CN108941976B - Ta1-q345中间层焊接用焊丝及制备与焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TA1‑Q345中间层焊接用焊丝，包括药芯和焊皮，其中药粉按质量百分比由以下组分组成：V粉30～40％，Cr粉10～20％，Ni粉10～20％，Ag粉20～30％，以上组分质量百分比之和为100％。其制备方法为：将V粉、Cr粉、Ni粉和Ag粉混合后烘干，然后紫铜带包裹，拉拔即得。本发明的药芯焊丝所得焊接接头具有优良的强韧性；本发明药芯焊丝合金元素较少，制备工艺简单，便于进行大规模批量生产。

Description

TA1-Q345中间层焊接用焊丝及制备与焊接方法
技术领域
本发明属于金属材料焊接技术领域，具体涉及TA1-Q345中间层焊接用焊丝，本发明还涉及该焊丝的制备方法与焊接方法。
背景技术
TA1-Q345复合板是一种通过爆炸焊接的方式制备的双金属层状复合结构，兼有TA1优异的耐腐蚀性能和Q345高强度特点。实现其在压力容器上的应用，既能满足压力容器承载能力的要求，又能解决TA1-Q345双金属层状复合板不易直接熔焊连接的问题。已有的研究结果表明，TA1和Q345的主要合金元素Ti和Fe之间反应将生成脆性的Fe2Ti和FeTi金属间化合物，导致两者直接熔焊连接困难。目前，关于TA1-Q345双金属层状复合板的对接焊接主要是通过搭接焊接方式，既通过增加盖板结构，焊接时候TA1和TA1焊接，Q345和Q345焊接，不进行中间层的焊接。这种焊接方法工艺复杂，操作困难，因此难以实现工程化应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种TA1-Q345中间层焊接用焊丝，解决了TA1-Q345层状复合板无法直接熔焊对接的问题。
本发明的另一个目的是提供一种TA1-Q345中间层焊接用焊丝的制备方法。
本发明还有另一个目的是提供用上述焊丝焊接TA1-Q345双金属层状复合板时中间层焊缝的熔深。
本发明所采用的技术方案是，TA1-Q345中间层焊接用焊丝，包括药粉和焊皮，其中药粉按质量百分比由以下组分组成：V粉30～40％，Cr粉10～20％，Ni粉10～20％，Ag粉20～30％，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特点还在于：
V粉的纯度≥99.9％，Cr粉的纯度≥99.9％，Ni粉的纯度≥99.9％，Ag粉的纯度≥99.9％，4种金属粉的粒度都是200目。
焊皮为紫铜带，紫铜带厚度0.3mm，宽度7mm。
该药芯焊丝的填充率控制在25～30％。
本发明所采用的第二个技术方案是，TA1-Q345中间层焊接用焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取V粉30～40％，Cr粉10～20％，Ni粉10～20％，Ag粉20～30％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的V粉、Cr粉、Ni粉和Ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为180℃，保温时间为1.5h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为30min；
步骤3：采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.3mm，2.1mm，1.9mm，1.8mm，1.7mm，1.6mm，1.5mm进行拉拔；
步骤5：对步骤4制备的药芯焊丝，在真空热处理炉中进行热处理，加热温度为450℃，保温时间为2h；
步骤6：对步骤5中热处理的药芯焊丝依次经过1.3mm、1.2mm孔径的磨具拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
步骤7：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
本发明所采用的第三个技术方案是，采用上述焊丝焊接TA1-Q345双金属层状复合板时，中间层焊缝熔深低于复合板界面1.5～2.5mm。
本发明的有益效果是，
(1)本发明药芯焊丝直径比较小，丝径为1.2mm的药芯焊丝适用广泛，该药芯焊丝既可用于TIG焊，又可用于MIG焊；
(2)V、Cr、Ni、Ag元素作为药芯焊丝中药粉的主要组元，对于直接熔焊连接TA1-Q345双金属层状复合板，中间层材料的选择和应用至关重要。从冶金反应产物考虑，V元素和Ti元素焊接性接近，可以形成连续固溶体，从而减少了Ti元素与Fe元素之间反应生成Fe2Ti和FeTi脆性金属间化合物。Cr、Ni元素是钢中的常用合金元素，与Fe元素的化学亲和力较高，这两个元素的加入可以提高中间层焊缝与底部Fe焊缝的结合强度。Ag元素和Ti、Cu元素之间反应生成塑韧性较好的共晶组织，这些共晶组织的形成也可以降低焊丝的熔点。药芯焊丝焊皮的主要成分为Cu，Cu元素的熔点较Ti和Fe的低。Cu与Fe之间不形成金属间化合物，Cu与Ti之间反应可生成多种塑韧性相对较好的化合物，从而抑制了焊缝中脆性相的生成；
(3)TA1-Q345双金属层状复合板开不对称双V形坡口，先用ER50-6焊丝在Q345侧坡口焊接Q345层，再用本发明的药芯焊丝在TA1侧坡口处焊接中间层。要求中间层焊缝熔深低于复合板界面1.5～2.5mm。最后用ERTi-1焊丝焊接TA1层，所得焊接接头具有优良的强韧性；
(4)本发明药芯焊丝合金元素较少，制备工艺简单，便于进行大规模批量生产。
附图说明
图1是TA1-Q345双金属层状复合板界面微观组织形貌图；
