CN102229018B - 一种适合TiAl基合金材料自身连接的氩弧焊方法 - Google Patents
一种适合TiAl基合金材料自身连接的氩弧焊方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102229018B CN102229018B CN201110107885.1A CN201110107885A CN102229018B CN 102229018 B CN102229018 B CN 102229018B CN 201110107885 A CN201110107885 A CN 201110107885A CN 102229018 B CN102229018 B CN 102229018B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- tial
- welding
- welded
- base alloy
- argon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Arc Welding In General (AREA)
Abstract
本发明是一种适合TiAl基合金自身连接的氩弧焊方法。本发明中通过焊前热处理改善被焊TiAl基合金本身的塑性，从而提高TiAl基合金的可焊性，焊前选择的热处理温度为13 10～1350℃。制备Ti-Al-Nb系填充材料，Ti-Al-Nb系填充材料的具体成分为Al40～50、Nb0～10、V0～3、Mo0～2、Cr0～4、Ti余量。采用感应线圈对焊接部位预热，预热温度500～800℃，为了避免TiAl基合金氧化和吸氢脆化等问题，预热及焊接操作均在充氩箱内完成，焊接完成后，对焊件进行退火去应力处理，退火温度900℃。与电子束焊、激光焊等方法相比相比，该发明提供的焊接方法操作简便，成本低，便于推广，可用于对TiAl基合金的铸件或锻件进行缺陷的补焊，TiAl基合金自身的高效连接。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种适合TiAl基合金材料自身连接的氩弧焊方法。
背景技术
TiAl金属间化合物合金密度仅3.8-4.0g/cm3，是镍基高温合金的1/2，比钛合金还低10％；其室温弹性模量高达160-170GPa，比钛合金高30％，而且弹性模量在750℃高温还能保持150GPa，与GH4169高温合金相当；TiAl基合金还具有高比强度，室温-800℃强度保持率达80％，高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，可在760℃-800℃长期工作，是非常具有发展前途的轻质耐高温结构材料。从上世纪八十年代末至今，国外已公开报道了多达十几个TiAl零部件完成了地面装机试验，试验结果非常理想。
TiAl基合金的推广应用必然涉及到连接技术，目前连接TiAl基合金的方法主要包括：弧焊、电子束焊、激光焊、钎焊、扩散焊和摩擦焊等。其中，弧焊连接作为一种最通用的焊接方法因成本低、操作简单、生产效率高，在工程修复中应用广泛。目前，国外研究学者关于TiAl基合金弧焊的焊接性研究主要集中在最基本的可焊性研究，尤其是通过各种方法避免焊接接头产生裂纹。文献《Analysis of Gamma Titanium AluminideWelds Produced by Gas Tungsten Arc Welding》(M.F.ARENAS，V.L.ACOFF.Welding Journal，2003，82(5)：p110-115)采用GTA焊接铸造Ti-48Al-2Cr-2Nb，研究发现通过控制焊接参数控制α2相的含量对于焊缝的机械性能及室温延性非常重要。文献《Evolution of the weld heat-affected zonemicrostructure in a Ti-48Al-2Cr-2Nb gamma titanium aluminide》(Mallory L等.Journal of Materials Science Letters，1994(13)：p1061-1065)研究了铸态Ti-48Al-2Cr-2Nb合金钨极气体保护焊(GTAW)的焊接性，发现预热到800℃时没有产生裂纹，但是在无预热的相同条件时接头存在大量裂纹，接头强度系数无数据报道。
电子束焊与激光焊同属于熔焊方法，焊接过程存在与弧焊同样的问题——易出现焊接裂纹。文献《Development of crack-free welds in aTiAl-based alloy》(M.C.Chaturvedi等，Materials Processing Technology，2001，118：p74-78)研究了Ti-45Al-2Nb-2Mn-0.8TiB2焊接过程中接头约束及相转变对电子束焊接的作用。研究发现，焊接裂纹产生的频率在α相开始转变时骤降，α相完全转变时裂纹产生的频率变为零，需对电子束焊接工艺进行严格控制才能得到无裂纹的接头。文献《Fundamental study about CO2 Laser Welding of Titanium AluminideIntermetallic Compound》(Gaku Kuwahara，Shigeru Yamaguchi，KenzoNanri.First International Symposium on Laser PrecisionMicrofabrication：14-16June 2000，Omiya，Saitama，Japan)采用CO2激光器进行TiAl合金平板堆焊，激光束斑直径为0.5mm，输出功率为1.5KW，试验发现当预热温度为873K时，试验得到了无裂纹焊缝。
