一种用于异种材料打底焊的组合连接方法

本发明属于焊接，尤其涉及一种用于异种材料打底焊的组合连接方法。

背景技术：

1、在船舶、航空航天、核工业、石油化工、机械装备、汽车、海洋工程、医疗器械、体育器械等领域对先进异种材料连接结构的需求广泛，然而，由于高温合金、高熵合金、中熵合金、金属间化合物、复合材料、难熔金属、有色金属、不锈钢等异种材料在物化性能的重要差异，使得目前采用常规的熔焊、钎焊、压力焊、熔钎焊等焊接方法，都不能完善的解决这些异种材料连接，尤其是对于中厚板异种材料的连接尤为困难，其中，打底焊连接技术是中厚板异种材料多层多道焊中的关键环节，对接头性能有着至关重要的影响，因此，这些问题导致中厚板异种材料连接结构在重要的工业领域中应用受限。

2、对于中厚板异种材料的连接，受限于热源设备功率的限制，必须采用多层多道焊，为此，首先，需要实现异种材料打底焊复合焊缝的高效高质量制备，从而解决异种材料打底焊用焊接材料开发困难、焊接柔性差、连接工艺复杂、应力大、易生成脆性组织、焊缝性能差、复合焊缝制备困难等问题，其次，制备的打底焊焊缝要能适应下一步的多层多道焊工艺，如空间排列三丝熔化极气体保护焊工艺(三丝复合熔化极气体保护焊工艺)、双丝复合气体保护焊和单丝气体保护焊组合连接工艺、丝材增材连接工艺、以及双丝复合气体保护焊和串列双丝气体保护焊组合连接工艺等，以确保高效高质量实现中厚板异种材料的多层多道填充焊，使得填充焊工艺稳定，填充焊复合焊缝成形良好，组织优良，焊接接头综合性能高。

3、因此，为了实现异种材料打底焊，必须将预制备的打底焊焊缝进行分区控制，不同区域以及界面形成综合性能优良的组织，避免形成脆性组织，同时，制备的打底焊复合焊接接头的物理性能在垂直于焊缝方向形成缓和的梯度过渡，避免物理性能突变，从而减小焊接应力及变形。然而，由于打底焊连接位置的特殊性、异种材料间物理性能的差异大和化学相容性差、以及异种材料本身组成组分间的物理性能差异大和界面化学相容性差等问题，采用一种焊接材料和相应的一种焊接工艺、或者采用一种焊接材料和相应的一组焊接工艺、或者采用一组两种焊接材料和相应的一种焊接工艺、或者采用一组两种焊接材料和相应的一组两种焊接工艺都无法高效高质量实现异种材料打底焊复合焊缝的制备。

4、综上所述，如何高效率实现异种材料打底焊的连接以期降低成本，如何有效避免焊缝脆性组织的生成所导致的性能下降甚至开裂，如何减小由于异种材料物理性能的差异所导致的较大焊接应力和变形，如何实现中厚板异种材料的打底焊复合焊缝的分区制备以适应下一道填充焊工艺是异种材料打底焊连接需要解决的核心问题。为了解决这些焊接问题，采用单一的焊接材料和单一的焊接工艺、单一的焊接材料和组合的焊接工艺、组合的两种焊接材料和单一的焊接工艺、组合的两种焊接材料和相应的组合的两种焊接工艺都无法高效高质量实现异种材料打底焊连接，必须将焊接材料和焊接工艺都进行精确分解，采用复杂的三种组合焊接材料和匹配的组合焊接工艺，形成新的打底焊连接技术才能完善的解决异种材料打底焊连接问题。

技术实现思路

1、针对中厚板异种材料打底焊连接时，焊接柔性差，效率低，成本高，焊接材料设计和开发难度大，焊接工艺设计和实施困难，容易产生脆性组织，存在较大的焊接应力和变形，打底焊复合焊缝的组织和性能调控难度大，焊接接头综合性能差，打底焊复合焊缝制备困难，无法适应下一步的多层多道填充焊工艺等问题，本发明提出了一种用于异种材料打底焊的组合连接方法。

