[发明专利]一种层状双金属复合材料高效对接激光焊接方法

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；