CN107378312A - 一种ER‑Ti43钛合金焊丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种ER‑Ti43钛合金焊丝及其制备方法，所述一种ER‑Ti43钛合金焊丝，包括以下原料：海绵钛、钒铝合金、纯Al和纯Fe，所述钒铝合金中钒的含量大于等于60％。本发明的ER‑Ti43钛合金焊丝，化学成分为铝3.6％～4.0％，钒2.8％～3.2％，铁0.5％～0.8％，氢含量≤0.004％，其余为钛和不可避免的杂质且其具有强度高、韧性好，可用于氩弧焊、等离子焊、激光焊等工艺过程，适用于Ti‑43、TC4、TA18等钛合金的焊接。

Description

一种ER-Ti43钛合金焊丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种ER-Ti43钛合金焊丝及其制备方法，用于氩弧焊接、等离子焊接、激光焊接等焊接过程技术领域。

本发明采用新的合金配方，通过加入特定成分的铝、钒、铁等合金元素，在保证强度的基础上，使焊缝的韧性得到提高，具有良好的焊接性能。本发明的ER-Ti43钛合金焊丝Ti-43，TA18、TC4等钛合金材料的焊接。

背景技术

钛合金是航空航天、海洋工程、石油化工等领域的重要材料，同时也是体育行业理想的结构材料。目前钛合金的牌号有100多种，建造各种类型的钛合金结构需要首先解决焊接问题，最主要的焊缝性能指标有抗拉强度、弯曲角、塑韧性、疲劳性能等等，一般而言，不同的钛合金需要配备相应的焊丝才能满足使用要求。

钛合金是一种活性金属，常用的焊接方法有氩弧焊、等离子焊接、激光焊、钎焊、扩散焊、电阻焊等，其中前面三种属于熔焊方法，焊接时一般需要添加焊丝。钛焊缝的性能与焊丝有直接关系，焊丝、焊接方法及保护气氛共同决定了钛焊缝的力学性能。

钛及钛合金的焊接的主要问题主要表现在如下几个方面：

1)容易产生气孔。氢是形成气孔的重要原因，在焊接时由于钛吸收氢的能力很强，而随着温度的下降氢的溶解度显著下降，所以溶解于液态金属中的氢往往来不及逸出形成气孔。焊接过程的氢的来源主要与焊丝的氢含量、保护气氛中的氢、钛材表面的油污等污物的污染等因素有关。

2)接头的脆化。焊接过程中，钛在高温下会与氢、氧、氮发生反应，焊接熔池中侵入这些有害气体后，焊接接头的塑性和韧性都会发生明显的变化。在焊接热影响区，特别是相变点882℃以上，接头晶粒严重粗大化，冷却时形成马氏体组织，使接头强度、硬度、塑性和韧性下降，过热倾向严重，接头严重脆化。因此，在进行钛合金焊接时，对熔池、熔滴及高温区，不管是正面还是反面都应进行全面可靠的气体保护。这是保证钛及其合金焊接质量的关键。

3)延迟裂纹。在焊后一段时间内，钛及其合金的近缝区很容易产生裂纹，这是由氢从高温熔池向低温热影响区的扩散引起的。随着氢含量的增加，析出的钛氢化合物增加，热影响区脆性增大，再加上析出的氢化物体积膨胀时产生的组织应力，导致裂纹的产生。

4)焊缝的疲劳性能下降。焊接过程中，由于焊缝组织的变化，由轧制态变为铸态，会严重影响结构的疲劳性能。

由此可见，为了获得性能优良的焊缝，针对不同的合金牌号，需要开发相应的焊丝。焊丝的主要合金元素含量的多少决定了焊接接头的基本力学性能，氢、氧等气体杂质的有效控制可以使焊缝具有更高的抗裂能力及更好的疲劳性能。

Ti-43是一种新型的可冷轧的钛合金，可以轧制成板材、管材及棒材，合金的名义成分为Ti-4Al-3V-0.6Fe，此合金的抗拉强度≥810Mpa，屈服极限≥680Mpa，延伸率≥14％。此合金的强度较高，塑性较低，对焊接工艺的要求要远高于工业纯钛。但目前还没有Ti-43合金的配套焊丝，给Ti-43得推广应用造成了很大障碍。

本发明针对Ti-43合金的特点，研制了相应的焊接材料，使焊接接头达到了强度及韧性的合理匹配。同时Ti43还可用于TC4低配焊材或者TA18高配焊材，也可用于同等强度级别的钛合金焊接。