尽管关于获得TiAl合金无裂纹焊缝的氩弧焊研究有零星的报道，但还没有形成一整套稳定控制焊缝质量并获得高强度TiAl合金氩弧焊接头的方法。
已有的研究结果表明，TiAl基合金可以进行熔化焊，但由于γ-TiAl本身滑移系较少，位错运动和增殖困难，室温塑性低及变形能力差，焊接过程中极易出现固态裂纹。具体到TiAl基合金的弧焊技术而言，尚处于较低水平，仅局限于如何避免焊接裂纹阶段以及焊接接头的组织研究，而力学性能方面的报道鲜见。目前尚缺乏适用于TiAl基合金材料氩弧焊接的实用技术。缺乏一整套稳定控制焊缝质量并获得高强度的TiAl基合金材料氩弧焊接头的方法。TiAl基合金弧焊使用的填充材料也未见相关报道。
发明内容
本发明的目的是提出一种具有实用性，并且能够满足TiAl基合金的焊接，以及拓宽TiAl基合金的应用范围的一种适合TiAl基合金材料自身连接的氩弧焊方法。本发明的技术解决方案是，(1)制备TiAl基合金氩弧焊用填充材料，成分原子百分比为：Al40.0～50.0、Nb0～10.0、V0～3.0、Mo0～2.0、Cr0～4.0、Ti余量；
(2)对待焊的TiAl基合金进行焊前热处理，热处理温度为1310～1350℃；
(3)在充氩箱内，采用感应线圈预热待焊试件或待焊部位，测量被焊TiAl合金距离焊缝20mm以内位置处的温度，预热温度在500～800℃之间；
(4)在充氩箱内进行钨极氩弧焊焊接；
(5)焊后充氩条件下对焊件进行退火热处理，热处理温度为：900±50℃。
本发明的优点是：
①本发明提出，焊前对TiAl基合金进行热处理，通过改变TiAl基合金的组织，改善被焊TiAl基合金本身的塑性，从而提高TiAl合金的可焊性。
②配合采用感应预热的方式可以有效抑制焊接裂纹，感应线圈的选择根据焊件的形状、大小灵活选择。采用感应线圈加热待焊部位的速度快、效率高，并且对于较大尺寸的焊件而言，可以只加热需要焊接的部位，减少了热输入对其他完好部位的损害，并且节约能源。感应加热在充氩箱内进行，避免常规空气加热引起的表面氧化、氢脆等问题。
③选择Ti-Al-Nb系合金作为TiAl合金焊接的填充材料，与基体材料同系，获得的接头组织均匀，与母材结合牢固，焊缝与基体之间过渡平滑。Nb元素对适当改善焊缝塑性提高焊接抗裂性有好处。
④本发明获得的接头均无裂纹，TiAl/TiAl接头的室温拉伸强度为530～550MPa，TiAl/TiAl接头的760℃高温拉伸强度为550～560MPa，接头强度系数较高，均达到了母材TiAl基合金室温和高温拉伸强度的95％左右。
具体实施方式
(1)通过以下方式制备填充材料：
①原材料配置，基体元素以0级海绵钛和钛基中间合金形式添加，合金元素Al、Nb、V、Cr以钛基、铝基中间合金或纯金属形式添加，按重量百分比配制，成分原子百分比为：Al40.0～50.0、Nb0～10.0、V0～3.0、Mo0～2.0、Cr0～4.0、Ti余量；
②合金熔炼，采用真空电弧熔炼或感应熔炼+真空自耗电弧熔炼法进行熔炼，为确保合金成分的均匀性，采用上述方法中的一种或多种方法至少熔炼三次，浇铸成棒或锭；
③采用线切割方法将合金棒(或锭)加工至所需尺寸并且去除表面因线切割加工引起的氧化或污染层；
(2)对TiAl基合金进行焊前热处理以改善基体材料的塑性，从而提高TiAl基合金的可焊性，焊前热处理温度为：1310～1350℃，根据待焊件的尺寸选择热处理时间，选择的时间足以使焊件整体均匀受热。
(3)焊件的焊前准备，加工待焊部位及焊点或焊缝周围区域使其光亮，无其他污染物。
(4)通过感应线圈加热的方式对待焊的TiAl基合金进行预热，预热温度达到500～800℃之间，为了避免TiAl基合金氧化和吸氢脆化等问题，预热操作均在充氩箱内完成。
(5)预热完毕后，即刻对TiAl基合金进行钨极氩弧焊接操作，TiAl基合金自身之间的焊接选用按技术方案(1)制备的Ti-Al-Nb系合金的切条作为填充材料。具体焊接工艺参数根据焊件尺寸而定，原则是使其焊透。
(6)焊接完毕，从充氩箱内取出焊接试件，随后在充氩条件下对其进行焊后退火热处理，目的是消除焊件的热应力，充氩热处理温度：900℃，时间随试件大小而定。
实施例
以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
表1各实施例使用的填充材料
TiAl基合金自身的氩弧焊接，该方法的步骤是：
(1)TiAl基合金自身焊接用填充材料的制备，TiAl基合金自身焊接用填充材料为：Ti-Al-Nb系填充材料，化学成分如表1所示，通过以下方式制备：
