CN109702371A - Ta1-q235中间层焊接用焊丝及制备与焊接方法 - Google Patents

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褚巧玲
许帅
仝雄伟
李洁
李继红
张敏
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Abstract

本发明公开了一种TA1‑Q235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：Nb粉60～80％，Ag粉20～40％，以上组分质量百分比之和为100％。其制备方法为：将Nb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-Q235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-Q235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-Q235层状复合板通过爆炸焊接的方式制备，兼有TA1优异的耐腐蚀性能和Q235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-Q235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Q235的主要合金元素Ti和Fe之间反应将生成脆性的金属间化合物(Fe2Ti和FeTi)，导致两者直接熔焊连接困难。目前，关于TA1-Q235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，Q235和Q235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-Q235中间层焊接用焊丝，解决了 TA1-Q235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-Q235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-Q235层状复合板时中间层焊缝的高度。
本发明所采用的技术方案是，一种TA1-Q235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：Nb粉60～80％，Ag 粉20～40％，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特点还在于：
Nb粉的纯度≥99.9％，粒度为200目；Ag粉的纯度≥99.9％，粒度为 300目。
紫铜带厚度0.3mm，宽度7mm。
药芯焊丝的填充量控制在30～35wt％。
本发明所采用的第二个技术方案是，TA1-Q235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Nb粉60～80％，Ag粉20～40％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的Nb粉和Ag粉，置于真空加热炉内加热，加热温度为150℃，保温时间为2h，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；
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2.5mm；
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460℃，保温时间为2.5h；
步骤6：对步骤5中热处理的药芯焊丝依次经过1.5mm、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-Q235层状复合板时，中间层焊缝高度高于复合板界面0.5～1.5mm。
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)Nb和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-Q235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，Nb元素和Ti元素焊接性接近，两者可以形成连续固溶体，从而减少了Ti元素与Fe元素之间反应生成脆性金属间化合物。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，并且Ag和Nb之间不形成脆性的金属间化合物。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之间不形成脆性的金属间化合物，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Fe2Ti和FeTi脆性相的生成；
(3)TA1-Q235层状复合板开不对称双V形坡口，先用ER50-6焊丝在 Q235侧坡口焊接Q235层，再用本发明的药芯焊丝在TA1侧坡口处焊接中间层。要求中间层焊缝高度高于复合板界面0.5～1.5mm。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是本发明中TA1-Q235层状复合板中间层焊缝高度示意图；
图2为实施案例2制备的药芯焊丝，在TA1-Q235层状复合板焊接时，中间层焊缝表面形貌图；
图3为实施案例2制备的药芯焊丝，在TA1-Q235层状复合板焊接时， TA1焊缝表面形貌图；
图4为实施案例2制备的药芯焊丝，在TA1-Q235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5为实施案例2制备的药芯焊丝，在TA1-Q235层状复合板焊接时，中间层焊缝与Q235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-Q235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：Nb粉60～80％，Ag粉20～40％，以上组分质量百分比之和为100％。
Nb粉的纯度≥99.9％，粒度为200目；Ag粉的纯度≥99.9％，粒度为 300目。
药芯焊丝的填充量控制在30wt％～35wt％。
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系列化合物，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，流动性好，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；
Nb元素作为药芯焊丝中药粉的主要组元，由于Nb元素和Ti元素焊接性接近，两者熔焊连接时可以形成连续固溶体，强韧性好，从而减少了Ti 元素与Fe元素之间反应生成脆性金属间化合物；
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。Ag元素与Nb元素之间不形成脆性的金属间化合物；
上述TA1-Q235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Nb粉60～80％，Ag粉20～40％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的Nb粉和Ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为150℃，保温时间为2h，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；
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2.5mm；
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460℃，保温时间为2.5h；
步骤6：对步骤5中热处理的药芯焊丝依次经过1.5mm、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-Q235层状复合板时，中间层焊缝高度高于复合板界面0.5～1.5mm。
实施例1
步骤1：按质量百分比分别称取Nb粉60％，Ag粉40％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的Nb粉和Ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为150℃，保温时间为2h，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；
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2.5mm；
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460℃，保温时间为2.5h；
步骤6：对步骤5中热处理的药芯焊丝依次经过1.5mm、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-Q235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(Q235层)焊接TA1-Q235复合板。焊接工艺为：TA1-Q235层状复合板开不对称双V形坡口，先用ER50-6焊丝在Q235侧坡口焊接Q235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。中间层焊缝高度高于复合板界面1.5mm，中间层焊缝高度示意图如图1所示。Q235层焊接电流为180-230A，中间层焊接电流为90-110A，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340MPa，断后延伸率11％。