发明内容

本发明的目的就是针对上述已有技术存在的不足，发明的ER-Ti43钛合金焊丝不仅能满足Ti-43合金的强度要求，而且其用于焊缝时，接头系数达到了0.9。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明提供的一种ER-Ti43钛合金焊丝，包括以下原料：海绵钛、A钒铝合金、纯Al和纯Fe，所述钒铝合金中钒的含量大于等于60％。

进一步地，包括以下质量份数的原料：海绵钛、钒铝合金3-6份、纯Al 1-4份和纯Fe0.1-2份。

进一步地，所述海绵钛为0级海绵钛，且所述海绵钛中氢的质量分数小于等于0.003％。

本发明提供的一种ER-Ti43钛合金焊丝的制备方法，包括以下步骤：

混料：将钒铝合金、纯Al以及纯Fe加入海绵钛中后在混布料机上进行混合得到混合料；

自耗电极的生成：将混合料放入模具中压制成电极块，然后将电极块焊接成自耗电极；

钛合金锭的制备：将所述的自耗电极在真空自耗电弧炉中熔炼，得到一次铸锭；将一次铸锭作为自耗电极在真空自耗电弧炉中熔炼，得到钛合金锭；

棒材的制备：将所述的钛合金锭依次经过加热、保温、开坯锻造后得到方坯，所述的方坯经过修整、加热锻造后得到棒材；

轧制和拉伸：将所述的棒材依次经过轧制和拉伸后得到直径为0.5—4mm的丝材结构；

ER-Ti43钛合金焊丝的制备：将所述的丝材依次经过退火、加热后得到ER-Ti43钛合金焊丝。

进一步地，所述混料步骤中，混合时间至少为30分钟。

进一步地，所述钛合金锭的制备步骤具体为：

将所述的自耗电极在真空自耗电弧炉中熔炼，熔炼温度为1700℃-1800℃，得到一次铸锭；将一次铸锭作为自耗电极在真空自耗电弧炉中熔炼，熔炼温度为1700℃-1800℃，得到钛合金锭。

进一步地，所述钛合金锭的制备步骤中还包括将钛合金锭表面进行车成光面、切除锭底处理及冒口切除处理。

进一步地，所述棒材的制备步骤中，所述棒材为直径20±8mm的棒材。

进一步地，所述ER-Ti43钛合金焊丝的制备步骤具体为：

将所述的丝材清理干净，放入真空退火炉进行退火，加热温度600-800℃，经真空加热退火后丝材中氢含量应小于等于40ppm。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的一种ER-Ti43钛合金焊丝，其具有强度好、韧度好，用于焊缝时接头好的特点。强度和韧性的合理匹配是指在达到强度的同时焊接接头的延伸率也能达到较高的水平。

本发明提供的一种ER-Ti43钛合金焊丝，其应用于焊接时，接头系数可达到0.9以上，可用于Ti-43合金的焊接，也可用于TC4，TA18等合金的焊接，具有较广泛的适用性。

本发明提供的制备方法，步骤简单，方便操作。

本发明的方法制备出来的ER-Ti43钛合金焊丝，其中各组分的质量百分比为：铝3.6％～4.0％，钒2.8％～3.2％，铁0.5％～0.8％，氢含量≤0.004％，其余为钛和不可避免的杂质。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明提供的一种ER-Ti43钛合金焊丝，包括以下原料：海绵钛、钒铝合金、纯Al和纯Fe，所述钒铝合金为ALV65，其中钒的含量为60-70％。