①原材料配置，基体元素以0级海绵钛和钛基中间合金形式添加，合金元素Al、Nb、V、Cr以钛基、铝基中间合金或纯金属形式添加，按重量百分比配制；
②熔炼合金，为确保合金成分的均匀性，反复熔炼，浇铸成棒；
③采用线切割方法将合金棒(或锭)加工成横截面为；2×2mm的方条，加工掉表面的氧化皮，使其表面光亮备用。
(2)TiAl焊接试板尺寸为90×50×2.5mm，对TiAl基材料进行焊前热处理，热处理制度如表1所示。
(3)TiAl焊接试板焊前准备，加工V型焊接坡口，钝边0.5mm，单边角度35°，去掉坡口两侧10mm范围内的氧化膜，使其光亮，焊前用丙酮擦洗；
(4)TiAl基合金自身以的焊接采用钨极氩弧焊方法，TiAl基合金自身之间的焊接选用按(1)制备的Ti-Al-Nb系合金(成分如表1所示)的切条作为填充材料，焊前用丙酮擦拭Ti-Al-Nb合金方条；
(5)通过感应线圈加热的方式对待焊的TiAl基合金试板进行预热，将S型热电偶点焊固定在被焊TiAl材料距离焊缝20mm左右的位置处，测量预热温度，通过温度记录仪监测加热温度，当预热温度达到如表1所示的预热温度时，停止加热；
(6)焊接时，根部间隙为1.0mm，焊接电流80～100A，焊接电压10～13V；
(7)焊接完毕，从充氩箱内取出焊接试板，随后在充氩条件下对其进行焊后退火热处理，热处理制度：900℃×1h。
上述实施例的TiAl/TiAl接头的室温拉伸强度为510～580MPa，TiAl/TiAl接头的760℃高温拉伸强度为530～560MPa，接头强度系数较高，均达到了母材TiAl基合金室温和高温拉伸强度的95％左右。
Claims (5)
1.一种适合TiAl基合金自身连接的氩弧焊方法，其特征在于：按以下步骤进行：
(1)制备TiAl基合金氩弧焊用填充材料，成分原子百分比为：Al40.0～50.0、Nb2.21～10.0、V0～3.0、Mo0～2.0、Cr0～4.0、Ti余量；
(2)对待焊的TiAl基合金进行焊前热处理，热处理温度为1310～1350℃；
(3)在充氩箱内，采用感应线圈预热待焊试件或待焊部位，测量被焊TiAl合金距离焊缝20mm以内位置处的温度，预热温度在500～800℃之间；
(4)在充氩箱内进行钨极氩弧焊焊接；
(5)焊后充氩条件下对焊件进行退火热处理，热处理温度为：900±50℃。
2.根据权利要求1所述的一种适合TiAl基合金自身连接的氩弧焊方法，其TiAl基合金氩弧焊用填充材料成分的原子百分比为：Al42.0～50.0、Nb2.21～10.0、V0～3.0、Mo0～2.0、Cr0～4.0、Ti余量；
3.根据权利要求1所述的一种适合TiAl基合金自身连接的氩弧焊方法，其特征在于：所述的采用感应线圈预热待焊试件或待焊部位，是通过S型热电偶测量被焊TiAl合金距离焊缝20mm以内位置处的温度。
4.根据权利要求1所述的一种适合TiAl基合金自身连接的氩弧焊方法，其特征在于：所述的焊前热处理，热处理温度为1320～1340℃。
5.根据权利要求1所述的一种适合TiAl基合金自身连接的氩弧焊方法，其特征在于：所述的采用感应线圈预热待焊试件或待焊部位，，预热温度为650～800℃。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110107885.1A CN102229018B (zh) | 2011-04-28 | 2011-04-28 | 一种适合TiAl基合金材料自身连接的氩弧焊方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110107885.1A CN102229018B (zh) | 2011-04-28 | 2011-04-28 | 一种适合TiAl基合金材料自身连接的氩弧焊方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102229018A CN102229018A (zh) | 2011-11-02 |
| CN102229018B true CN102229018B (zh) | 2014-07-02 |
Family
ID=44841646
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201110107885.1A Active CN102229018B (zh) | 2011-04-28 | 2011-04-28 | 一种适合TiAl基合金材料自身连接的氩弧焊方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102229018B (zh) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102649190B (zh) * | 2012-01-16 | 2015-10-28 | 上海交通大学 | 非连续增强钛基复合材料的氩弧焊焊接方法 |
| CN103045907A (zh) * | 2012-12-28 | 2013-04-17 | 洛阳双瑞精铸钛业有限公司 | 一种含铬碳的钛铝合金用于薄壁涡轮叶片的熔铸方法 |