2、为达到上述发明目的，本发明是采用如下技术方案实现的：

3、(1)根据需要连接的异种材料中的母材1和母材2的成分、组分、物理及化学性能特点，设计一组焊接材料的类型、成分及含量，包括焊接材料1、焊接材料2和焊接材料3，其中，焊接材料1与母材1匹配，焊接材料2与母材2匹配，焊接材料3与焊接材料1和焊接材料2均匹配，并制备焊接材料1、焊接材料2和焊接材料3；

4、(2)选择合适的热源并采用对应的熔覆方法进行熔覆，制备复合焊缝熔覆层，第一，对母材1的被熔覆表面进行清理，将热源指向母材1的被熔覆表面，设定热源工艺参数，启动供气系统和热源设备，采用焊接材料1实施热源熔覆，在母材1的表面制备熔覆层1；第二，对母材2的被熔覆表面进行清理，将热源指向母材2的被熔覆表面，设定热源工艺参数，启动供气系统和热源设备，采用焊接材料2实施热源熔覆，在母材2的表面制备熔覆层2，或者对熔覆层1的表面进行清理，将热源指向熔覆层1的表面，设定热源工艺参数，启动供气系统和热源设备，采用焊接材料3实施热源熔覆，在熔覆层1的表面制备熔覆层3；

5、(3)根据打底焊及填充焊的方法及工艺要求，设计合适的坡口形式和尺寸，加工并清理坡口；

6、(4)选择合适的热源并采用对应的连接方法进行连接，制备复合焊缝连接层，设定热源工艺参数，启动供气系统和热源设备，将热源指向坡口位置，采用焊接材料3对熔覆层1和熔覆层2的被连接表面实施连接，或者采用焊接材料2对熔覆层3和母材2的被连接表面实施连接。

7、一种用于异种材料打底焊的组合连接方法的基本原理如下：

8、第一，设计和制备一组3种焊接材料，将焊接材料分解，使得制备的打底焊分区复合焊缝的成分、组分、含量、结构、性能满足要求。异种母材间物理性能差异大，化学相容性差，以及异种母材本身组成组分间的物理性能差异大和界面化学相容性差，采用一种焊接材料和相应的一种或组合的两种连接工艺容易产生脆性的组织，采用两种焊接材料和相应的一种或组合的两种连接工艺也难以避免脆性组织生成，使得性能差，同时应力和变形大。为此，首先，根据母材的特点，设计一组三种焊接材料，要求焊接材料1与母材1化学相容性好，焊接材料2与母材2化学相容性好，焊接材料3与焊接材料1和焊接材料2的化学相容性均好，避免脆性组织的生成；其次，焊接材料1与母材1物理性能差异小，焊接材料2与母材2物理性能差异小，焊接材料3与焊接材料1和焊接材料2物理性能差异小，使得焊接后形成的分区复合焊缝的物理性能形成比较缓和的梯度过渡，降低焊接应力和变形，从而解决异种母材的物理性能差异大所导致的焊接应力和变形大问题。因此，通过设计一套有机组合的三种焊接材料，将焊接材料类型、成分、组分及含量进行分解设计，使得焊接材料1与母材1匹配，焊接材料2与母材2匹配，焊接材料3与焊接材料1和焊接材料2均匹配(匹配指的是材料间化学相容性好、物理性能差异小等)，并逐一采用匹配的连接工艺进行熔覆和连接，便于实现复合焊缝各区及界面层的成分、组分、含量、结构和物理性能调控，使复合焊缝各区综合性能优良。

9、第二，选择合适的热源并采用对应的熔覆方法进行熔覆，制备复合焊缝熔覆层，并为下一步连接做准备。为了实现打底焊复合焊缝的连接，将热源指向一个母材或熔覆层的表面，进行熔覆或增材制造。由于复合焊缝不同区域的成分、组分、含量、结构的复杂性以及打底焊焊缝位置的特殊性，采用一种焊接材料及相应的一种连接工艺、或者采用一种焊接材料及相应的组合连接工艺、或者采用一组两种焊接材料及相应的一种连接工艺(如双丝熔化极电弧焊和双丝非熔化极电弧焊)、或者采用一组两种焊接材料和相应的组合的两种连接工艺的方式都无法实现打底焊复合焊缝高效高质量的制备，必须将焊接材料和连接工艺进行精细分解，首先采用匹配的两种焊接材料和熔覆方法及工艺制备打底焊复合焊缝熔覆层，以为下一步采用匹配的焊接材料和连接方法及工艺制备打底焊复合焊缝连接层做准备。

