CN102744502B - Ta15钛合金与奥氏体不锈钢的填丝钨极氩弧焊工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TA15钛合金与奥氏体不锈钢异种材料连接工艺，焊前将加工平整的TA15钛合金与奥氏体不锈钢的待连接表面用砂纸打磨，使待焊面的粗糙度达到Ra1.6～3.2；纯铜焊丝表面用砂纸打磨干净；将尺寸规格相当的TA15钛合金与奥氏体不锈钢板水平对接放置，装配间隙为0.05mm～0.15mm，TA15钛合金一侧开30°～45°单面V形坡口，钝边为1～2mm；在TA15钛合金与奥氏体不锈钢连接件之间添加纯铜焊丝，先采用氧-乙炔火焰将TA15钛合金与奥氏体不锈钢焊件焊前预热，控制热量分布进行填丝钨极氩弧焊接，采用纯氩气对焊接区进行保护，焊接工艺参数：焊接电压12～15V，焊接电流80～100A，焊接速度100～130mm/min，氩气流量10～15L/min；焊后立即用石棉布覆盖焊件进行保温，直至温度冷至50℃以下时方可移开。

Description

TA15钛合金与奥氏体不锈钢的填丝钨极氩弧焊工艺

技术领域

本发明属于异种材料连接技术，涉及材料、机械、航空航天、化工等技术领域，尤其是一种TA15钛合金与奥氏体不锈钢的填丝钨极氩弧焊工艺。

背景技术

目前TA15钛合金凭借比强度高、耐腐蚀、焊接性良好等优点，在航空航天、化工、电站等领域得到了广泛应用。TA15钛合金对于减轻结构质量、提高结构效率、改善结构可靠性、提高机体寿命、满足高温和高载及腐蚀环境要求等方面能发挥重要作用。

单一TA15钛合金很难同时满足产品不同部位对使用性能的不同要求。在某些情况下，需要兼有钛合金与不锈钢的优良特性的异种材料连接件，如核动力装置中核燃料后处理设备中的某些零件、卫星燃料喷注器、电镀设备零件、反应塔、强酸强碱容器、高尔夫球杆及医疗设备零件等，大多都是采用钛包覆钢的结构。这种钛钢复合结构在工业中的应用势必涉及到二者的焊接问题，然而由于TA15钛合金和不锈钢之间的物理和化学性能差异较大，尤其是线膨胀系数的不同导致熔化焊时变形量不同，接头产生很大的残余应力，容易导致焊缝区和热影响区产生裂纹，严重时至可以导致焊缝与母材的剥离。并且TA15钛合金和不锈钢互溶性差，容易形成大量脆性含钛的金属间化合物(如Ni₃Ti、NiTi₂、Fe₂Ti、FeTi、Cr₃Ti等)，明显降低焊接接头的强度和韧性。这已成为制约TA15钛合金产品使用性能提高和TA15钛合金潜能充分发挥的主要技术瓶颈。

目前，钛和不锈钢异种材料的焊接主要采用真空钎焊、扩散连接、激光焊、电子束焊和爆炸焊方法。钛与不锈钢钎焊虽可以获得一定使用性能的接头，但接头使用温度较低，而且耐蚀性也常满足不了较高的要求；扩散连接钛与不锈钢常采用复合中间层Cu-V或Cu-Mn-Ni可以得到强度较高的接头，但接头形状和尺寸受到极大的限制，并且工艺复杂，精度难以控制；采用激光焊和电子束焊方法连接钛与不锈钢时，对焊件的装配精度要求严格，并且设备成本较高；爆炸焊虽然是进行大面积复合板连接最有效的办法，但也存在变形量大、组织和性能不均匀等问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种TA15钛合金与奥氏体不锈钢的填丝钨极氩弧焊工艺，该工艺基于铜与镍无限互溶，铜与钛、铁、铬有限固溶，铜固溶体具有较高的强度和塑性及铜-钛金属间化合物的脆性较低等特点，通过采用纯铜焊丝和降低TA15钛合金母材熔合比，使焊缝区析出铜固溶体、减少脆性金属间化合物，提高TA15钛合金与不锈钢异种材料焊接接头的强度和韧性。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种TA15钛合金与奥氏体不锈钢异种材料连接工艺，步骤如下：

(1)纯铜焊丝准备：在TA15钛合金与奥氏体不锈钢连接件之间添加纯铜焊丝，通过纯铜焊丝填充，焊后使焊缝区析出铜固溶体，减少焊缝区含钛量及脆性金属间化合物，保证焊接接头的韧性；焊前用砂纸将纯铜焊丝表面打磨干净、直至完全露出金属光泽，备用；

(2)焊前清理：焊前将加工平整的TA15钛合金与奥氏体不锈钢的待连接表面用砂纸打磨，使待焊面的粗糙度达到Ra 1.6～3.2；

(3)焊前装配：将尺寸规格相当的TA15钛合金与奥氏体不锈钢板水平对接放置，装配间隙为0.05mm～0.15mm，TA15钛合金一侧开30°～45°单面V形坡口，钝边为1～2mm；

(4)施焊过程：先采用氧-乙炔火焰将TA15钛合金与奥氏体不锈钢焊件进行焊前预热，采用钨极氩弧控制热量分布进行填丝钨极氩弧焊接，焊接过程中采用纯氩气对焊接区域进行保护，防止H、O、N对焊接接头性能的有害影响；

(5)焊后缓冷：焊后立即用石棉布覆盖焊件进行保温，直至温度冷至50℃以下时方可移开。

步骤(1)中所述的纯铜焊丝，包括以下质量分数%的组分：Sn 0.8～1.0，Si 0.2～0.5，Mn0.3～0.5，余量为Cu。

步骤(1)中所述的纯铜焊丝直径为2.0～2.5mm。

步骤(4)中所述的焊前预热，预热温度为150～250℃。

步骤(4)中所述的控制热量分布，通过调整钨极氩弧焊热源位置，使其加热斑点位于TA15钛合金与奥氏体不锈钢界面附近偏向不锈钢一侧，降低TA15钛合金母材熔合比，减少焊缝区含钛量及脆性金属间化合物，避免焊接接头开裂。

步骤(4)中所述的纯氩气纯度大于99.98%。步骤(4)中所述的钨极氩弧焊接采用钨-钍电极，钨的含量为99.9%，钨极直径2mm，端部为锥形。步骤(4)中所述的对焊接区域进行保护，焊缝正面采用两侧吹氩气进行保护，气体流量为12～15L/min；焊缝背面采用带有通气孔道的紫铜垫板同时进行充氩气保护，气体流量为10～12L/min。步骤(4)中焊接工艺参数为：焊接电压为12～15V，焊接电流为80～100A，焊接速度为100～130mm/min，氩气流量为10～15L/min。

钨极氩弧焊前，先对焊件正、背面同时通氩气保护3～5min；焊接过程中，焊丝与平板对接焊件间应保持75°～80°夹角。焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池，不得将焊丝端部移出氩气保护区。焊缝收尾熄弧后，应继续通氩气保护1～2min。

研究结果表明，采用纯铜焊丝进行TA15钛合金与奥氏体不锈钢异种材料的焊接，可使焊缝区析出大量铜固溶体、减少脆性金属间化合物；焊接热源置于偏向奥氏体不锈钢母材一侧有利于减少焊缝区脆性金属间化合物，可以获得焊缝成形美观、无变形、无裂纹的焊接接头。铜与镍无限互溶，铜与钛、铁、铬有限固溶，铜固溶体具有较高的强度和塑性，与铁-钛、镍-钛、铬-钛金属间化合物相比，铜-钛化合物的脆性较低，因此采用纯铜焊丝进行TA15钛合金与奥氏体不锈钢异种材料焊接，有利于明显提高接头的抗裂性；纯铜焊丝价格相对较低、且易得，有利于降低焊接生产成本；纯铜焊丝塑性好，有利于实现焊接自动化，提高生产效率。

本发明的有益效果是，采用纯铜焊丝将TA15钛合金与不锈钢进行钨极氩弧焊，不仅避免了真空钎焊接头高温性能的局限性以及扩散连接工艺对接头形状的限制，又降低了激光和电子束高能条件的焊接成本。因此，该焊接工艺具有成本低、适用范围广、操作简单等特点，具有重要的实用价值和广阔的应用前景。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

TA15钛合金与Cr8-Ni8奥氏体不锈钢板的填丝钨极氩弧焊。

TA15钛合金板尺寸为200mm×40mm，厚度为3mm；Cr8-Ni8奥氏体不锈钢板尺寸为200mm×80mm，厚度为3mm。

第一步，TA15钛合金板、Cr8-Ni8奥氏体不锈钢板及纯铜焊丝的焊前准备：

先将TA15钛合金板待连接面加工出坡口角为45°、钝边为2mm的坡口；然后将坡口及周边用砂纸打磨干净至露出金属光泽；

用砂纸将Cr8-Ni8奥氏体不锈钢板待焊表面打磨干净，使表面粗糙度达到Ra 1.6～3.2；

采用直径为2.4mm的纯铜焊丝作为填充金属，焊前用砂纸将焊丝表面打磨至露出金属光泽。

第二步，TA15钛合金与Cr8-Ni8奥氏体不锈钢板的组装：

将TA15钛合金与Cr8-Ni8奥氏体不锈钢板水平对接放置，装配间隙为0.08mm～0.10mm。

第三步，TA15钛合金与Cr8-Ni8奥氏体不锈钢板的焊接：

先采用氧-乙炔火焰将TA15钛合金与Cr8-Ni8奥氏体不锈钢焊件进行预热至250℃；然后采用填丝钨极氩弧焊进行焊接，工艺参数为：焊接电压12V，焊接电流105～110A，焊接速度120mm/min，氩气流量12L/min；钨极直径2mm；施焊过程中，控制加热斑点偏向Cr8-Ni8奥氏体不锈钢一侧，焊丝与焊件间保持75°夹角。焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池，不得将焊丝端部移出氩气保护区。

第四步，焊接区的气体保护：

焊前，先对焊件正、背面同时通氩气保护5min，保护气体为纯度大于99.98%的氩气。焊接过程中采用焊缝正背面同时保护措施，正面是焊缝两侧吹氩气，气体流量为12～15L/min；背面采用带有通气孔道的紫铜垫板充氩气保护，气体流量为10～12L/min。焊缝收尾熄弧后，应继续通氩气保护2min。

第五步，焊后缓冷：

焊后立即用石棉布全部覆盖TA15钛合金与Cr8-Ni8奥氏体不锈钢焊件进行保温，直至温度冷至50℃以下时方可移开。

所得到的TA15钛合金与Cr8-Ni8奥氏体不锈钢对接接头焊缝成形良好，经外观检验和金相显微镜观察，焊件不发生变形，接头区不存在裂纹、气孔等微观缺陷。

实施例2：

TA15钛合金与Cr8-Ni8奥氏体不锈钢板的填丝钨极氩弧焊。

TA15钛合金板尺寸为200mm×40mm，厚度为2mm；Cr8-Ni8奥氏体不锈钢板尺寸为200mm×80mm，厚度为2mm。

第一步，TA15钛合金板、Cr8-Ni8奥氏体不锈钢板及纯铜焊丝的焊前准备：

先将TA15钛合金板待连接面加工出坡口角为30°、钝边为1mm的坡口；然后将坡口及周边用砂纸打磨干净至露出金属光泽；

用砂纸将Cr8-Ni8奥氏体不锈钢板待焊表面打磨干净，使表面粗糙度达到Ra1.6～3.2；

采用直径为2mm的纯铜焊丝作为填充金属，焊前用砂纸将焊丝表面打磨至露出金属光泽。

第二步，TA15钛合金与Cr8-Ni8奥氏体不锈钢板的组装：

将TA15钛合金与Cr8-Ni8奥氏体不锈钢板水平对接放置，装配间隙为0.05mm～0.08mm。

第三步，TA15钛合金与Cr8-Ni8奥氏体不锈钢板的焊接：

先采用氧-乙炔火焰将TA15钛合金与Cr8-Ni8奥氏体不锈钢焊件进行预热至200℃；然后采用填丝钨极氩弧焊进行焊接，工艺参数为：焊接电压12V，焊接电流100～105A，焊接速度110mm/min，氩气流量12L/min；钨极直径2mm；施焊过程中，控制加热斑点偏向Cr8-Ni8奥氏体不锈钢一侧，焊丝与焊件间保持75°夹角。焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池，不得将焊丝端部移出氩气保护区。

第四步，焊接区的气体保护：

焊前，先对焊件正、背面同时通氩气保护5min，保护气体为纯度大于99.98%的氩气。焊接过程中采用焊缝正背面同时保护措施，正面是焊缝两侧吹氩气，气体流量为12～15L/min；背面采用带有通气孔道的紫铜垫板充氩气保护，气体流量为10～12L/min。焊缝收尾熄弧后，应继续通氩气保护2min。

第五步，焊后缓冷：

焊后立即用石棉布全部覆盖TA15钛合金与Cr8-Ni8奥氏体不锈钢焊件进行保温，直至温度冷至50℃以下时方可移开。

所得到的TA15钛合金与Cr8-Ni8奥氏体不锈钢对接接头焊缝成形良好，经外观检验和金相显微镜观察，焊件不发生变形，接头区不存在裂纹、气孔等微观缺陷。

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种TA15钛合金与奥氏体不锈钢异种材料连接工艺，其特征是，步骤如下：

(1)纯铜焊丝准备：在TA15钛合金与奥氏体不锈钢连接件之间添加纯铜焊丝，通过纯铜焊丝填充，焊后使焊缝区析出铜固溶体，减少焊缝区含钛量及脆性金属间化合物，保证焊接接头的韧性；焊前用砂纸将纯铜焊丝表面打磨干净、直至完全露出金属光泽，备用，其中，所述的纯铜焊丝，包括以下质量分数％的组分：Sn0.8～1.0，Si0.2～0.5，Mn0.3～0.5，余量为Cu，所述的纯铜焊丝直径为2.0～2.5mm；

(2)焊前清理：焊前将加工平整的TA15钛合金与奥氏体不锈钢的待连接表面用砂纸打磨，使待焊面的粗糙度达到Ra1.6～3.2；

(3)焊前装配：将尺寸规格相当的TA15钛合金与奥氏体不锈钢板水平对接放置，装配间隙为0.05mm～0.15mm，TA15钛合金一侧开30°～45°单面V形坡口，钝边为1～2mm；

(4)施焊过程：先采用氧-乙炔火焰将TA15钛合金与奥氏体不锈钢焊件进行焊前预热，所述预热温度为150～250℃，采用钨极氩弧控制热量分布进行填丝钨极氩弧焊接，所述钨极氩弧焊接采用钨-钍电极，钨的含量为99.9％，钨极直径2mm，端部为锥形，所述焊接工艺参数为：焊接电压为12～15V，焊接电流为80～100A，焊接速度为100～130mm/min，氩气流量为10～15L/min，焊接过程中采用纯氩气对焊接区域进行保护，防止H、O、N对焊接接头性能的有害影响，所述的纯氩气纯度大于99.98％，所述的对焊接区域进行保护，焊缝正面采用两侧吹氩气进行保护，气体流量为12～15L/min；焊缝背面采用带有通气孔道的紫铜垫板同时进行充氩气保护，气体流量为10～12L/min；

(5)焊后缓冷：焊后立即用石棉布覆盖焊件进行保温，直至温度冷至50℃以下时方可移开。

2.如权利要求1所述的一种TA15钛合金与奥氏体不锈钢异种材料连接工艺，其特征是，步骤(4)中所述的控制热量分布，通过调整钨极氩弧焊热源位置，使其加热斑点位于TA15钛合金与奥氏体不锈钢界面附近偏向不锈钢一侧，降低TA15钛合金母材熔合比，减少焊缝区含钛量及脆性金属间化合物，避免焊接接头开裂。