CN103878470A - 一种钛合金与镍合金异种材料的钨极氩弧焊工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金与镍合金异种材料的钨极氩弧焊工艺，选用Ni-Cu系合金焊丝作为填充材料，氩弧焊采用铈钨电极，电极端部磨成30～45°锥形；保护气体选用氩气；通过焊前准备及预热、焊接、焊后冷却及调整焊接工艺参数，控制钛合金与镍合金焊接熔池的熔化和凝固条件，可获得焊缝成形美观、无裂纹、无气孔等缺陷的焊接接头。这种方法焊接效率高，成本低，操作方便灵活，能够满足钛合金与镍合金钢异种材料焊接接头的使用要求。

Description

一种钛合金与镍合金异种材料的钨极氩弧焊工艺

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种适合钛合金与镍合金异种材料之间的钨极氩弧焊方法，可用于钛合金组件和镍合金组件之间的连接。

背景技术

钛及其合金具有重量轻、比强度高、耐蚀性好等优点，因而在航天航空、石油化工等领域的应用不断扩大。随着钛及钛合金作为一种重要的金属材料的兴起，其焊接技术获得了较大的发展。钛很活泼，加热到400～500℃时就吸收氧、氢、氮等气体而硬化；钛元素易与大多数金属形成脆性的金属间化合物。而镍是非碳化物形成元素，与钛形成的化合物有一定的塑性，并且镍的塑性好，可以缓解接头中的内应力。因此，实现钛镍复合结构件的焊接制造，可以大大推动钛合金在航空航天、化工以及原子能工业中的广泛应用。

采用爆炸焊和真空扩散焊可以实现钛合金与镍合金的焊接，但这两种方法均属于固相焊，获得的接头强度较低，不能用于承载较大的焊接结构件。如果能在熔焊条件下实现对钛合金和镍合金的可靠连接，将具有很好的应用前景。钛合金与镍合金的热导率和线胀系数差异很大，熔焊时的热胀冷缩造成很大的焊接应力，极易导致焊缝开裂，因此钛合金与镍合金的熔焊技术难度很大。

另外，镍合金中的Ni和S、P、N、O等都能形成低熔点共晶物质，在焊接应力的作用下很容易形成热裂纹。并且，如果焊接热输入较高，晶粒的长大及过度的成分偏析，会增大热裂倾向，并降低耐腐蚀性。

发明内容

本发明的目的是提出一种焊接过程控制简便、焊接质量稳定的针对钛合金与镍合金异种金属之间的焊接方法，克服焊接裂纹、气孔等缺陷，提高焊缝的抗裂性及接头的稳定性，高效生产出合格的焊接接头。

为实现上述目的，本发明是这样实现的：

一种钛合金与镍合金异种材料的填丝钨极氩弧焊工艺，包括：

(1)焊材选取

选用Ni-Cu系合金焊丝作为填充材料，焊丝中化学元素的质量百分比为：C0.08%～0.15%，Mn3.0%～4.5%，Fe1.0%～2.5%，S≤0.015%，P≤0.02%,Si0.9%～1.25%，Cu21.5%～25%，Ti6.5%～10.5%,余为Ni。焊丝中的S、P含量严格控制。

Ni-Cu系合金焊丝直径为1.5mm～2.0mm；

氩弧焊采用铈钨电极，直径为2.0mm，电极端部磨成30～45°锥形；

保护气体选用纯度大于99.99%的高纯氩；

(2)焊前准备及预热

焊接坡口加工：针对钛合金对气体比较敏感以及镍合金不易焊透的特点，对接接头加工成V形坡口，坡口角度70～80°。

焊件清理：用不锈钢丝刷清理焊丝及工件接头坡口两侧表面20mm范围内的油脂、氧化膜及污物，清洗干净后表面应有明显的金属光泽，然后用干净的布擦干；

焊前预热：焊前先对被焊钛合金与镍合金进行预热，预热温度为150～200℃；

(3)焊接

焊丝与钛合金焊件间保持夹角10～25°；

施焊时要摆动焊丝，但焊丝的摆动幅度不能大于焊丝直径的2倍；

焊接时采用短弧焊接，喷嘴与镍合金焊件保持70～80°的夹角。

填丝钨极氩弧焊接工艺参数为：焊接电压为10～15V，焊接电流为90～140A，焊接速度为40～80mm/min，气体流量为12～20L/min；

断弧及焊缝收尾时，要继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区金属冷却到250℃以下时方可移开焊枪。