| CN103692109B (zh) * | 2013-12-12 | 2015-06-10 | 西北有色金属研究院 | 一种低温高强钛铝铌合金专用焊丝 |
| CN103820675A (zh) * | 2014-03-12 | 2014-05-28 | 北京工业大学 | 一种含V高Nb新型β-γTiAl金属间化合物材料及其制备方法 |
| CN104084712B (zh) * | 2014-07-04 | 2016-08-24 | 哈焊所华通（常州）焊业股份有限公司 | 一种耐腐蚀性强的钛合金焊接用低成本钛合金焊丝 |
| CN104209487B (zh) * | 2014-09-04 | 2016-03-16 | 张勇弢 | 一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法 |
| CN104439704B (zh) * | 2014-11-06 | 2016-01-06 | 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 | 一种Ti3Al铸件铸造缺陷的激光补焊方法 |
| CN106903398B (zh) * | 2017-04-19 | 2019-11-22 | 中国航发北京航空材料研究院 | 一种真空/保护气氛下组合热源焊接方法及其装置 |
| CN108856966A (zh) * | 2018-07-20 | 2018-11-23 | 北京星航机电装备有限公司 | 一种1.5mm钛合金不加丝自动TIG焊接方法 |
| CN110625223B (zh) * | 2019-08-30 | 2021-05-07 | 中国航发北京航空材料研究院 | 一种用于TiAl基铸件铸造缺陷的氩弧焊修补方法 |
| CN112404798B (zh) * | 2020-11-25 | 2022-05-20 | 哈尔滨焊接研究院有限公司 | 一种tc4钛合金药芯焊丝及其制备方法 |
| CN114131225B (zh) * | 2021-12-30 | 2023-09-19 | 天津大学 | 一种用于改善钛合金焊接接头热影响区冲击韧性的方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101011739A (zh) * | 2007-01-31 | 2007-08-08 | 哈尔滨工业大学 | 一种用元素粉末制备TiAl合金复合板材的方法 |
| CN101073850A (zh) * | 2007-06-18 | 2007-11-21 | 哈尔滨工业大学 | TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接热循环复合控制方法 |
| CN101456102A (zh) * | 2009-01-05 | 2009-06-17 | 西安理工大学 | α型钛合金手工钨极氩弧焊细化晶粒型焊丝及制备方法 |
| CN101966631A (zh) * | 2009-07-28 | 2011-02-09 | 中国科学院金属研究所 | 一种适用于520°c以上高温钛合金焊接用低成本钛合金焊丝 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4591900B2 (ja) * | 2000-03-27 | 2010-12-01 | 株式会社Ｎｅｏｍａｘマテリアル | Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物板の製造方法 |
| CN102011195B (zh) * | 2010-11-23 | 2012-06-06 | 北京科技大学 | 一种定向凝固高铌钛铝合金单晶的制备方法 |
-
2011
- 2011-04-28 CN CN201110107885.1A patent/CN102229018B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101011739A (zh) * | 2007-01-31 | 2007-08-08 | 哈尔滨工业大学 | 一种用元素粉末制备TiAl合金复合板材的方法 |
| CN101073850A (zh) * | 2007-06-18 | 2007-11-21 | 哈尔滨工业大学 | TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接热循环复合控制方法 |
| CN101456102A (zh) * | 2009-01-05 | 2009-06-17 | 西安理工大学 | α型钛合金手工钨极氩弧焊细化晶粒型焊丝及制备方法 |
| CN101966631A (zh) * | 2009-07-28 | 2011-02-09 | 中国科学院金属研究所 | 一种适用于520°c以上高温钛合金焊接用低成本钛合金焊丝 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102229018A (zh) | 2011-11-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102229018B (zh) | 一种适合TiAl基合金材料自身连接的氩弧焊方法 | |
