CN103862147A - 钼铜合金与镍基高温合金的填丝脉冲钨极氩弧焊工艺 - Google Patents

钼铜合金与镍基高温合金的填丝脉冲钨极氩弧焊工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钼铜合金与镍基高温合金的填丝脉冲钨极氩弧焊工艺，包括表面处理、定位点焊、焊前预热、施焊、焊道清理、焊后缓冷的步骤，本发明采用Ni-Fe-Cr系合金焊丝，通过控制焊丝中Ni元素含量，可以有效改善接头靠近钼铜合金一侧热影响区组织的致密度。本发明提出的钼铜合金与镍基高温合金脉冲填丝钨极氩弧焊工艺具有操作方便、接头性能稳定、焊接效率高、便于推广应用等优点，尤其适用于钼铜合金与镍基高温合金的焊接，也可用于钼铜合金与其他高温合金的焊接。

Description

钼铜合金与镍基高温合金的填丝脉冲钨极氩弧焊工艺
技术领域
本发明涉及一种异种材料之间的熔焊方法，尤其涉及一种钼铜合金与镍基高温合金的焊接，属于焊接技术领域。
背景技术
钼铜材料是由钼和铜两种互不相溶的金属相所组成的合金。这种材料兼有组成金属两者的特性，而且可以取长补短，获得良好的综合性能。钼是金属中除金、银、铜等高导金属外，电导和热导性比较好的元素，因此，进一步加入高电导热导金属铜的钼铜材料，具有很高的电导热导性。铜的热膨胀系数较高，而钼的热膨胀系数很低，因此，可以根据不同的成分组合制成所需要的较低的热膨胀系数，从而使它们可以与其它材料的热膨胀系数匹配组合，避免因热膨胀系数差别过大而引起的热应力破坏。钼系高熔点金属(难熔金属)，其熔点为2615℃，而铜的熔点仅为1083℃。钼铜材料在常温和中温时，既有较好的强度，又有一定的塑性，而当超过铜的熔点时，材料中所含有的铜可以液化蒸发吸热起到冷却作用，因此可作为特殊用途的高温材料,如耐火药燃烧温度的喷管喉衬，高温电弧作用下的电触头等。
镍基高温合金在600～900℃温度范围内具有良好的综合性能，650℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位，并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能及良好的加工性能、焊接性能良好。镍基高温合金能够制造各种形状复杂的零部件，在宇航、核能、石油工业及挤压模具中，在上述温度范围内获得了极为广泛的应用。将钼铜合金与镍基高温合金进行连接制备成复合耐高温构件，对于提高复合结构件的性能、降低制造成本、扩大钼铜合金的应用具有重要的意义。
常温下钼及其合金较稳定，520℃以上开始缓慢氧化且随温度的升高其吸收氧的能力显著上升，因此钼合金的焊接大多在真空中或采取惰性气体保护下进行。另外，钼合金脆性与氧、氮含量有关，且氧是引起钼合金变脆的主要原因，它通过在晶界的富集使晶界变脆。当杂质含量一定时，晶粒大小和晶界面积决定氧在晶界富集的程度。小晶粒富集程度低，气体元素含量高也易引起焊缝气孔。因此，应采用特殊工艺使钼及钼合金中氧、氮元素和低熔点杂质含量应尽量降低，防止气孔的产生。另外钼铜合金与镍基高温合金热导率及线膨胀系数相差较大，焊接时焊点区域容易产生焊接应力，形成显微裂纹甚至在应力作用进一步扩展导致开裂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够获得无裂纹、无气孔、强度较高的钼铜合金与镍基高温合金接头的高效熔焊工艺。这项技术针对的是Mo质量分数30%～60%、Cu质量分数40%～70%的钼铜合金，针对的镍基高温合金为镍含量（质量分数）大于50%的高温合金。
本发明的工艺步骤如下：
(1)表面处理：将填充用Ni-Fe-Cr系合金焊丝表面及钼铜合金与镍基高温合金母材的待焊部位进行处理。
(2)定位点焊：将处理好的钼铜合金与镍基高温合金坡口处对接后点焊定位。
(3)焊前预热：焊接起弧后利用钨极氩弧先偏向钼铜合金一侧进行预热，预热温度为300～400℃。
(4)施焊过程：采用填丝脉冲钨极氩弧焊方法对钼铜合金与镍基高温合金进行焊接，焊接过程中采用纯氩气对焊接区域进行保护，防止N、O对焊接接头性能的有害影响；对每层焊缝焊接之间进行层间温度的控制，保证层间温度不超过150℃。
(5)焊道清理：在每道焊缝焊接完成后用不锈钢钢丝刷刷去氧化层直至露出金属光泽。
(6)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100℃以下时方可移开。
步骤(1)中所述的填充用Ni-Fe-Cr系合金焊丝表面处理是用砂纸打磨焊丝至露出金属光泽。
步骤(1)中所述的钼铜合金与镍基高温合金母材的待焊部位进行处理步骤是用室温混合酸溶液(浓度为36.5%的盐酸l5%+浓度为70%的硫酸15%+浓度为12%的铬酸5%+水溶液65%)刷洗到钼铜合金母材待焊表面至光亮为止，然后用流动清水把酸洗净，晾干；镍基高温合金母材先经过喷砂处理，然后进行砂纸打磨，使待焊面的粗糙度达到Ra1.6～3.2。薄件和小件不必进行喷砂处理，接头处用砂纸打磨干净、露出金属光泽即可。
步骤(1)中所述的Ni-Fe-Cr系合金焊丝，主要成分为（质量分数%）：C≤0.05，Mn≤1.0,Fe24～28,Cr23～26，Mo2.5～3.5,Cu1.5～3.0,Ti0.8～1.5,S≤0.03，Si≤0.5，B0.002～0.006，余为Ni。
步骤(1)中所述的Ni-Fe-Cr系合金焊丝的直径为2.0～2.5mm。
步骤(2)中所述的定位点焊的焊点长度为3～5mm。
步骤(2)中所述的对接后坡口为U型。
步骤(4)中所述的纯氩气纯度大于99.98%。
步骤(4)中所述的脉冲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)中所述的脉冲钨极氩弧焊工艺参数为：焊接电压为11～13V，峰值电流为138～146A，基值电流为108～120A，脉冲占空比为1:1，峰值时间为3～5s，基值时间为3～5s，起始电流为48～55A，收弧电流为30～38A，焊接速度为60～90mm/min，焊接气体流量为15～20L/min。
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15～18L/min。
填丝钨极氩弧焊前，先对焊件正、背面同时通氩气保护2～3min；焊接过程中，控制钨极加热斑点偏向钼铜合金一侧，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。
脉冲钨极氩弧焊由于具有电弧稳定、在惰性气体保护下能够保证内在质量、成形美观，适合在施焊难度较大场合使用等优点而使用广泛。本发明采用填丝脉冲钨极氩弧焊方法，一方面通过在焊丝中添加合金元素改善钼铜合金与镍基高温合金的焊接性；另一方面，采用带有脉冲的钨极氩弧焊方法，通过焊接过程脉冲电流对熔池的搅拌作用，加速焊缝熔敷金属的冷却速度，避免焊缝靠近镍基高温合金一侧热影响区晶粒组织的粗化，实现钼铜合金与镍基高温合金的焊接。这种工艺操作方便、适用性强，得到的钼铜合金与镍基高温合金接头强度较高。
本发明采用Ni-Fe-Cr系合金焊丝，通过控制焊丝中Ni元素含量，可以有效改善接头靠近钼铜合金一侧热影响区组织的致密度。
本发明采用含少量B元素的Ni-Fe-Cr系合金焊丝对钼铜合金与镍基高温合金进行焊接，其中B元素的添加一方面能够细化钼铜合金一侧熔合区组织的晶粒，减少了杂质的有害作用，防止焊接热裂纹的产生；另一方面，B元素能够抑制焊缝组织晶界处η相的形成。同时B元素在焊接过程中有脱氧的作用，使焊缝中氧含量降低，抑制气孔的产生，从而提高焊缝塑性。
采用本发明给出的钼铜合金与镍基高温合金的脉冲填丝钨极氩弧焊工艺，可以获得焊缝无裂纹、组织均匀分布、两侧母材与焊缝都熔合良好的焊接接头，如图1所示（实施例1条件下获得的接头熔合区组织）。
本发明的有益效果是，本发明提出的钼铜合金与镍基高温合金填丝脉冲钨极氩弧焊工艺具有操作方便、接头性能稳定、焊接效率高、便于推广应用等优点，尤其适用于钼铜合金与镍基高温合金的焊接，也可用于钼铜合金与其他高温合金的焊接。
附图说明
附图为钼铜合金与镍基高温合金焊接接头金相组织图，其中，图1为焊缝与钼铜合金之间的结合区，图2为焊缝与镍基高温合金之间的结合区。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
合金组成为Mo60％-Cu40％（质量分数）的钼铜合金板与GH4169镍基高温合金板对接接头的脉冲填丝钨极氩弧焊，钼铜合金板尺寸为100mm×50mm，厚度为2mm；GH4169镍基高温合金板尺寸为100mm×50mm，厚度为2mm。
第一步，钼铜合金板、GH4169镍基高温合金板及Ni-Fe-Cr系合金焊丝的表面处理：
先将钼铜合金待焊表面用室温酸溶液(l5%盐酸+15%硫酸+5%铬酸+65%水)刷洗至光亮为止，然后用流动清水把酸洗净，晾干；
将镍基高温合金对接接头处用砂纸打磨干净，使待焊面露出金属光泽，表面粗糙度达到Ra1.6；
采用直径为2mm的Ni-Fe-Cr系合金焊丝，焊前用砂纸将焊丝表面打磨干净。
采用的Ni-Fe-Cr系合金焊丝，主要成分为（质量分数%）：C0.05，Mn0.8,Fe24,Cr26，Mo2.5,Cu3.0,Ti0.8,S0.03，Si0.5，B0.006，余为Ni。
第二步，钼铜合金与GH4169高温合金的焊接：
将处理好的钼铜合金与镍基高温合金开成U型坡口，对接后进行定位点焊，点焊长度为5mm。
焊接起弧后利用钨极氩弧先偏向钼铜合金一侧进行预热至300℃，然后采用脉冲填丝钨极氩弧焊进行焊接，工艺参数为：焊接电压为11V，峰值电流为146A，基值电流为120A，脉冲占空比为1:1，峰值时间为3s，基值时间为3s，起始电流为55A，收弧电流为38A，焊接速度为90mm/min，焊接气体流量为15L/min。
施焊过程中，控制加热斑点偏向钼铜合金一侧，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。
第三步，焊接区的气体保护：
保护气体为纯度大于99.98%的氩气。焊前，先对焊件正、背面同时通氩气保护2min；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12L/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18L/min。焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护1min。
第四步，焊后缓冷：
焊后立即用石棉布全部覆盖钼铜合金与GH4169高温合金焊件进行保温，直至温度冷至100℃时移开。
所得到的钼铜合金与GH4169高温合金对接接头焊缝成形美观。经金相显微镜观察没有发现裂纹、气孔等微观缺陷，焊缝熔合区结合良好。
实施例2：
合金组成为Mo50％-Cu50％（质量分数）的钼铜合金与GH4169镍基高温合金角焊缝的脉冲填丝钨极氩弧焊，钼铜合金板尺寸为100mm×50mm，厚度为4mm；GH4169镍基高温合金板尺寸为200mm×100mm，厚度为5mm。
第一步，钼铜合金板、GH4169镍基高温合金板及Cr25-Ni20系合金焊丝的表面处理：
先将钼铜合金待焊表面用室温酸溶液(l5%盐酸+15%硫酸+5%铬酸+65%水)刷洗至光亮为止，然后用流动清水把酸洗净，晾干；
将镍基高温合金对接接头处用砂纸打磨干净，使待焊面露出金属光泽，表面粗糙度达到Ra3.2；
采用直径为2.5mm的Ni-Fe-Cr系合金焊丝，焊前用砂纸将焊丝表面打磨至露出金属光泽。焊丝的主要成分为（质量分数%）：C0.05，Mn1.0,Fe28,Cr23，Mo3.5,Cu1.5,Ti1.5,S0.03，Si0.4，B0.002，余为Ni。
第二步，钼铜合金与GH4169高温合金的焊接：
将处理好的钼铜合金与镍基高温合金角接头进行定位点焊，点焊长度为3mm。
焊接起弧后利用钨极氩弧先偏向钼铜合金一侧进行预热至400℃，然后采用脉冲填丝钨极氩弧焊进行焊接，工艺参数为：焊接电压为13V，峰值电流为138A，基值电流为108A，脉冲占空比为1:1，峰值时间为5s，基值时间为5s，起始电流为48A，收弧电流为30A，焊接速度为60mm/min，焊接气体流量为20L/min。
施焊过程中，控制加热斑点偏向钼铜合金一侧，焊丝与焊件间保持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。
第三步，焊接区的气体保护：
保护气体为纯度大于99.98%的氩气。焊前，先对焊件正、背面同时通氩气保护3min，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15L/min。焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护2min。
第四步，焊后缓冷：
焊后立即用石棉布全部覆盖钼铜合金与GH4169高温合金焊件进行保温，直至温度冷至100℃时移开。
所得到的钼铜合金与GH4169高温合金角接头焊缝成形美观。经金相显微镜观察没有发现裂纹、气孔等微观缺陷，接头熔合区结合良好。

Claims (9)

1.钼铜合金与镍基高温合金的填丝脉冲钨极氩弧焊工艺，其特征是，工艺步骤如下：
(1)表面处理：将填充用Ni-Fe-Cr系合金焊丝打磨至露出金属光泽；
将钼铜合金与镍基高温合金母材的待焊部位用室温酸溶液刷洗到钼铜合金母材待焊表面至光亮为止，然后用流动清水把酸洗净，晾干；
所述的Ni-Fe-Cr系合金焊丝，成分为：C≤0.05，Mn≤1.0,Fe24～28,Cr23～26，Mo2.5～3.5,Cu1.5～3.0,Ti0.8～1.5,S≤0.03，Si≤0.5，B0.002～0.006，余为Ni；以质量百分数计；
(2)定位点焊：将处理好的钼铜合金与镍基高温合金坡口处对接后点焊定位；
(3)焊前预热：焊接起弧后利用钨极氩弧先偏向钼铜合金一侧进行预热，预热温度为300～400℃；
(4)施焊过程：采用填丝脉冲钨极氩弧焊方法对钼铜合金与镍基高温合金进行焊接，焊接过程中采用纯氩气对焊接区域进行保护，防止N、O对焊接接头性能的有害影响；对每层焊缝焊接之间进行层间温度的控制，保证层间温度不超过150℃；
脉冲钨极氩弧焊工艺参数为：焊接电压为11～13V，峰值电流为138～146A，基值电流为108～120A，脉冲占空比为1:1，峰值时间为3～5s，基值时间为3～5s，起始电流为48～55A，收弧电流为30～38A，焊接速度为60～90mm/min，焊接气体流量为15～20L/min；
(5)焊道清理：在每道焊缝焊接完成后刷去氧化层直至露出金属光泽；
(6)焊后缓冷：焊后对焊件进行保温，直至温度冷至100℃以下。
2.如权利要求1所述的钼铜合金与镍基高温合金的填丝脉冲钨极氩弧焊工艺，其特征是，所述步骤（1）中，镍基高温合金母材先经过喷砂处理，然后进行砂纸打磨，使待焊面的粗糙度达到Ra1.6～3.2。
3.如权利要求1所述的钼铜合金与镍基高温合金的填丝脉冲钨极氩弧焊工艺，其特征是，步骤(1)中所述的Ni-Fe-Cr系合金焊丝的直径为2.0～2.5mm。
4.如权利要求1所述的钼铜合金与镍基高温合金的填丝脉冲钨极氩弧焊工艺，其特征是，步骤(2)中所述的定位点焊的焊点长度为3～5mm。
5.如权利要求1所述的钼铜合金与镍基高温合金的填丝脉冲钨极氩弧焊工艺，其特征是，步骤(2)中所述的对接后坡口为U型。
6.如权利要求1所述的钼铜合金与镍基高温合金的填丝脉冲钨极氩弧焊工艺，其特征是，步骤(4)中所述的脉冲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。
7.如权利要求1所述的钼铜合金与镍基高温合金的填丝脉冲钨极氩弧焊工艺，其特征是，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15～18L/min。
8.如权利要求1所述的钼铜合金与镍基高温合金的填丝脉冲钨极氩弧焊工艺，其特征是，填丝钨极氩弧焊前，先对焊件正、背面同时通氩气保护2～3min；焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池；焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护1～2min。
9.如权利要求1所述的钼铜合金与镍基高温合金的填丝脉冲钨极氩弧焊工艺，其特征是，焊接过程中，控制钨极加热斑点偏向钼铜合金一侧，焊丝与平板对接焊件间保持75°～80°夹角。
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