(4)焊接区保护

施焊前，先对焊件正、背面同时通氩气保护3～5min；焊接过程中采用焊缝正背面同时保护措施，焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护2～5min；

(5)焊后冷却

焊接完成立即将整个被焊接件放置在温度已保持在250℃的箱式电炉中，随炉缓慢冷却至室温，以防止焊接裂纹。

其中，所述的填丝钨极氩弧焊接采用高频引弧的直流的钨极氩弧焊电源。

其中，所述的采用焊缝正背面同时保护措施是，正面焊缝采用专用保护气体拖罩进行保护，气体流量为12～20L/min；平板对接时，焊缝背面采用带有通气孔道的紫铜垫板同时进行充纯氩气保护，焊接管接头时，管内充纯氩气进行保护，气体流量为10～20L/min，以防止N、O、H等对焊接接头性能的有害影响。

本发明根据钛合金与镍合金的热物理性能特点，在保证焊透的前提条件下，从控制焊接热输入入手，解决接头难以互相熔合形成焊缝问题，采用含Cu、Ti元素的镍基填充焊丝控制接头的晶粒长大及成分偏析，降低接头的热裂倾向；然后从氩气纯度、保护方式避免钛合金的焊接氧化问题。

试验结果表明，采用Ni-Cu系合金焊丝进行钛合金与镍合金异种材料的钨极氩弧焊接，可使焊缝区形成奥氏体组织，增加焊缝的韧性和塑性；同时，焊丝中添加含量为6.5%～10.5%的Ti元素，能够阻碍接头靠近镍合金一侧的热影响区中晶粒的严重长大现象，可明显提高钛合金与镍合金焊接接头的强度和韧性。

本发明的有益效果是，采用本发明提出的钛合金与镍合金异种材料的焊接方法，通过调整焊接工艺参数，控制焊接热输入，改善钛合金与镍合金焊接熔池的熔化和凝固条件，能够获得焊缝成形美观、无裂纹、无气孔等缺陷的焊接接头。这种方法成本低，操作方便灵活，能够满足钛合金与镍合金钢异种材料焊接接头的使用要求。与专利（CN103464873A）公布的钛合金与镍合金的焊条电弧焊技术相对比，焊接效率可提高1倍。

具体实施例

实施例1：

TA15钛合金板与GH4169镍合金板的填丝钨极氩弧焊。TA15钛合金板尺寸为200mm×150mm，厚度为3mm；GH4169镍合金试板尺寸为200mm×150mm，厚度为3mm，两板对接焊。

具体的钛合金与镍合金填丝钨极氩弧焊的工艺步骤如下：

（1）将被焊钛合金与镍合金板对接部位加工V型坡口，坡口角度75°，然后用不锈钢丝刷清理工件接头坡口两侧表面20mm范围内的油脂、氧化膜及污物，至露出明显的金属光泽；

（2）采用直径为2.0mm的Ni-Cu系合金焊丝作为填充材料，所用焊丝的化学成分（质量分数，%）为：C0.08，Mn3.0，Fe1.0，Si1.25，Cu21.5，Ti6.5，S=0.015%，P=0.02%,余为Ni；

（3）将钛合金与镍合金对接接头待焊部位进行预热，预热温度为150℃；

（4）焊前先对焊件正面保护气体拖罩和背面紫铜垫板孔道通氩气保护5min；焊接过程中采用焊缝正背面同时保护措施，正面保护气体拖罩保护，气体流量为20L/min，焊缝背面通气孔道气体流量为17L/min；焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护2min；氩气纯度为99.99%的高纯氩；

（5）填丝钨极氩弧焊的工艺参数为：焊接电压为15V，焊接电流为140A，焊接速度为80mm/min，气体流量为20L/min；

（6）焊接过程中，调整焊炬位置，使喷嘴与镍合金焊件保持70°的夹角，焊丝与钛合金焊件间保持夹角10°，焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池，适当摆动焊丝，不得将焊丝端部移出氩气保护区；

（7）焊缝收尾时，继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区金属冷却到250℃时移开焊枪。

（8）将焊接完成的钛合金与镍合金焊接件放入250℃的箱式电炉中保温缓冷，随炉冷却至室温后取出。

采用上述焊接工艺获得的TA15钛合金与GH4169镍合金焊接接头成形良好。经过焊缝外观检查和金相显微镜对接头内部进行观察，没有发现裂纹、气孔等微观缺陷，满足被连接件的使用要求。

