CN102019488B - 一种铌和钢的电弧熔焊-钎焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铌和钢的电弧熔焊-钎焊方法，包括以下步骤：一、钢焊接件的表面处理；二、铌焊接件的酸洗；三、采用钨极氩弧焊的焊接方法进行焊接。本发明无需在真空环境下施焊，解决了真空钎焊对焊接工件尺寸的限制，采用氦气和氩气的混合气体作为焊枪的保护气体，增加了钎料在铌表面的铺展性，采用纯镍焊丝作为填充材料，解决了铌与钢在高温下容易形成脆性相导致接头脆化的问题，实现了铌和钢的可靠连接，特别适用于铌钢复合板化工设备中铌和钢的钎焊连接，以及机械、电子、航空等工业领域中需要实现铌和钢的连接场合。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种铌和钢的电弧熔焊-钎焊方法。
背景技术
如今，随着化工业的快速发展，以及钽资源的日益紧缺。采用铌材代替钽材在某些防腐化工设备中的应用已成为一种必然趋势，特别是含有微量氢氟酸(HF)的硝酸(HNO3)溶液中。
铌具有和钽相似的耐蚀性能。铌(Nb)在浓度≤70％，温度≤100℃的HNO3中其腐蚀率几乎为零；在浓度≤70％，温度≤80℃的H2SO4中其年腐蚀率＜0.003mm；在浓度为98％，温度为100℃的H2SO4中其年腐蚀率为0.017mm；同时，硝酸HNO3中微量的氢氟酸HF会急剧加速钽材的腐蚀，而微量的氢氟酸HF对硝酸HNO3溶液中的铌材腐蚀速率影响不是十分敏感。因此，在某些腐蚀环境中可以用铌材代替钽材。
据美国矿业局(1994年)估计我国的铌矿储量为388万吨，而钽矿储量仅为8.4万吨；而近期(2010年3月)在我国新疆南部拜城县内探明的一座特大型稀有金属铌钽矿床中，预测铌矿资源储量超过10万吨，钽矿资源储量超过1万吨。由此，可见我国钽矿的储量远低于铌矿的储量。随着电子、通讯业的迅速发展，我国对钽材的用量突飞猛增；而钽资源的短缺也日益明显。因此，从节约资源和优化资源利用角度考虑，采用铌材代替钽材是十分重要的。
铌的密度为8.57g/mm3，而钽的密度为16.6g/mm3；国内2010年4月铌板的价格约为1100元/千克，而钽板的价格约为3000元/千克。即：在耐蚀材料中采用相同厚度铌材代替钽材，其设备材料成本节约60％以上。因此，从节约设备成本角度考虑，在某些化工设备中采用铌材代替钽材是十分必要的。而铌制化工设备中的非耐蚀材料主要为钢材。在制造过程中难免要在大气环境下完成铌与钢的可靠连接。
铌具有很好的化学活性，铌与氢在250℃开始作用，铌在360℃时快速吸氢，在400℃时快速吸氧，在550℃时快速吸氮。因此，在铌的焊接过程中应严格采用氩气对焊缝及焊接热影响区进行保护。铌与钢中的铁、碳、氮、硫等元素在高温下极易形成金属间化合物导致铌钢焊接接头强度急剧下降，甚至焊接过程中开裂。为了实现铌与钢的可靠连接，真空扩散焊和真空电子束焊接为普遍采用的方法，但由于真空室尺寸的限制，焊接工件的尺寸受到很大的限制。在很多工业领域，需要焊接的工件尺寸远远大于真空室的容量；因此需要在大气环境中进行焊接。
铌与钢中铁元素的固溶度很小，在高温下铌与钢很容易形成金属间化合物；故难以实现铌与钢的熔焊，在实际焊接中以钎焊为主。而真空钎焊由于空间限制也难以实现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种工序步骤简单，操作方便，接头强度高，不受工件尺寸的限制，能在大气环境中实现铌/钢异种金属可靠连接的电弧熔焊-钎焊方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种铌和钢的电弧熔焊-钎焊方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、钢焊接件的表面处理：采用机械打磨抛光方法除去钢表面的氧化膜；
步骤二、铌焊接件的酸洗：常温下将铌置于酸洗液中酸洗30s～50s，然后用水清洗后风干；所述酸洗液由HF、HNO3、H2SO4和H2O按2∶5∶8∶10的体积比混合配制而成；
步骤三、焊接：采用钨极氩弧焊对步骤一中除去氧化膜的钢和步骤二中风干后的铌进行电弧熔焊-钎焊；焊接制度为：采用保护罩对焊缝的背部和尾部分别进行保护，焊接前60s～80s时开始向尾部保护罩和背部保护罩内通入氩气，同时打开保护罩两侧的循环冷却水管，焊接时采用氦气和氩气的混合气体作为焊枪的保护气，同时采用纯镍焊丝作为钨极氩弧焊的焊缝填充金属，在焊接温度为1700℃～1750℃的条件下进行电弧熔焊-钎焊，焊接结束后，待铌工件温度低于200℃以下时去掉保护罩。
