu)成間隙u形坡口(3)，所述不銹鋼或鎳基合金覆層(2)形成i形對(duì)接縫；

步驟三、從所述碳鋼基層(1)予以施焊，對(duì)所述不銹鋼或鎳基合金覆層(2)對(duì)接采用激光自熔焊或激光填絲焊方法，形成不銹鋼或鎳基合金覆層焊縫(7)；

步驟四、采用激光填絲焊方法在所述不銹鋼或鎳基合金覆層焊縫(7)上表面對(duì)u形坡口(3)實(shí)施填充焊，形成碳鋼基層的首道激光填絲碳鋼焊縫(8)；

步驟五、采用激光填絲多層道焊方法在所述首道激光填絲碳鋼焊縫(8)上表面施焊，形成碳鋼基層后續(xù)填充焊縫(9)，直至所述u形坡口(3)被填滿(mǎn)，完成碳鋼－含鎳合金復(fù)合板的對(duì)接焊。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳鋼-含鎳合金復(fù)合板激光對(duì)接焊方法，其特征在于，步驟二所述的u形坡口(3)的上寬度d不超過(guò)7mm，下寬度d不小于2mm，所述u形坡口(3)單邊角度為4°～10°，打磨并清潔復(fù)合板上下表面的范圍為距離所述u形坡口15～20mm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳鋼-含鎳合金復(fù)合板激光對(duì)接焊方法，其特征在于，步驟二所述的i形對(duì)接縫間隙寬度小于0.1mm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳鋼-含鎳合金復(fù)合板激光對(duì)接焊方法，其特征在于，所采用的激光為光纖激光，碟片激光，半導(dǎo)體激光或co2激光。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳鋼-含鎳合金復(fù)合板激光對(duì)接焊方法，其特征在于，激光焊接的激光光束(4)入射角α為6°～8°，焊絲導(dǎo)管(5)送絲角度β為45°～55°，所用的焊絲(6)直徑為1.0～1.2mm，干伸長(zhǎng)度為9～11mm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳鋼-含鎳合金復(fù)合板激光對(duì)接焊方法，其特征在于，步驟三中的所述激光填絲焊所用的焊絲為與所述不銹鋼或鎳基合金覆層(2)匹配的高合金焊絲，步驟四和步驟五中所述激光填絲焊所用的焊絲為與所述碳鋼基層(1)匹配的碳鋼焊絲。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳鋼-含鎳合金復(fù)合板激光對(duì)接焊方法，其特征在于，步驟四和步驟五中所述激光的光斑為單光斑或雙光斑或三光斑。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳鋼-含鎳合金復(fù)合板激光對(duì)接焊方法，其特征在于，步驟四和步驟五中的所述碳鋼基層(1)的激光焊接為激光熱傳導(dǎo)焊模式，采用窄間隙激光填絲焊接方法。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳鋼-含鎳合金復(fù)合板激光對(duì)接焊方法，其特征在于，步驟三中的所述不銹鋼或鎳基合金覆層(2)的激光焊接速度為2.4m/min～3.6m/min，步驟四和步驟五中的所述碳鋼基層(1)的激光填絲焊焊接速度為0.4m/min～1.2m/min，送絲速度為3m/min～12m/min。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳鋼-含鎳合金復(fù)合板激光對(duì)接焊方法，其特征在于，步驟四中的所述的首道激光填絲碳鋼焊縫(8)熔深為0.3～1.0mm，堆高為1.4～2.4mm，步驟五中的所述的后續(xù)填充焊縫(9)的熔深不超過(guò)前一道焊縫底部。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開(kāi)了一種碳鋼?含鎳合金復(fù)合板激光對(duì)接焊方法，通過(guò)碳鋼基層的超窄間隙U形坡口設(shè)計(jì)，從碳鋼基層側(cè)施焊，先將不銹鋼或鎳基合金覆層I形對(duì)接縫采用激光自熔焊或激光填絲焊焊接一道熔透，再采用激光填絲焊在不銹鋼或鎳基合金覆層焊縫上的U形坡口內(nèi)形成具有淺熔深特征的首道碳鋼焊縫，在首道碳鋼焊縫上采用激光填絲焊繼續(xù)施焊，形成碳鋼基層的后續(xù)填充焊縫，直至U形坡口被填滿(mǎn)，完成碳鋼－含鎳合金復(fù)合板的對(duì)接焊。對(duì)于一些口徑小的復(fù)合管連接或空間限制的結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致無(wú)法在覆層側(cè)施焊的情況，本發(fā)明可以從基層側(cè)進(jìn)行單面焊接，有效解決上述問(wèn)題，另外本發(fā)明減小了焊絲填充量、焊接變形量及殘余拉應(yīng)力，提高了焊接效率和質(zhì)量。

技術(shù)研發(fā)人員：黃堅(jiān);范昊天;聶璞林;姚成武

受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海交通大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2020.09.16

技術(shù)公布日：2020.12.25