10、第三，设计和制备合适的坡口形式和尺寸，以满足异种材料打底焊及填充焊的方法及工艺要求，提高焊接效率，降低成本，同时，合适的坡口形式和尺寸也要使得制备的打底焊复合连接接头的物理性能在垂直于焊缝方向形成缓和的梯度过渡，避免物理性能突变，从而减小焊接应力及变形。在采用热源制备两个熔覆层后，根据打底焊连接方法和工艺及填充焊连接方法和工艺的要求，设计和制备坡口，该坡口包括打底焊坡口和填充焊坡口，为下一步进行打底焊连接层的制备做准备，并满足填充焊连接方法和工艺要求，也就是通过采用合适的打底焊坡口和填充焊坡口，使得打底焊工艺制备的复合焊缝各区能够与填充焊工艺制备的复合焊缝各区匹配，各区间化学相容性好，各区间物理性能差异小，提高焊接效率，降低焊接成本，减小焊接应力及变形。本打底焊组合连接方法的连接顺序为：先采用热源进行熔覆，制备熔覆层，然后开坡口，最后再采用热源进行打底焊连接；而如果采用先开坡口，然后采用热源熔覆，再调整坡口，最后再连接的工艺顺序，将会由于热源的作用，导致坡口受损伤，坡口形式和尺寸不能满足要求，也无法满足下一道打底焊连接工艺和填充焊连接工艺的需求，从而必须对熔覆后的坡口进行修整，因此，坡口的设计和加工在整个连接方法中的实施顺序非常重要，同时，设计和制备合适的坡口形式和尺寸也要使得形成的焊接接头的物理性能在垂直于焊缝方向形成缓和的梯度过渡，这使得本组合连接方法具有连接效率高、应力和变形小、坡口加工量小、焊接材料节约以及焊接成本低的优势。

11、第四，选择合适的热源并采用对应的连接方法进行连接，制备复合焊缝连接层，以实现打底焊复合焊缝的制备，满足打底焊复合焊缝的成分、组分、含量、结构要求。在完成熔覆层制备后，设计坡口形式和尺寸，加工并清理坡口，然后采用匹配的焊接材料，热源指向坡口位置，采用合适的热源和连接方法对熔覆层和熔覆层之间或者熔覆层和母材之间进行连接，从而最终实现打底焊复合焊缝的制备，由于采用了组合的焊接材料及匹配的组合焊接工艺，使得制备的打底焊复合焊缝分区优良，能有效隔离化学相容性差的元素，避免脆性组织的生成，满足打底焊分区复合焊缝的成分、组分、含量、结构满足要求，使得打底焊复合焊缝成形美观，打底焊焊接接头综合性能好。

12、综上所述，通过将焊接材料和连接工艺进行精确分解，设计和采用组合的三种焊接材料和相应的组合连接工艺，能够高效高质量的制备打底焊复合焊缝，有效隔离化学相容性差的元素，避免脆性组织的生成，通过制备缓和的物理性能梯度过渡复合焊缝，减小了由于物理性能的差异所导致的较大焊接应力和变形，制备的打底焊复合焊缝组织优良，焊接接头综合性能好。

13、相对于现有技术，本发明提供的用于异种材料打底焊的组合连接方法的有益效果是，可选热源类型多，可选熔覆及连接方法多，组合焊接材料和组合连接工艺设计和开发高效，焊接柔性好，焊接效率高，成本低，打底焊复合焊缝分区优良，能够避免形成脆性组织，热输入精确可控，焊接应力和变形小，打底焊复合焊缝成形美观，焊接接头组织和性能调控容易，打底焊复合焊缝内部质量优良及打底焊焊接接头综合性能好，能够满足下一步的多层多道填充焊方法和工艺要求。