实施例2：

TA3钛合金管与N8镍合金管接头的填丝钨极氩弧焊，TA3钛合金管与N8镍合金管径为Φ6mm，壁厚为2mm。

具体的钛合金与镍合金管接头钨极氩弧焊的工艺步骤如下：

（1）将TA3钛合金管与N8镍合金管接头待焊处两侧表面20mm范围内的油脂、氧化膜及污物用不锈钢丝刷打磨干净，使待焊面露出金属光泽；然后钛合金和镍合金管接头处都用细砂轮打磨1mm倒角；

（2）采用直径为1.5mm的Ni-Cu系合金焊丝作为填充材料，所用焊丝的化学成分（质量分数，%）为：C0.15，Mn4.5，Fe2.5，Si0.9,Cu25,Ti10.5，S=0.015%，P=0.02%,余为Ni；

（3）焊前先对被焊钛合金与镍合金进行预热，预热温度为200℃；

（4）焊前，先对管件正面保护气体拖罩和管内通氩气保护3min；焊接过程中采用焊缝正背面同时保护措施，正面采用保护气体拖罩保护，气体流量为12L/min，背面采用向焊管内同时进行充氩气保护，气体流量为15L/min；焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护5min；氩气纯度为99.99%的高纯氩；

（5）填丝钨极氩弧焊的工艺参数为：焊接电压为10V，焊接电流为90A，焊接速度为40mm/min，气体流量为12L/min；

（6）焊接过程中，调整焊炬位置，使喷嘴与镍合金管件保持80°的夹角，焊丝与钛合金管件间保持夹角25°，焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池，适当摆动焊丝，但摆动幅度小于3mm；

（7）管接头收尾焊缝时，继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区金属冷却到250℃时移开焊枪。

（8）将焊接完成的钛合金与镍合金管件放入250℃的箱式电炉中保温缓冷，随炉冷却至室温后取出。

采用上述焊接工艺获得的TA3钛合金与N8镍合金管接头成形良好。经过焊缝外观检查和金相显微镜对接头内部进行观察，没有发现焊接裂纹、气孔等微观缺陷，满足被连接件的使用要求。

Claims (5)

1.一种钛合金与镍合金异种材料的钨极氩弧焊工艺，其特征是，选用Ni-Cu系合金焊丝作为填充材料，焊丝中化学元素的质量百分比为：C0.08%～0.15%，Mn3.0%～4.5%，Fe1.0%～2.5%，S≤0.015%，P≤0.02%,Si0.9%～1.25%，Cu21.5%～25%，Ti6.5%～10.5%,余为Ni；氩弧焊采用铈钨电极；保护气体选用氩气；

包括如下步骤：

(1)焊前准备及预热；

焊件清理：清理焊丝及工件接头坡口两侧表面直至露出金属光泽，擦干；

焊前预热：焊前先对被焊钛合金与镍合金进行预热，预热温度为150～200℃；

(2)焊接；

焊丝与钛合金焊件间保持夹角10～25°；

施焊时摆动焊丝，焊丝的摆动幅度不大于焊丝直径的2倍；

焊接时采用短弧焊接，喷嘴与镍合金焊件保持70～80°的夹角；

填丝钨极氩弧焊接工艺参数为：焊接电压为10～15V，焊接电流为90～140A，焊接速度为40～80mm/min，气体流量为12～20L/min；

断弧及焊缝收尾时，继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区金属冷却到250℃以下；

(3)焊后冷却；

焊接完成，保持整个被焊接件的温度250℃，缓慢冷却至室温，以防止焊接裂纹。

2.如权利要求1所述的钛合金与镍合金异种材料的钨极氩弧焊工艺，其特征是，施焊前，先对焊件正、背面同时通氩气保护3～5min；焊接过程中采用焊缝正背面同时保护措施，焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护2～5min。

3.如权利要求1所述的钛合金与镍合金异种材料的钨极氩弧焊工艺，其特征是，所述填丝钨极氩弧焊接采用高频引弧的直流的钨极氩弧焊电源。

4.如权利要求2所述的钛合金与镍合金异种材料的钨极氩弧焊工艺，其特征是，所述的采用焊缝正背面同时保护措施是，正面焊缝采用保护气体拖罩进行保护；平板对接时，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15～20L/min。

5.如权利要求2所述的钛合金与镍合金异种材料的钨极氩弧焊工艺，其特征是，所述的采用焊缝正背面同时保护措施是，正面焊缝采用保护气体拖罩进行保护；焊接管接头时，管内充氩气进行保护，气体流量为10～20L/min。