| CN103567654B (zh) | 用于钛-钢复合板的焊接材料及焊接方法 | |
| Karpagaraj et al. | Some studies on mechanical properties and microstructural characterization of automated TIG welding of thin commercially pure titanium sheets | |
| Song et al. | Interfacial microstructure and mechanical property of Ti6Al4V/A6061 dissimilar joint by direct laser brazing without filler metal and groove | |
| Shao et al. | Effect of joining parameters on microstructure of dissimilar metal joints between aluminum and galvanized steel | |
| Moosavy et al. | Modern fiber laser beam welding of the newly-designed precipitation-strengthened nickel-base superalloys | |
| Dong et al. | Effects of post-weld heat treatment on dissimilar metal joint between aluminum alloy and stainless steel | |
| CN103243242B (zh) | 一种高温合金涡轮叶片修复材料及其修复工艺 | |
| Zhang et al. | Microstructure and performance of hybrid laser-arc welded 40 mm thick 316 L steel plates | |
| CN105033455B (zh) | 一种钢/铌激光焊接方法 | |
| EP3034229B1 (en) | Weld filler for superalloys | |
| Dhinakaran et al. | A review on the categorization of the welding process of pure titanium and its characterization | |
| Kumar et al. | Experimental investigation and optimization of TIG welding parameters on aluminum 6061 alloy using firefly algorithm | |
| CN103464873B (zh) | 一种钛合金与镍基高温合金的电弧焊工艺 | |
| JPH11156559A (ja) | 硬化可能なニッケルベース合金を溶接する方法 | |
| CN109249127A (zh) | 一种高温钛合金脉冲激光焊接方法 | |
| CN108188582A (zh) | 一种用于制备镁/钢异种金属拼焊板的激光-电弧复合填丝焊接方法 | |
| CN103831533A (zh) | 钛合金激光－mig复合焊接方法 | |
| CN106392359A (zh) | 一种控制超薄钽与钼异种材料焊接裂纹的方法 | |
| Cui et al. | Effect of nitrogen content on the microstructure and properties of the laser-arc hybrid welding joint of high nitrogen steel | |
| CN101733496A (zh) | 钛合金与合金钢激光搭接钎焊工艺 | |
| CN104511700A (zh) | 一种镍基合金焊丝及其制备方法 | |
| Nevcanoğlu et al. | The Effect of TIG Welding Parameters and Automatization for Non-Heat Treated Inconel 718 Sheets | |
| Liu et al. | Real weld geometry determining mechanical properties of high power laser welded medium plates | |
| CN113210830B (zh) | 一种增材制造成形γ-TiAl金属间化合物的真空电子束焊接方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |