本发明涉及金属焊接领域，尤其涉及一种碳钢-含镍合金复合板激光对接焊方法。
背景技术：
随着工程环境介质的复杂化，在多数工程领域，单一组元材料已难以同时满足成本与性能需求，由两种及以上性能不同的金属通过一定的加工制备手段复合而成的材料，兼具两种金属组元各自的优点的材料称之为双金属复合板。其中以碳钢为基层，以一定厚度的不锈钢或镍基合金为覆层，通过爆炸焊、真空轧制或其它复合的方式实现牢靠的冶金结合的碳钢－含镍合金复合板兼具覆层的高塑性、高韧性及基层的高强度，且耐蚀、耐磨、耐热的覆层材料提高恶劣工作环境的适应性，与传统单一组元钢板相比，可节约镍、铬等合金元素含量70％～80％，从而节约成本30％～50％，具有显著的性能和成本优势，因此在石油化工、机械工程、食品医疗、核电、航空航天等领域具有广泛应用。
尽管碳钢－含镍合金复合板有其优越性，单在结构制备与连接时由于其由两种及以上材料复合形成，不同材料的化学成分、微观组织及力学性能之间可能差异很大，因此对接焊接难度要远高于单一组元金属材料。例如，在焊接过程中合金元素的扩散与偏析，易形成复杂的金属间化合物，造成基层的脆化，在基层侧产生凝固裂纹；碳元素的迁移，容易在界面结合处形成碳化物，使其组织成分不均匀、不稳定，从而影响到力学性能和耐腐蚀性能等；基层与覆层异种金属热物性的差异，使焊接凝固过程收缩率差别大，容易引起较大的残余应力导致接头开裂。因此解决这些焊接性难题，对于碳钢－含镍合金复合板的实际生产与应用具有重要意义。
目前碳钢－含镍合金复合板的焊接在实际工程领域以电弧焊为主，而传统电弧焊方法，热输入量大、能量密度低、熔化区域大，在覆层和过渡层焊接时，为避免合金元素的稀释，小电流、低热输入的焊接要求大大降低了焊接施工效率；在焊接覆层与基层交界处，需要采用较覆层更高合金元素含量的焊材来进行过渡层焊接，这进一步增加了焊接成本。受限于焊接方法、焊接设备和焊接条件，碳钢－含镍耐蚀合金复合板的焊接通常为大角度的y形或x形坡口，且主要为以基层-过渡层-覆层为焊接顺序的双面焊工艺，除了需要消耗更多的焊材，也会增加焊接工序以及焊接接头残余拉应力和焊接变形量，影响到焊接效率和焊接质量。对于小口径的内衬覆层的复合管制造和连接以及一些结构的空间限制等会导致无法在覆层侧施焊的情况，需要从基层侧施焊。虽然全焊道采用覆层匹配焊材可以实现覆层-过渡层-基层的单面焊焊接顺序，但会导致昂贵的覆层焊材消耗量增加。因此，从降低焊接成本和提高焊接效率考量，开发一种更为高效的碳钢－含镍耐蚀合金复合板焊接方法是十分有意义的。
技术实现要素：
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是解决碳钢－含镍耐蚀合金复合板对接焊焊接变形量大、焊材成本高、焊接效率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种碳钢－含镍合金复合板基层侧单面对接超窄间隙激光填丝焊接方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、加工待对接复合板，所述待对接复合板包括碳钢基层1和不锈钢或镍基合金覆层2，所述碳钢基层1与所述不锈钢或镍基合金覆层2上下连接，加工所述碳钢基层1的侧端面，使得所述碳钢基层1的侧端面与所述不锈钢或镍基合金覆层2的侧面形成阶梯形结构，打磨并清洁所述碳钢基层1的侧端面与所述不锈钢或镍基合金覆层2的侧面；
步骤二、对接两块所述待对接复合板，两块所述待对接复合板的所述碳钢基层1侧面构成间隙u形坡口3，所述不锈钢或镍基合金覆层2形成i形对接缝；
步骤三、从所述碳钢基层1予以施焊，对所述不锈钢或镍基合金覆层2对接采用激光自熔焊或激光填丝焊方法，形成不锈钢或镍基合金覆层焊缝7；
步骤四、采用激光填丝焊方法在所述不锈钢或镍基合金覆层焊缝7上表面对u形坡口3实施填充焊，形成碳钢基层的首道激光填丝碳钢焊缝8；
步骤五、采用激光填丝多层道焊方法在所述首道激光填丝碳钢焊缝8上表面施焊，形成碳钢基层后续填充焊缝9，直至所述u形坡口3被填满，完成碳钢－含镍合金复合板的对接焊。
进一步地，步骤二所述的u形坡口3的上宽度d不超过7mm，下宽度d不小于2mm，所述u形坡口3单边角度为4°～10°，打磨并清洁复合板上下表面的范围为距离所述u形坡口15～20mm。
进一步地，步骤二所述的i形对接缝间隙宽度小于0.1mm。
进一步地，所采用的激光为光纤激光，碟片激光，半导体激光或co2激光。
进一步地，激光焊接的激光光束4入射角α为6°～8°，焊丝导管5送丝角度β为45°～55°，所用的焊丝6直径为1.0～1.2mm，干伸长度为9～11mm。
进一步地，步骤三中的所述激光填丝焊所用的焊丝为与所述不锈钢或镍基合金覆层2匹配的高合金焊丝，步骤四和步骤五中所述激光填丝焊所用的焊丝为与所述碳钢基层1匹配的碳钢焊丝。
进一步地，步骤四和步骤五中所述激光的光斑为单光斑或双光斑或三光斑。
进一步地，步骤四和步骤五中的所述碳钢基层1的激光焊接为激光热传导焊模式，采用窄间隙激光填丝焊接方法。
进一步地，步骤三中的所述不锈钢或镍基合金覆层2的激光焊接速度为2.4m/min～3.6m/min，步骤四和步骤五中的所述碳钢基层1的激光填丝焊焊接速度为0.4m/min～1.2m/min，送丝速度为3m/min～12m/min。
进一步地，步骤四中的所述的首道激光填丝碳钢焊缝8熔深为0.3～1.0mm，堆高为1.4～2.4mm，步骤五中的所述的后续填充焊缝(9)的熔深不超过前一道焊缝底部。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供了一种碳钢－含镍合金复合板基层侧单面对接超窄间隙激光填丝多层道焊接方法。对于小口径的内衬覆层的复合管连接以及一些结构的空间限制等会导致无法在覆层侧施焊的情况，本发明可以从基层侧进行单面焊接，有效解决上述问题，另外本发明通过超窄间隙的坡口设计，减小了焊丝填充量、焊接变形量及残余拉应力，提高了焊接效率和质量。。
本发明的技术效果还体现在以下方面：与传统电弧焊相比，激光焊热输入小、热影响区域窄，对接接头残余拉应力小，进一步地碳钢基层侧采用碳钢焊丝，并在碳钢基层首道激光填丝焊采用热导焊焊接模式减小了含镍耐蚀合金熔入比，从而既降低了焊材成本、减少焊接工序又能保证焊接接头性能与质量，具有显著的成本优势和效率优势。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为碳钢－含镍合金复合板焊接过程示意图；
图2为碳钢－含镍合金复合板焊后示意图；
图3为碳钢－含镍合金复合板的坡口示意图；
图4为碳钢－含镍合金复合板焊缝示意图；
图5为本发明的实例一中碳钢－含镍合金复合板焊接接头横截面形貌图。
其中，1-碳钢基层、2-不锈钢或镍基合金覆层、3-u形坡口、4-激光光束、5-焊丝导管、6-焊丝、7-不锈钢或镍基合金覆层焊缝、8-首道碳钢填充焊缝、9-碳钢基层后续填充焊缝。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
实施例一
本实施例中，以(3.8+17)mm的in825/l450复合板材为例进行焊接，参照图1-5进行说明具体的操作步骤。
依据步骤一通过机械铣削加工方式在碳钢基层1侧面加工出u形坡口3，单边坡口为6°，并加工不锈钢或镍基合金覆层2，使得碳钢基层1的侧端面与不锈钢或镍基合金覆层2的侧面形成阶梯形结构，用砂纸打磨并用乙醇、丙酮清洁坡口表面及其附近15mm范围内的油污及氧化膜。
依据步骤二将试板通过装配夹持，保证坡口对接间隙小于0.1mm，保证坡口错边量小于0.1mm，碳钢基层1的u形坡口3下宽度d为2.0mm，上宽度d为5.6mm。
依据步骤三使用ipgyls-10000型光纤激光器从碳钢基层侧施焊，焊接过程中用纯度为99.99％的氩气作为保护气体，气流量为15l/min，以激光功率p＝4.5kw，焊接速度vs＝2.4m/min，离焦量f＝0mm，激光光束4入射角α＝7.5°的工艺参数形成覆层激光自熔焊焊缝7。
依据步骤四使用ipgyls-10000型光纤激光器从碳钢基层侧施焊，选用焊材为er50-6(φ1.2mm)焊丝，焊接过程中用纯度为99.99％的氩气作为保护气体，气流量为15l/min，以激光功率p＝4kw，焊接速度vs＝1.2m/min，送丝速度vf＝5m/min，离焦量f＝+15mm，激光光束4入射角α＝7.5°，焊丝导管5送丝角度β＝49.5°，焊丝6干伸长l＝10mm的工艺参数形成碳钢基层的首道激光填丝碳钢焊缝(8)。
依据步骤五在碳钢基层的首道碳钢填充焊缝8上以p＝4.5kw，vs＝0.9m/min，vf＝12m/min，f＝+15mm，α＝7.5°，β＝49.5°，l＝10mm的工艺参数继续形成碳钢基层的填充焊缝，直至填满坡口，完成整个对接焊过程。
焊接接头横截面如图5所示，焊接接头成形良好，观察焊缝横截面未发现裂纹、侧壁未熔合及焊接气孔等缺陷，碳钢基层的首道碳钢填充焊缝8熔深为0.6～0.7mm，堆高为1.9～2.1mm。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
技术特征：
1.一种碳钢-含镍合金复合板激光对接焊方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、加工待对接复合板，所述待对接复合板包括碳钢基层(1)和不锈钢或镍基合金覆层(2)，所述碳钢基层(1)与所述不锈钢或镍基合金覆层(2)上下连接，加工所述碳钢基层(1)的侧端面，使得所述碳钢基层(1)的侧端面与所述不锈钢或镍基合金覆层(2)的侧面形成阶梯形结构，打磨并清洁所述碳钢基层(1)的侧端面与所述不锈钢或镍基合金覆层(2)的侧面；
步骤二、对接两块所述待对接复合板，两块所述待对接复合板的所述碳钢基层(1)侧面构成间隙u形坡口(3)，所述不锈钢或镍基合金覆层(2)形成i形对接缝；
步骤三、从所述碳钢基层(1)予以施焊，对所述不锈钢或镍基合金覆层(2)对接采用激光自熔焊或激光填丝焊方法，形成不锈钢或镍基合金覆层焊缝(7)；
步骤四、采用激光填丝焊方法在所述不锈钢或镍基合金覆层焊缝(7)上表面对u形坡口(3)实施填充焊，形成碳钢基层的首道激光填丝碳钢焊缝(8)；
步骤五、采用激光填丝多层道焊方法在所述首道激光填丝碳钢焊缝(8)上表面施焊，形成碳钢基层后续填充焊缝(9)，直至所述u形坡口(3)被填满，完成碳钢－含镍合金复合板的对接焊。
2.根据权利要求1所述的碳钢-含镍合金复合板激光对接焊方法，其特征在于，步骤二所述的u形坡口(3)的上宽度d不超过7mm，下宽度d不小于2mm，所述u形坡口(3)单边角度为4°～10°，打磨并清洁复合板上下表面的范围为距离所述u形坡口15～20mm。
3.根据权利要求1所述的碳钢-含镍合金复合板激光对接焊方法，其特征在于，步骤二所述的i形对接缝间隙宽度小于0.1mm。
4.根据权利要求1所述的碳钢-含镍合金复合板激光对接焊方法，其特征在于，所采用的激光为光纤激光，碟片激光，半导体激光或co2激光。
5.根据权利要求1所述的碳钢-含镍合金复合板激光对接焊方法，其特征在于，激光焊接的激光光束(4)入射角α为6°～8°，焊丝导管(5)送丝角度β为45°～55°，所用的焊丝(6)直径为1.0～1.2mm，干伸长度为9～11mm。
6.根据权利要求1所述的碳钢-含镍合金复合板激光对接焊方法，其特征在于，步骤三中的所述激光填丝焊所用的焊丝为与所述不锈钢或镍基合金覆层(2)匹配的高合金焊丝，步骤四和步骤五中所述激光填丝焊所用的焊丝为与所述碳钢基层(1)匹配的碳钢焊丝。
7.根据权利要求1所述的碳钢-含镍合金复合板激光对接焊方法，其特征在于，步骤四和步骤五中所述激光的光斑为单光斑或双光斑或三光斑。
8.根据权利要求1所述的碳钢-含镍合金复合板激光对接焊方法，其特征在于，步骤四和步骤五中的所述碳钢基层(1)的激光焊接为激光热传导焊模式，采用窄间隙激光填丝焊接方法。
9.根据权利要求1所述的碳钢-含镍合金复合板激光对接焊方法，其特征在于，步骤三中的所述不锈钢或镍基合金覆层(2)的激光焊接速度为2.4m/min～3.6m/min，步骤四和步骤五中的所述碳钢基层(1)的激光填丝焊焊接速度为0.4m/min～1.2m/min，送丝速度为3m/min～12m/min。
10.根据权利要求1所述的碳钢-含镍合金复合板激光对接焊方法，其特征在于，步骤四中的所述的首道激光填丝碳钢焊缝(8)熔深为0.3～1.0mm，堆高为1.4～2.4mm，步骤五中的所述的后续填充焊缝(9)的熔深不超过前一道焊缝底部。
技术总结
本发明公开了一种碳钢?含镍合金复合板激光对接焊方法，通过碳钢基层的超窄间隙U形坡口设计，从碳钢基层侧施焊，先将不锈钢或镍基合金覆层I形对接缝采用激光自熔焊或激光填丝焊焊接一道熔透，再采用激光填丝焊在不锈钢或镍基合金覆层焊缝上的U形坡口内形成具有浅熔深特征的首道碳钢焊缝，在首道碳钢焊缝上采用激光填丝焊继续施焊，形成碳钢基层的后续填充焊缝，直至U形坡口被填满，完成碳钢－含镍合金复合板的对接焊。对于一些口径小的复合管连接或空间限制的结构而导致无法在覆层侧施焊的情况，本发明可以从基层侧进行单面焊接，有效解决上述问题，另外本发明减小了焊丝填充量、焊接变形量及残余拉应力，提高了焊接效率和质量。
技术研发人员：黄坚;范昊天;聂璞林;姚成武
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2020.09.16
技术公布日：2020.12.25
声明：
“碳钢-含镍合金复合板激光对接焊方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：上海交通大学
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2024年06月14日 ~ 16日 
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