CN104646866A - 一种钛合金焊接活性剂及焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钛合金焊接活性剂及焊接方法，适用于TC4等钛合金的焊接。钛合金焊接活性剂的牌号为A-TIG-Ti-01，由CaF2、MgF2以及SrF2组成；其中CaF2的质量含量为15％～25％；MgF2的质量含量为5％～15％；其余为SrF2。该钛合金焊接活性剂可以增加钛合金焊接熔深，接头性能优良，适用于钛合金平面结构和曲面结构的焊接。

Description

一种钛合金焊接活性剂及焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，用于钛及钛合金材料的焊接。
背景技术
氩弧焊时加氧化物、氯化物、氟化物等活性剂氩弧焊(A-TIG焊)不仅气孔明显减少，而且熔深可成倍增加，焊接接头力学性能也有所改善。由于焊接热输入可大大降低，因此会改善焊接接头组织和减少应力变形。
普通钨极氩弧焊(TIG焊)和A-TIG焊对焊接熔池中液态金属表面张力和熔池液态金属流动方向的影响如图1所示。TIG焊接熔池液态金属随温度的升高表面张力下降(图1左上所示)，因为焊接熔池中心温度高于熔池边缘温度，因此焊接过程中熔池中心液态金属会向熔池边缘流动(图1左中、左下所示)，焊接能量和热量向熔池宽度方向扩散，焊接熔深小。A-TIG焊由于加入焊接活性剂的作用，焊接熔池液态金属随温度的升高表面张力会增加，与TIG焊相反(图1右上所示)，因此焊接熔池中的液态金属会从熔池边缘向熔池中心流动(图1右中、右下所示)，令焊接能量和热量向熔池深度方向扩展，焊接熔深明显增加。金属材料平面TIG和A-TIG焊接的熔深受以上规律影响。
目前，市场上销售的钛合金焊接活性剂存在产品质量不稳定，活性剂涂敷层在焊接过程中容易发生脱落，焊接完成后的活性剂渣壳不易清理，焊缝成形不良等问题，一定程度上制约了钛合金活性剂焊接工艺的发展。
发明内容
本发明的解决的技术问题是：设计一种新型钛合金焊接活性剂，达到增加钛合金钨极氩弧焊焊接熔深，增加焊接接头深宽比，提高焊接效率，减少焊接气孔等焊接缺陷的目的。
本发明的技术解决方案是：一种钛合金焊接活性剂，包括CaF2、MgF2及SrF2，其中CaF2的质量含量为15％～25％；MgF2的质量含量为5％～15％；其余成分为SrF2。
所述CaF2的质量含量为18％～22％；
所述MgF2的质量含量为8％～12％。
一种采用权利要求1所述的钛合金焊接活性剂进行焊接的方法，包括以下步骤：
(1)制备钛合金焊接试片；
(2)对制备好的钛合金焊接试片酸洗，首先用除油剂对钛合金焊接试片进行除油，随后配置酸洗液，将钛合金焊接试片待焊部位酸洗干净，最后用干净纱布和吹风机，将钛合金焊接试片擦干并烘干；
(3)将酸洗好的两块钛合金焊接试片对齐，进行焊接装配，在焊接部位的表面涂敷钛合金焊接活性剂；
(4)采用钨极氩弧焊接进行钛合金焊接试片的焊接，焊接前设置焊接参数，随后将焊枪钨极尖端置于待焊部位正上方距离活性剂涂敷层0.8～2.5mm进行焊接；
(5)焊接完成后，将钛合金活性剂用钢丝刷清理干净，调整焊接参数，进行盖面填丝焊接。
所述酸洗液包括氢氟酸，硝酸，蒸馏水，三者的体积比为1：5：6。
所述氩弧焊的焊接工艺参数为：峰值电流150A～230A，脉冲频率8Hz～15Hz，占空比30％～70％，基值电流50％～80％，焊接速度200mm/min～280mm/min。
所述盖面填丝焊接的工艺参数为：电流160A～250A，脉冲0～15Hz，占空比0～70％，基值电流0～80％，送丝速度600mm/min～2000mm/min，焊丝直径1.2mm～1.6mm，焊丝牌号TC4，焊接速度180mm/min～300mm/min。