上述步骤二中所述HF、HNO3和H2SO4均为分析纯试剂。
上述步骤三中所述氦气的质量纯度为99.99％，所述氩气的质量纯度为99.999％；步骤三中所述混合气体中氦气的体积百分含量为10％～30％，余量为氩气。
上述步骤三中所述焊接过程中焊枪偏向钢侧1mm～1.5mm。
上述步骤三中所述保护罩包括紫铜罩，设置于紫铜罩内的紫铜网，和设置于紫铜罩与紫铜网之间的带孔的紫铜板，以及与保护罩上部相通的用于通入氩气的铜管，所述保护罩左右两侧设置有循环冷却水管。
上述步骤三中所述向尾部保护罩通入氩气的气流量为15L/min～20L/min，所述向背部保护罩通入氩气的气流量为20L/min～25L/min。
上述步骤三中所述焊枪保护气的气流量为12L/min～15L/min。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明无需在真空环境下施焊，解决了真空钎焊对焊接工件尺寸的限制。
2、本发明采用氦气和氩气的混合气体作为焊枪的保护气体，增加了钎料在铌表面的铺展性，采用纯镍焊丝作为填充材料，解决了铌与钢在高温下容易形成脆性相导致接头脆化的问题。
3、本发明的焊接过程电弧偏向钢侧可以保证钢与镍完全熔化，铌处于发红的高温且未熔化的状态，这有利于镍与铌的相互扩散。
4、本发明工序步骤简单，操作方便，易于获得高强度的焊缝，适用于铌制和铌钢复合板制化工设备中铌与钢的连接，以及机械、电子、航空等工业领域中需要实现铌钢连接的场合。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明焊接的示意图。
图2为本发明气体保护罩的结构示意图。
附图标记说明：
1-焊缝；2-焊缝填充金属；3-焊枪；
4-保护罩；4-1-紫铜罩；4-2-紫铜网；
4-3-紫铜板；4-4-铜管；4-5-循环冷却水管。
具体实施方式
实施例1
步骤一、钢焊接件的表面处理：采用机械打磨抛光，除去钢表面的氧化膜；
步骤二、铌焊接件的酸洗：常温下将铌置于酸洗液中酸洗30s，然后用水清洗后风干；所述酸洗液由HF、HNO3、H2SO4和H2O按2∶5∶8∶10的体积比混合配制而成，HF、HNO3和H2SO4均为分析纯试剂；
步骤三、焊接：焊前，用沾有丙酮或乙醇的绸布擦拭焊缝区域；采用钨极氩弧焊将钢和铌进行电弧熔焊-钎焊；焊接制度为：采用保护罩4对焊缝1的背部和尾部分别进行保护，焊接前60s时开始向尾部保护罩和背部保护罩内通入氩气(质量纯度为99.99％)，排尽保护罩4内的空气，向尾部保护罩通入氩气的气流量为15L/min，向背部保护罩通入氩气的气流量为20L/min，同时打开保护罩两侧的循环冷却水管4-5，焊接时采用氦气(质量纯度为99.99％)和氩气(质量纯度为99.99％)按1∶9的体积比混合的混合气体作为焊枪3的保护气，保护气的气流量为12L/min，同时采用纯镍焊丝作为钨极氩弧焊的焊缝填充金属2，将焊枪3偏向钢侧1mm，在焊接温度为1700℃的条件下进行电弧熔焊-钎焊，焊接结束后，待铌工件温度低于200℃以下时去掉保护罩4；
所述保护罩4包括紫铜罩4-1，设置于紫铜罩4-1内的紫铜网4-2，和设置于紫铜罩4-1与紫铜网4-2之间的带孔的紫铜板4-3，以及与保护罩4上部相通的用于通入保护气体的铜管4-4，所述保护罩4左右两侧设置有循环冷却水管4-5。
实施例2
步骤一、钢焊接件的表面处理：采用机械打磨抛光，除去钢表面的氧化膜；
步骤二、铌焊接件的酸洗：常温下将铌置于酸洗液中酸洗50s，然后用水清洗后风干；所述酸洗液由HF、HNO3、H2SO4和H2O按2∶5∶8∶10的体积比混合配制而成，HF、HNO3和H2SO4均为分析纯试剂；
步骤三、焊接：焊前，用沾有丙酮或乙醇的绸布擦拭焊缝区域；采用钨极氩弧焊将钢和铌进行电弧熔焊-钎焊；焊接制度为：采用保护罩4对焊缝1的背部和尾部分别进行保护，焊接前80s时开始向尾部保护罩和背部保护罩内通入氩气(质量纯度为99.99％)，排尽保护罩4内的空气，向尾部保护罩通入氩气的气流量为20L/min，向背部保护罩通入氩气的气流量为25L/min，同时打开保护罩两侧的循环冷却水管4-5，焊接时采用氦气(质量纯度为99.99％)和氩气(质量纯度为99.99％)按3∶7的体积比混合的混合气体作为焊枪3的保护气，保护气的气流量为15L/min，同时采用纯镍焊丝作为钨极氩弧焊的焊缝填充金属2，将焊枪3偏向钢侧1.5mm，在焊接温度为1750℃的条件下进行电弧熔焊-钎焊，焊接结束后，待铌工件温度低于200℃以下时去掉保护罩4；