图2是TA1-Q345双金属层状复合板焊接顺序示意图；
图3是TA1-Q345双金属层状复合板中间层焊缝熔深示意图；
图4为实施案例2制备的药芯焊丝，在TA1-Q345双金属层状复合板焊接时，中间层焊缝的扫描电镜低倍组织形貌图；
图5为实施案例2制备的药芯焊丝，在TA1-Q345双金属层状复合板焊接时，焊缝的整体扫描电镜低倍组织形貌图；
图6为实施案例2制备的药芯焊丝，在TA1-Q345双金属层状复合板焊接时，中间层焊缝与Q345层、TA1层的扫描电镜高倍微观组织形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明TA1-Q345中间层焊接用焊丝，包括药粉和焊皮，其中药粉按质量百分比由以下组分组成：V粉30～40％，Cr粉10～20％，Ni粉10～20％，Ag粉20～30％，以上组分质量百分比之和为100％，药芯焊丝的填充量控制在25％～30％。焊皮为紫铜带，紫铜带厚度0.3mm，宽度7mm。
该药芯焊丝中各组分的作用和功能如下：
Cu元素作为药芯焊丝的主要合金元素，Cu元素不与Fe元素反应生成金属间化合物，而是生成塑韧性较好的铜基固溶体和铁基固溶体，可以起到稀释焊缝中Fe2Ti和FeTi脆性金属间化合物的作用。Cu元素和Ti元素反应生成多种韧性较好的Cu-Ti化合物，从而可以减少Fe元素与Ti元素之间反应生成脆性金属间化合物。Cu做为中间层焊缝的主要元素，由于Cu的熔点较低，而Fe2Ti和FeTi脆性相的熔点较高，在焊缝凝固过程中，焊缝中剩余的Cu液相将会包围在这些脆性相周围，从而可以提高中间层焊缝的塑韧性；
V元素作为药芯焊丝中药粉的主要组元，由于V元素和Ti元素焊接性接近，反应可以形成连续固溶体相，可减少焊缝中Ti元素与Fe元素之间反应生成脆性金属间化合物；
Cr、Ni元素是钢中的常用合金元素，与Fe元素的化学亲和力较高，这两个元素的加入可以提高中间层焊缝与底部Fe焊缝的结合强度；
Ag元素可以和Ti元素、Cu元素之间反应形成塑韧性较好的共晶组织，这些共晶组织的形成也可以降低焊丝的熔点；
上述TA1-Q345中间层焊接用焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取V粉30～40％，Cr粉10～20％，Ni粉10～20％，Ag粉20～30％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的V粉、Cr粉、Ni粉和Ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为180℃，保温时间为1.5h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为30min；
步骤3：采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.3mm，2.1mm，1.9mm，1.8mm，1.7mm，1.6mm，1.5mm进行拉拔；
步骤5：对步骤4制备的药芯焊丝，在真空热处理炉中进行热处理，加热温度为450℃，保温时间为2h；
步骤6：对步骤5中热处理的药芯焊丝依次经过1.3mm、1.2mm孔径的磨具拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
步骤7：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
采用上述焊丝焊接TA1-Q345双金属层状复合板时，中间层焊缝熔深低于复合板界面1.5～2.5mm。
实施例1
步骤1：按质量百分比分别称取V粉30％，Cr粉20％，Ni粉20％，Ag粉30％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的V粉、Cr粉、Ni粉和Ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为180℃，保温时间为1.5h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为30min；
步骤3：采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，磨具孔径依次换至2.3mm，2.1mm，1.9mm，1.8mm，1.7mm，1.6mm，1.5mm；
步骤5：对步骤4制备的药芯焊丝，在真空热处理炉中进行热处理，加热温度为450℃，保温时间为2h；
步骤6：对步骤5中热处理的药芯焊丝依次经过1.3mm、1.2mm孔径的磨具拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
步骤7：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例1制备的TA1-Q345双金属层状复合板中间层用药芯焊丝，配合ERTi-1焊丝(TA1层)，及ER50-6焊丝(Q345层)焊接TA1-Q345复合板，TA1-Q345双金属复合板界面微观形貌如图1所示。焊接工艺为：TA1-Q345双金属层状复合板开不对称双V形坡口，先用ER50-6焊丝在Q345侧坡口焊接Q345层，再用本发明的药芯焊丝在TA1侧坡口处焊接中间层，最后用ERTi-1焊丝焊接TA1层，焊接顺序示意图如图2所示。中间层焊缝熔深低于复合板界面1.5mm，中间层焊缝熔深示意图如图3所示。Q345层焊接电流为180-230A，中间层焊接电流为80-100A，TA1层焊接电流为：100-120A。
经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度501MPa，断后延伸率9％。
实施例2