所述钛合金焊接试片的尺寸为100mm*200mm*(2.0～4.0)mm。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明提供的新型钛合金焊接活性剂，能够达到增加钛合金钨极氩弧焊焊接熔深，增加焊接接头深宽比，提高焊接效率，减少焊接气孔等焊接缺陷，具有优良的焊接性能。
(2)本发明的钛合金焊接活性剂产品质量稳定，活性剂涂敷层在焊接过程中不容易发生脱落，且对活性剂涂敷层厚度波动不敏感，焊接完成后的活性剂渣壳易清理，焊缝成形良好，钛合金活性剂焊接工艺有较好的应用前景。
(3)采用本发明的钛合金焊接活性助剂所形成的焊缝成形良好，正面焊缝平直且与母材过渡圆滑，背面焊漏平直饱满，同时所形成的焊接气孔缺陷少；且可一次焊透4.0mm(含)以下厚度钛合金，连续焊接2米不发生脱落；焊接接头拉伸强度达到母材拉伸强度的90％以上。
附图说明
图1焊接活性剂对熔池液态金属表面张力和流动方向的影响；
图2钛合金焊接活性剂制备工艺流程图。
具体实施方式
本发明设计了一种钛合金焊接活性剂，属于焊接技术领域。用于钛及钛合金材料的焊接，特别适应于4.0mm(含)以下厚度钛合金的焊接；钛合金焊接活性助剂包括CaF2、MgF2及SrF2，其中CaF2的质量含量为15％～25％；MgF2的质量含量为5％～15％；其余成分为SrF2。本发明的钛合金焊接活性助剂命名为A-TIG-Ti-01。根据试验测试结果，当CaF2的质量含量为18％～22％；所述MgF2的质量含量为8％～12％时，焊接性能更好。
图1给出了焊接活性剂对熔池液态金属表面张力和流动方向的影响；从图中可以看出TIG焊接熔池液态金属随温度的升高表面张力下降，焊接熔池中心温度高于熔池边缘温度，因此焊接过程中熔池中心液态金属会向熔池边缘流动，焊接能量和热量向熔池宽度方向扩散，焊接熔深小。A-TIG焊由于加入焊接活性剂的作用，焊接熔池液态金属随温度的升高表面张力会增加，与TIG焊相反，因此焊接熔池中的液态金属会从熔池边缘向熔池中心流动，令焊接能量和热量向熔池深度方向扩展，焊接熔深明显增加。金属材料平面TIG和A-TIG焊接的熔深受以上规律影响。
图2为本发明的钛合金活性助剂的制备过程，首先将采购的原材料按本发明给出的配方比例进行配粉，接着用球磨工艺混粉并完成粉末颗粒细化，接着用筛网对粉料进行筛选，进行性能测试后，完成助剂的制备与性能测试。
采用本发明的钛合金焊接活性助剂进行焊接包括以下步骤：
(1)制备钛合金焊接试片；所述钛合金焊接试片的尺寸为100mm*200mm*(2.0～4.0)mm。
(2)对制备好的钛合金焊接试片酸洗，首先用除油剂对钛合金焊接试片进行除油，随后配置酸洗液，将钛合金焊接试片待焊部位酸洗干净，最后用干净纱布和吹风机，将钛合金焊接试片擦干并烘干；所述酸洗液包括氢氟酸，硝酸，蒸馏水，三者的体积比为1：5：6。酸洗液也可以为其它组分，体积比也可根据需要调整。
(3)在焊接部位的表面涂敷钛合金焊接活性剂；
(4)采用钨极氩弧焊接进行钛合金焊接试片的焊接，焊接前设置焊接参数，随后将焊枪钨极尖端置于待焊部位正上方距离活性剂涂敷层0.8～2.5mm进行焊接；氩弧焊的焊接工艺参数为：峰值电流150A～230A，脉冲频率8Hz～15Hz，占空比30％～70％，基值电流50％～80％，焊接速度200mm/min～280mm/min；
(5)焊接完成后，将钛合金活性剂用钢丝刷清理干净，调整焊接参数，进行盖面填丝焊接。盖面填丝焊接的工艺参数为：电流160A～250A，脉冲0～15Hz，占空比0～70％，基值电流0～80％，送丝速度600mm/min～2000mm/min，焊丝直径1.2mm～1.6mm，焊丝牌号TC4，焊接速度180mm/min～300mm/min。
实施例1
步骤一、加工TC4钛合金焊接试片，试板尺寸100mm*200mm*3.0mm。