关于钒铝合金，YS/T579标准中的规定：V＞60.0-70.0，Al余量，Fe≤0.30，Si≤0.30，C≤0.20，O≤0.20

纯铁一般用铁粉或者铁钉，铁含量大于等于99％。

纯铝为公知的，其铝含量大于等于99.7％、

具体地，包括以下质量份数的原料：海绵钛、AlV65钒铝合金3-6份、纯Al 1-4份和纯Fe 0.1-2份。

其中，所述海绵钛为0级海绵钛，且所述海绵钛中氢的质量分数小于等于0.003％。

本发明提供的一种ER-Ti43钛合金焊丝的制备方法，包括以下步骤：

混料：将钒铝合金、纯Al以及纯Fe加入海绵钛中后在混布料机上进行混合得到混合料；

进一步地，混合时间大于等于30分钟，目的在于实现充分混合。

自耗电极的生成：将混合料放入模具中压制成电极块，然后将电极块焊接成自耗电极；

具体为：将混合料放入模具中在油压机上压制成电极块，然后将电极块放入真空充氩焊箱，使用等离子焊接工艺焊接成熔炼用的整根自耗电极；

钛合金锭的制备：将所述的自耗电极在真空自耗电弧炉中进行第一次熔炼，得到一次铸锭；将一次铸锭作为自耗电极在真空自耗电弧炉中进行第二次熔炼，得到钛合金锭；

具体为：将所述的自耗电极在真空自耗电弧炉中熔炼，熔炼温度为1700℃-1800℃，得到一次铸锭；将一次铸锭作为自耗电极在真空自耗电弧炉中熔炼，熔炼温度为1700℃-1800℃，得到钛合金锭。

上述步骤还包括将钛合金锭表面进行车成光面、切除锭底处理及冒口切除处理。

棒材的制备：将所述的钛合金锭依次经过加热、保温、开坯锻造后得到方坯，所述的方坯经过修整、加热锻造后得到棒材；

其中，棒材的直径为20±5mm。

轧制和拉伸：将所述的棒材依次经过轧制和拉伸后得到直径为0.5—4mm的丝材结构；

ER-Ti43钛合金焊丝的制备：将所述的丝材依次经过退火、加热后得到ER-Ti43钛合金焊丝。

具体地，将所述的丝材清理干净，放入真空退火炉进行退火，加热温度600-800℃，经真空加热退火后丝材中氢含量应小于等于40ppm。

本步骤中，氢在金属中可以扩散，在真空条件下加热时氢会从钛丝中扩散到外部的真空室中。加工应力通过退火消除。

实施例1

本发明用于制备直径为2.5mm的ER-Ti43钛合金焊丝：

(1)选用0级海绵钛，所述海绵钛中氧含量为0.05％，氢含量≤0.003％，在海绵钛中加入重量份数为4.5的钒铝合金和重量份数为2.3的纯Al以及质量份数为0.6的纯Fe，在混布料机上进行混料；

由于海绵钛中氢含量有差异，本申请中，要求选用的海绵钛中氢含量必须小于0.003％。

(2)使用混布料机将步骤(1)中的原料进行混合，混料时间30分钟。

(3)在油压机上将步骤(2)中混合均匀的原料放到模具中压制成电极块，再将电极块焊接成自耗电极；

(4)使用1吨真空自耗电弧炉，在熔炼温度为1700℃的环境下熔炼，得到直径为420mm的一次铸锭；

(5)将一次铸锭作为自耗电极、在熔炼温度为1700℃的环境下重复步骤(4)进行熔炼，得到钛合金锭。

上述的制备钛合金的方法，还包括步骤(5)、将步骤(4)得到的所述钛合金锭表面车成光面并切除锭底及冒口，车成光面主要是去掉表面的氧化皮、疏松组织等冶金缺陷。

(6)锻造：将步骤(5)制成的钛合金锭放入电炉，在1050℃下加热，并进行充分保温，保温时间取决于铸锭直径的大小。然后在快锻机上进行开坯锻造，将铸锭锻造成250mm×250mm方坯。冷却后将坯料上的缺陷修磨干净，然后重新加热进行多火次锻造，每火次加热温度逐渐减低，最终锻造成直径为20mm的棒材。

(7)轧制：将步骤(6)中得到的棒材在线材轧机上进行轧制，得到直径为8mm的线材。

(8)拉伸：在拉伸机上将步骤(7)得到的线材进行多道次拉伸，道次加工率控制在15-20％，最终制成直径为2.5mm的丝材。

本申请中，加工率是用模具控制的，本例中采用了多道次拉拔，每个道次的加工率可能会有所变化，只要控制到15-20％就行了。

(9)消氢退火：将步骤(8)中得到的丝材清理干净，放入真空退火炉进行退火，加热温度800℃，使钛丝中的氢扩散出去，同时消除丝材的加工应力。

通过检测以上步骤制成的ER-Ti43钛合金焊丝，得到其化学成分分别为：铝3.8％、钒2.9％、铁0.6％、氧0.09％、氢0.005％，焊丝的力学性能为：抗拉强度850Mpa、屈服极限690Mpa、延伸率14％。