所述保护罩4包括紫铜罩4-1，设置于紫铜罩4-1内的紫铜网4-2，和设置于紫铜罩4-1与紫铜网4-2之间的带孔的紫铜板4-3，以及与保护罩4上部相通的用于通入保护气体的铜管4-4，所述保护罩4左右两侧设置有循环冷却水管4-5。
实施例3
步骤一、钢焊接件的表面处理：采用机械打磨抛光，除去钢表面的氧化膜；
步骤二、铌焊接件的酸洗：常温下将铌置于酸洗液中酸洗40s，然后用水清洗后风干；所述酸洗液由HF、HNO3、H2SO4和H2O按2∶5∶8∶10的体积比混合配制而成，HF、HNO3和H2SO4均为分析纯试剂；
步骤三、焊接：焊前，用沾有丙酮或乙醇的绸布擦拭焊缝区域；采用钨极氩弧焊将钢和铌进行电弧熔焊-钎焊；焊接制度为：采用保护罩4对焊缝1的背部和尾部分别进行保护，焊接前70s时开始向尾部保护罩和背部保护罩内通入氩气(质量纯度为99.99％)，排尽保护罩4内的空气，向尾部保护罩通入氩气的气流量为18L/min，向背部保护罩通入氩气的气流量为22L/min，同时打开保护罩两侧的循环冷却水管4-5，焊接时采用氦气(质量纯度为99.99％)和氩气(质量纯度为99.99％)按2∶8的体积比混合的混合气体作为焊枪3的保护气，保护气的气流量为13L/min，同时采用纯镍焊丝作为钨极氩弧焊的焊缝填充金属2，将焊枪3偏向钢侧1.25mm，在焊接温度为1725℃的条件下进行电弧熔焊-钎焊，焊接结束后，待铌工件温度低于200℃以下时去掉保护罩4；
所述保护罩4包括紫铜罩4-1，设置于紫铜罩4-1内的紫铜网4-2，和设置于紫铜罩4-1与紫铜网4-2之间的带孔的紫铜板4-3，以及与保护罩4上部相通的用于通入保护气体的铜管4-4，所述保护罩4左右两侧设置有循环冷却水管4-5。
Claims (7)
1.一种铌和钢的电弧熔焊-钎焊方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、钢焊接件的表面处理：采用机械打磨抛光方法除去钢表面的氧化膜；
步骤二、铌焊接件的酸洗：常温下将铌置于酸洗液中酸洗30s～50s，然后用水清洗后风干；所述酸洗液由HF、HNO3、H2SO4和H2O按2∶5∶8∶10的体积比混合配制而成；
步骤三、焊接：采用钨极氩弧焊对步骤一中除去氧化膜的钢和步骤二中风干后的铌进行电弧熔焊-钎焊；焊接制度为：采用保护罩(4)对焊缝(1)的背部和尾部分别进行保护，焊接前60s～80s时开始向尾部保护罩和背部保护罩内通入氩气，同时打开保护罩两侧的循环冷却水管(4-5)，焊接时采用氦气和氩气的混合气体作为焊枪(3)的保护气，同时采用纯镍焊丝作为钨极氩弧焊的焊缝填充金属(2)，在焊接温度为1700℃～1750℃的条件下进行电弧熔焊-钎焊，焊接结束后，待铌工件温度低于200℃时去掉保护罩(4)。
2.根据权利要求1所述的一种铌和钢的电弧熔焊-钎焊方法，其特征在于，步骤二中所述HF、HNO3和H2SO4均为分析纯试剂。
3.根据权利要求1所述的一种铌和钢的电弧熔焊-钎焊方法，其特征在于，步骤三中所述氦气的质量纯度为99.99％，所述氩气的质量纯度为99.999％；步骤三中所述混合气体中氦气的体积百分含量为10％～30％，余量为氩气。
4.根据权利要求1所述的一种铌和钢的电弧熔焊-钎焊方法，其特征在于，步骤三中所述焊接过程中焊枪(3)偏向钢侧1mm～1.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种铌和钢的电弧熔焊-钎焊方法，其特征在于，步骤三中所述保护罩(4)包括紫铜罩(4-1)，设置于紫铜罩(4-1)内的紫铜网(4-2)，和设置于紫铜罩(4-1)与紫铜网(4-2)之间的带孔的紫铜板(4-3)，以及与保护罩(4)上部相通的用于通入氩气的铜管(4-4)，所述保护罩(4)左右两侧设置有循环冷却水管(4-5)。
6.根据权利要求1所述的一种铌和钢的电弧熔焊-钎焊方法，其特征在于，步骤三中所述向尾部保护罩通入氩气的气流量为15L/min～20L/min，所述向背部保护罩通入氩气的气流量为20L/min～25L/min。
7.根据权利要求1所述的一种铌和钢的电弧熔焊-钎焊方法，其特征在于，步骤三中所述焊枪保护气的气流量为12L/min～15L/min。
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