步骤二、钛合金焊接试片酸洗。用除油剂对钛合金焊接试片进行除油。将氢氟酸，硝酸，蒸馏水按体积比1：5：6的比例配置成酸洗液，将钛合金焊接试片待焊部位酸洗干净。最后用干净纱布和吹风机，将钛合金焊接试片擦干并烘干。
步骤三、将酸洗好的两块TC4钛合金焊接试片沿200mm长度方向对齐，进行焊接装配。在焊接部位表面涂敷A-TIG-Ti-01钛合金焊接活性剂(实际成分配比CaF2：15％；MgF2：5％；SrF2：余量)，活性剂涂敷层厚度0.2～1.0mm。
步骤四、采用钨极氩弧焊接进行钛合金试片的焊接，将焊枪钨极尖端置于待焊部位正上方距离活性剂涂敷层0.8～2.5mm。A-TIG焊接工艺规范：峰值电流200A，脉冲频率10Hz，占空比50％，基值电流70％，焊接速度230mm/min。A-TIG焊接完成后，将活性剂用钢丝刷清理干净，进行盖面填丝焊接，焊接规范：电流220A，脉冲10HZ，占空比50％，基值电流70％，送丝速度1200mm/min，焊丝直径1.2mm，焊丝牌号TC4，焊接速度230mm/min。
测试结果：
焊接接头满足《钛及钛合金熔焊技术条件》(QJ 1666-95)I级焊缝要求。
焊接接头拉伸强度900MPa以上(实际拉伸强度920MPa)，达到母材拉伸强度的90％。
实施例2
步骤一、加工TC4钛合金焊接试片，试板尺寸100mm*200mm*3.0mm。
步骤二、钛合金焊接试片酸洗。用除油剂对钛合金焊接试片进行除油。将氢氟酸，硝酸，蒸馏水按体积比1：5：6的比例配置成酸洗液，将钛合金焊接试片待焊部位酸洗干净。最后用干净纱布和吹风机，将钛合金焊接试片擦干并烘干。
步骤三、将酸洗好的两块TC4钛合金焊接试片沿200mm长度方向对齐，进行焊接装配。在焊接部位表面涂敷A-TIG-Ti-01钛合金焊接活性剂(实际成分配比CaF2：25％；MgF2：15％；SrF2：余量)，活性剂涂敷层厚度0.2～1.0mm。
步骤四、采用钨极氩弧焊接进行钛合金试片的焊接，将焊枪钨极尖端置于待焊部位正上方距离活性剂涂敷层0.8～2.5mm。A-TIG焊接工艺规范：峰值电流180A，脉冲频率10Hz，占空比50％，基值电流70％，焊接速度220mm/min。A-TIG焊接完成后，将活性剂用钢丝刷清理干净，进行盖面填丝焊接，焊接规范：电流200A，脉冲10HZ，占空比50％，基值电流70％，送丝速度1200mm/min，焊丝直径1.2mm，焊丝牌号TC4，焊接速度240mm/min。
测试结果：
焊接接头满足《钛及钛合金熔焊技术条件》(QJ 1666-95)I级焊缝要求。
焊接接头拉伸强度900MPa以上(实际拉伸强度930MPa)，达到母材拉伸强度的90％。
实施例3
步骤一、加工TC4钛合金焊接试片，试板尺寸100mm*200mm*3.0mm。
步骤二、钛合金焊接试片酸洗。用除油剂对钛合金焊接试片进行除油。将氢氟酸，硝酸，蒸馏水按体积比1：5：6的比例配置成酸洗液，将钛合金焊接试片待焊部位酸洗干净。最后用干净纱布和吹风机，将钛合金焊接试片擦干并烘干。
步骤三、将酸洗好的两块TC4钛合金焊接试片沿200mm长度方向对齐，进行焊接装配。在焊接部位表面涂敷A-TIG-Ti-01钛合金焊接活性剂(实际成分配比CaF2：18％；MgF2：8％；SrF2：余量。)，活性剂涂敷层厚度0.2～1.0mm。
步骤四、采用钨极氩弧焊接进行钛合金试片的焊接，将焊枪钨极尖端置于待焊部位正上方距离活性剂涂敷层0.8～2.5mm。A-TIG焊接工艺规范：峰值电流180A，脉冲频率10Hz，占空比50％，基值电流70％，焊接速度220mm/min。A-TIG焊接完成后，将活性剂用钢丝刷清理干净，进行盖面填丝焊接，焊接规范：电流200A，脉冲10HZ，占空比50％，基值电流70％，送丝速度1200mm/min，焊丝直径1.2mm，焊丝牌号TC4，焊接速度240mm/min。
测试结果：
焊接接头满足《钛及钛合金熔焊技术条件》(QJ 1666-95)I级焊缝要求。