用此焊丝进行Ti-43合金板材焊接(板材厚度5mm)，此时焊丝的强度与Ti-43合金的强度相当，属于等强匹配，得到的焊缝抗拉强度＝800Mpa、屈服极限＝700Mpa、延伸率＝15％，接头系数＝0.99。

用此焊丝进行TA7合金板材焊接(板材厚度8mm)，TA7的名义成分为Ti-5Al-2.5Sn，TA7合金的抗拉强度≥828Mpa、屈服极限≥793Mpa、延伸率≥10％。此时焊丝的强度与TA7合金的强度相当，属于等强匹配，得到的焊缝抗拉强度840Mpa、屈服极限＝815Mpa、延伸率11％，接头系数1.01。

实施例2

本发明用于制备直径为1.2mm的ER-Ti43钛合金焊丝：

(1)选用0级海绵钛，海绵钛的氢含量≤0.003％，氧含量为0.04％，在海绵钛中加入重量份数为4.8的钒铝合金和重量份数为2.2的纯Al以及质量份数为0.7的纯Fe，在混布料机上进行混料；

(2)使用混布料机将步骤(1)中的原料进行混合，混料时间不少于30分钟。本实施例中混料时间为40分钟。

(3)在油压机上将步骤(2)中混合均匀的原料放到模具中压制成电极块，再将电极块焊接成自耗电极；

(4)使用1吨真空自耗电弧炉，在熔炼温度为1750℃的环境下熔炼，得到直径为420mm的一次铸锭；

(5)将一次铸锭作为自耗电极、在熔炼温度为1750℃的环境下重复步骤(4)进行熔炼，得到钛合金锭。

上述的制备钛合金的方法，还包括步骤(5)、将步骤(4)得到的所述钛合金锭表面车成光面并切除锭底及冒口。

(6)锻造：将步骤(5)制成的钛合金锭放入电炉，在1050℃下加热，并进行充分保温，保温时间取决于铸锭直径的大小。然后在快锻机上进行开坯锻造，将铸锭锻造成250mm×250mm的方坯。冷却后将坯料上的缺陷修磨干净，然后重新加热进行多火次锻造，每火次加热温度逐渐减低，最终锻造成直径为20mm的棒材。

(7)轧制：将步骤(6)中得到的棒材在线材轧机上进行轧制，得到直径为6mm的线材。

(8)拉伸：在拉伸机上将步骤(7)得到的线材进行多道次拉伸，道次加工率控制在10-20％，最终制成直径为1.2mm的丝材。

(9)消氢退火：将步骤(8)中得到的丝材清理干净，放入真空退火炉进行退火，加热温度700℃，使钛丝中的氢扩散出去，同时消除丝材的加工应力。

经检测，通过以上步骤制成的焊丝化学成分分别为：铝3.9％、钒3.1％、铁0.7％、氧0.06％、氢0.004％，焊丝的力学性能为：抗拉强度870Mpa、屈服极限700Mpa、延伸率16％。

用此焊丝进行TC4合金板材焊接(板材厚度5mm)，TC4的名义成分为Ti-6Al-4V，合金的抗拉强度≥902Mpa、屈服极限≥824Mpa、延伸率≥10％。此时焊丝的强度低于TC4合金的强度，属于低匹配，得到的焊缝抗拉强度880Mpa、屈服极限800Mpa、延伸率11％，接头系数0.98。

实施例3

本发明用于制备直径为0.8mm的ER-Ti43钛合金焊丝：

(1)选用0级海绵钛，海绵钛的氧含量为0.06％，氢含量≤0.003％，在海绵钛中加入重量份数为4.4的钒铝合金和重量份数为2.4的纯Al以及质量份数为0.8的纯Fe，在混布料机上进行混料；

(2)使用混布料机将步骤(1)中的原料进行混合，混料时间为45分钟。

(3)在油压机上将步骤(2)中混合均匀的原料放到模具中压制成电极块，再将电极块焊接成自耗电极；

(4)使用1吨真空自耗电弧炉，在熔炼温度为1800℃的环境下熔炼，得到直径为420mm的一次铸锭；

(5)将一次铸锭作为自耗电极、在熔炼温度为1800℃的环境下重复步骤(4)进行熔炼，得到钛合金锭。

上述的制备钛合金的方法，还包括步骤(5)、将步骤(4)得到的所述钛合金锭表面车成光面并切除锭底及冒口。

(6)锻造：将步骤(5)制成的钛合金锭放入电炉，在1050℃下加热，并进行充分保温，保温时间取决于铸锭直径的大小。然后在快锻机上进行开坯锻造，将铸锭锻造成250mm×250mm方坯。冷却后将坯料上的缺陷修磨干净，然后重新加热进行多火次锻造，每火次加热温度逐渐减低，最终锻造成直径为20mm的棒材。