步骤1：按质量百分比分别称取V粉40％，Cr粉10％，Ni粉20％，Ag粉30％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的V粉、Cr粉、Ni粉和Ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为180℃，保温时间为1.5h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为30min；
步骤3：采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.3mm，2.1mm，1.9mm，1.8mm，1.7mm，1.6mm，1.5mm进行拉拔；
步骤5：对步骤4制备的药芯焊丝，在真空热处理炉中进行热处理，加热温度为450℃，保温时间为2h；
步骤6：对步骤5中热处理的药芯焊丝依次经过1.3mm、1.2mm孔径的磨具拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
步骤7：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例1制备的TA1-Q345双金属层状复合板中间层用药芯焊丝，配合ERTi-1焊丝(TA1层)，及ER50-6焊丝(Q345层)焊接TA1-Q345复合板。焊接工艺为：TA1-Q345双金属层状复合板开不对称双V形坡口，先用ER50-6焊丝在Q345侧坡口焊接Q345层，再用本发明的药芯焊丝在TA1侧坡口处焊接中间层，最后用ERTi-1焊丝焊接TA1层。中间层焊缝熔深低于复合板界面2.5mm。Q345层焊接电流为180-230A，中间层焊接电流为80-100A，TA1层焊接电流为：100-120A。
经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度522MPa，断后延伸率15％。
实施例2制备得到的药芯焊丝焊接TA1-Q345双金属层状复合板中间层焊缝的扫描电镜低倍组织见图4所示，图5是焊接接头整体低倍扫描电镜形貌，图6是中间层焊缝与Q345层、TA1层的扫描电镜高倍微观组织形貌。从低倍扫描电镜图片上可以看出，中间层焊缝与Q345和TA1之间衔接良好，无宏观裂纹等焊接缺陷。从高倍扫描电镜图片可以看出，中间层焊缝与Q345和TA1组织之间以熔合线隔开，熔合线清晰，熔合线附近未发现裂纹、气孔等常见缺陷。
实施例3
步骤1：按质量百分比分别称取V粉35％，Cr粉20％，Ni粉20％，Ag粉25％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的V粉、Cr粉、Ni粉和Ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为180℃，保温时间为1.5h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为30min；
步骤3：采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.3mm，2.1mm，1.9mm，1.8mm，1.7mm，1.6mm，1.5mm进行拉拔；
步骤5：对步骤4制备的药芯焊丝，在真空热处理炉中进行热处理，加热温度为450℃，保温时间为2h；
步骤6：对步骤5中热处理的药芯焊丝依次经过1.3mm、1.2mm孔径的磨具拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
步骤7：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例1制备的TA1-Q345双金属层状复合板中间层用药芯焊丝，配合ERTi-1焊丝(TA1层)，及ER50-6焊丝(Q345层)焊接TA1-Q345复合板。焊接工艺为：TA1-Q345双金属层状复合板开不对称双V形坡口，先用ER50-6焊丝在Q345侧坡口焊接Q345层，再用本发明的药芯焊丝在TA1侧坡口处焊接中间层，最后用ERTi-1焊丝焊接TA1层。中间层焊缝熔深低于复合板界面2.0mm。Q345层焊接电流为180-230A，中间层焊接电流为80-100A，TA1层焊接电流为：100-120A。
经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度512MPa，断后延伸率8％。
实施例4
步骤1：按质量百分比分别称取V粉40％，Cr粉15％，Ni粉15％，Ag粉30％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的V粉、Cr粉、Ni粉和Ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为180℃，保温时间为1.5h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为30min；
步骤3：采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.3mm，2.1mm，1.9mm，1.8mm，1.7mm，1.6mm，1.5mm进行拉拔；
步骤5：对步骤4制备的药芯焊丝，在真空热处理炉中进行热处理，加热温度为450℃，保温时间为2h；
步骤6：对步骤5中热处理的药芯焊丝依次经过1.3mm、1.2mm孔径的磨具拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
步骤7：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例1制备的TA1-Q345双金属层状复合板中间层用药芯焊丝，配合ERTi-1焊丝(TA1层)，及ER50-6焊丝(Q345层)焊接TA1-Q345复合板。焊接工艺为：TA1-Q345双金属层状复合板开不对称双V形坡口，先用ER50-6焊丝在Q345侧坡口焊接Q345层，再用本发明的药芯焊丝在TA1侧坡口处焊接中间层，最后用ERTi-1焊丝焊接TA1层。中间层焊缝熔深低于复合板界面1.8mm。Q345层焊接电流为180-230A，中间层焊接电流为80-100A，TA1层焊接电流为：100-120A。
经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度489MPa，断后延伸率12％。
实施例5
步骤1：按质量百分比分别称取V粉40％，Cr粉20％，Ni粉20％，Ag粉20％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的V粉、Cr粉、Ni粉和Ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为180℃，保温时间为1.5h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为30min；
步骤3：采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.3mm，2.1mm，1.9mm，1.8mm，1.7mm，1.6mm，1.5mm进行拉拔；
步骤5：对步骤4制备的药芯焊丝，在真空热处理炉中进行热处理，加热温度为450℃，保温时间为2h；
步骤6：对步骤5中热处理的药芯焊丝依次经过1.3mm、1.2mm孔径的磨具拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
步骤7：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例1制备的TA1-Q345双金属层状复合板中间层用药芯焊丝，配合ERTi-1焊丝(TA1层)，及ER50-6焊丝(Q345层)焊接TA1-Q345复合板。焊接工艺为：TA1-Q345双金属层状复合板开不对称双V形坡口，先用ER50-6焊丝在Q345侧坡口焊接Q345层，再用本发明的药芯焊丝在TA1侧坡口处焊接中间层，最后用ERTi-1焊丝焊接TA1层。中间层焊缝熔深低于复合板界面1.6mm。Q345层焊接电流为180-230A，中间层焊接电流为80-100A，TA1层焊接电流为：100-120A。
经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度471MPa，断后延伸率6％。
经优化在药芯焊丝药粉填充率控制在25％～30％时，质量百分比为40％的V粉、10％的Cr粉，20％的Ni粉和30％的Ag粉的情况下，焊接TA1-Q345双金属层状复合板可以得到成型效果最好、缺陷最少及力学性能较好的焊缝。TA1-Q345双金属层状复合板开不对称双V形坡口，中间层焊缝熔深低于复合板界面2.5mm，所得焊接接头具有优良的强韧性。

Claims (4)

1.一种TA1-Q345中间层焊接用焊丝，其特征在于，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：V粉30～40％，Cr粉10～20％，Ni粉10～20％，Ag粉20～30％，以上组分质量百分比之和为100％；
V粉的纯度≥99.9％，Cr粉的纯度≥99.9％，Ni粉的纯度≥99.9％，Ag粉的纯度≥99.9％，4种金属粉的粒度都是200目；
药芯焊丝的填充量控制在25～30％。
2.根据权利要求1所述的TA1-Q345中间层焊接用焊丝，其特征在于，焊皮为紫铜带，紫铜带厚度0.3mm，宽度7mm。
3.TA1-Q345中间层焊接用焊丝的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取V粉30～40％，Cr粉10～20％，Ni粉10～20％，Ag粉20～30％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的V粉、Cr粉、Ni粉和Ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为180℃，保温时间为1.5h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为30min；
步骤3：采用酒精去除紫铜带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在紫铜带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.3mm，2.1mm，1.9mm，1.8mm，1.7mm，1.6mm，1.5mm进行拉拔；
步骤5：对步骤4制备的药芯焊丝，在真空热处理炉中进行热处理，加热温度为450℃，保温时间为2h；
步骤6：对步骤5中热处理的药芯焊丝依次经过1.3mm、1.2mm孔径的磨具拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
步骤7：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
4.采用如权利要求1所述的焊丝焊接TA1-Q345双金属层状复合板中间层的应用，其特征在于，中间层焊缝熔深低于复合板界面1.5～2.5mm。
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