焊接接头拉伸强度900MPa以上(实际拉伸强度980MPa)，达到母材拉伸强度的90％。
实施例4
步骤一、加工TC4钛合金焊接试片，试板尺寸100mm*200mm*3.0mm。
步骤二、钛合金焊接试片酸洗。用除油剂对钛合金焊接试片进行除油。将氢氟酸，硝酸，蒸馏水按体积比1：5：6的比例配置成酸洗液，将钛合金焊接试片待焊部位酸洗干净。最后用干净纱布和吹风机，将钛合金焊接试片擦干并烘干。
步骤三、将酸洗好的两块TC4钛合金焊接试片沿200mm长度方向对齐，进行焊接装配。在焊接部位表面涂敷A-TIG-Ti-01钛合金焊接活性剂(实际成分配比CaF2：22％；MgF2：12％；SrF2：余量。)，活性剂涂敷层厚度0.2～1.0mm。
步骤四、采用钨极氩弧焊接进行钛合金试片的焊接，将焊枪钨极尖端置于待焊部位正上方距离活性剂涂敷层0.8～2.5mm。A-TIG焊接工艺规范：峰值电流180A，脉冲频率10Hz，占空比50％，基值电流70％，焊接速度220mm/min。A-TIG焊接完成后，将活性剂用钢丝刷清理干净，进行盖面填丝焊接，焊接规范：电流200A，脉冲10HZ，占空比50％，基值电流70％，送丝速度1200mm/min，焊丝直径1.2mm，焊丝牌号TC4，焊接速度240mm/min。
测试结果：
焊接接头满足《钛及钛合金熔焊技术条件》(QJ 1666-95)I级焊缝要求。
焊接接头拉伸强度900MPa以上(实际拉伸强度985MPa)，达到母材拉伸强度的90％。
本发明未详细说明的内容为本技术领域人员公知的常识。

Claims (7)

1.一种钛合金焊接活性剂，其特征在于：包括CaF2、MgF2及SrF2，其中CaF2的质量含量为15％～25％；MgF2的质量含量为5％～15％；其余成分为SrF2。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金焊接活性剂，其特征在于：所述CaF2的质量含量为18％～22％。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金焊接活性剂，其特征在于：所述MgF2的质量含量为8％～12％。
4.一种采用权利要求1所述的钛合金焊接活性剂进行焊接的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备钛合金焊接试片；
(2)对制备好的钛合金焊接试片酸洗，首先用除油剂对钛合金焊接试片进行除油，随后配置酸洗液，将钛合金焊接试片待焊部位酸洗干净，最后用干净纱布和吹风机，将钛合金焊接试片擦干并烘干；
(3)在焊接部位的表面涂敷钛合金焊接活性剂；
(4)采用钨极氩弧焊接进行钛合金焊接试片的焊接，焊接前设置焊接参数，随后将焊枪钨极尖端置于待焊部位正上方距离活性剂涂敷层0.8～2.5mm进行焊接；
(5)焊接完成后，将钛合金活性剂用钢丝刷清理干净，调整焊接参数，进行盖面填丝焊接。
5.根据权利要求4所述的一种焊接的方法，其特征在于，所述酸洗液包括氢氟酸，硝酸，蒸馏水，三者的体积比为1：5：6。
6.根据权利要求4所述的一种焊接的方法，其特征在于，所述氩弧焊的焊接工艺参数为：峰值电流150A～230A，脉冲频率8Hz～15Hz，占空比30％～70％，基值电流50％～80％，焊接速度200mm/min～280mm/min。
7.根据权利要求4所述的一种焊接的方法，其特征在于，所述盖面填丝焊接的工艺参数为：电流160A～250A，脉冲0～15Hz，占空比0～70％，基值电流0～80％，送丝速度600mm/min～2000mm/min，焊丝直径1.2mm～1.6mm，焊丝牌号TC4，焊接速度180mm/min～300mm/min。
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