(7)轧制：将步骤(6)中得到的棒材在线材轧机上进行轧制，得到直径为6mm的线材。

(8)拉伸：在拉伸机上将步骤(7)得到的线材进行多道次拉伸，道次加工率控制在10-15％，最终制成直径为0.8mm的丝材。

(9)消氢退火：将步骤(8)中得到的丝材清理干净，放入真空退火炉进行退火，加热温度650℃，使钛丝中的氢扩散出去，同时消除丝材的加工应力。

通过检测以上步骤制成的ER-Ti43钛合金焊丝，其各组分中化学成分分别为：铝3.94％、钒2.8％、铁0.8％、氧0.08％、氢0.003％，焊丝的力学性能为：抗拉强度880Mpa、屈服极限730Mpa、延伸率15％。

用此焊丝进行TA18合金管材焊接，管材规格为Φ32×0.8，TA18的名义成分为Ti-3Al-2.5V，合金的抗拉强度≥620Mpa、屈服极限≥515Mpa、延伸率≥15％。此时焊丝的强度高于TA18合金的强度，属于高匹配，得到的焊缝抗拉强度780Mpa、屈服极限650Mpa、延伸率13％，接头系数1.26。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种ER-Ti43钛合金焊丝，其特征在于，包括以下原料：海绵钛、钒铝合金、纯Al和纯Fe，所述钒铝合金中钒的含量为60％-70％。

2.根据权利要求1所述的一种ER-Ti43钛合金焊丝，其特征在于，包括以下质量份数的原料：海绵钛、钒铝合金3-6份、纯Al 1-4份和纯Fe 0.1-2份。

3.根据权利要求1所述的一种ER-Ti43钛合金焊丝，其特征在于，所述海绵钛为0级海绵钛，且所述海绵钛中氢的质量分数小于等于0.003％。

4.一种如权利要求1-3任一所述的ER-Ti43钛合金焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

混料：将钒铝合金、纯Al以及纯Fe加入海绵钛中后在混布料机上进行混合得到混合料；

自耗电极的生成：混合料放入模具中压制成电极块，然后将电极块焊接成自耗电极；

钛合金锭的制备：将所述的自耗电极在真空自耗电弧炉中熔炼，得到一次铸锭；将一次铸锭作为自耗电极在真空自耗电弧炉中熔炼，得到钛合金锭；

棒材的制备：将所述的钛合金锭依次经过加热、保温、开坯锻造后得到方坯，所述的方坯经过修整、加热锻造后得到棒材；

轧制和拉伸：将所述的棒材依次经过轧制和拉伸后得到直径为0.5—4mm的丝材结构；

ER-Ti43钛合金焊丝的制备：将所述的丝材依次经过退火、加热后得到ER-Ti43钛合金焊丝。

5.根据权利要求4所述的一种ER-Ti43钛合金焊丝的制备方法，其特征在于，所述混料步骤中，混合时间至少为30分钟。

6.根据权利要求4所述的一种ER-Ti43钛合金焊丝的制备方法，其特征在于，所述钛合金锭的制备步骤具体为：

将所述的自耗电极在真空自耗电弧炉中熔炼，熔炼温度为1700℃-1800℃，得到一次铸锭；将一次铸锭作为自耗电极在真空自耗电弧炉中熔炼，熔炼温度为1700℃-1800℃，得到钛合金锭。

7.根据权利要求4所述的一种ER-Ti43钛合金焊丝的制备方法，其特征在于，所述钛合金锭的制备步骤中还包括将钛合金锭表面进行车成光面、切除锭底处理及冒口切除处理。

8.根据权利要求4所述的一种ER-Ti43钛合金焊丝的制备方法，其特征在于，所述棒材的制备步骤中，所述棒材为直径20±8mm的棒材。

9.根据权利要求4所述的一种ER-Ti43钛合金焊丝的制备方法，其特征在于，所述ER-Ti43钛合金焊丝的制备步骤具体为：

将所述的丝材清理干净，放入真空退火炉进行退火，加热温度600-800℃，经真空加热退火后丝材中氢含量应小于等于40ppm。