实施例2
步骤1：按质量百分比分别称取Nb粉70％，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Nb粉和Ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为150℃，保温时间为2h，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；
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2.5mm；
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460℃，保温时间为2.5h；
步骤6：对步骤5中热处理的药芯焊丝依次经过1.5mm、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2制备的TA1-Q235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(Q235层)焊接TA1-Q235复合板。焊接工艺为：TA1-Q235层状复合板开不对称双V形坡口，先用ER50-6焊丝在Q235侧坡口焊接Q235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。中间层焊缝高度高于复合板界面0.5mm。Q235层焊接电流为180-230A，中间层焊接电流为90-110A，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380MPa，断后延伸率16％。
实施例2制备得到的药芯焊丝焊接TA1-Q235层状复合板中间层焊缝形貌如图2所示，TA1层焊缝形貌如图3所示，图4是焊接接头整体低倍扫描电镜形貌，图5是中间层焊缝与Q235层、TA1层的扫描电镜高倍微观组织形貌。从焊缝形貌可以看出，中间层焊缝和TA1层焊缝成型良好；从低倍扫描电镜图片上可以看出，中间层焊缝与Q235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Q235和TA1 母材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；中间层焊缝与TA1焊缝组织之间衔接良好，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Nb粉80％，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Nb粉和Ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为150℃，保温时间为2h，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；
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2.5mm；
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460℃，保温时间为2.5h；
步骤6：对步骤5中热处理的药芯焊丝依次经过1.5mm、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3制备的TA1-Q235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(Q235层)焊接TA1-Q235复合板。焊接工艺为：TA1-Q235层状复合板开不对称双V形坡口，先用ER50-6焊丝在Q235侧坡口焊接Q235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。中间层焊缝高度高于复合板界面1.0mm。Q235层焊接电流为180-230A，中间层焊接电流为90-110A，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378MPa，断后延伸率7％。
实施例4
步骤1：按质量百分比分别称取Nb粉65％，Ag粉35％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的Nb粉和Ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为150℃，保温时间为2h，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；
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2.5mm；
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460℃，保温时间为2.5h；
步骤6：对步骤5中热处理的药芯焊丝依次经过1.5mm、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4制备的TA1-Q235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(Q235层)焊接TA1-Q235复合板。焊接工艺为：TA1-Q235层状复合板开不对称双V形坡口，先用ER50-6焊丝在Q235侧坡口焊接Q235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。中间层焊缝高度高于复合板界面1.5mm。Q235层焊接电流为180-230A，中间层焊接电流为90-110A，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345MPa，断后延伸率12％。
实施例5
步骤1：按质量百分比分别称取Nb粉75％，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Nb粉和Ag粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为150℃，保温时间为2h，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；
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2.5mm；
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460℃，保温时间为2.5h；
步骤6：对步骤5中热处理的药芯焊丝依次经过1.5mm、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5制备的TA1-Q235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(Q235层)焊接TA1-Q235复合板。焊接工艺为：TA1-Q235层状复合板开不对称双V形坡口，先用ER50-6焊丝在Q235侧坡口焊接Q235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。中间层焊缝高度高于复合板界面0.5mm。Q235层焊接电流为180-230A，中间层焊接电流为90-110A，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371MPa，断后延伸率13。经优化在药芯焊丝药粉填充率控制在30％～35％时，质量百分比为70％的 Nb粉和30％的Ag粉的情况下，焊接TA1-Q235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-Q235层状复合板开不对称双V形坡口，中间层焊缝高度高于复合板界面0.5mm，所得焊接接头具有优良的强韧性。

Claims (6)

1.一种TA1-Q235中间层焊接用焊丝，其特征在于，包括药芯和焊皮，其中药粉按质量百分比由以下组分组成：Nb粉60～80％，Ag粉20～40％，以上组分质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的TA1-Q235中间层焊接用焊丝，其特征在于，Nb粉的纯度≥99.9％，粒度为200目；Ag粉的纯度≥99.9％，粒度为300目。
3.根据权利要求1所述的TA1-Q235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。
4.根据权利要求1所述的TA1-Q235中间层焊接用焊丝，其特征在于，药芯焊丝的填充量控制在30～35wt％。
5.TA1-Q235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Nb粉60～80％，Ag粉20～40％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的Nb粉和Ag粉，置于真空加热炉内加热，加热温度为150℃，保温时间为2h，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；
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2.5mm；
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460℃，保温时间为2.5h；
步骤6：对步骤5中热处理的药芯焊丝依次经过1.5mm、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。
6.采用如权利要求1所述的焊丝焊接TA1-Q235层状复合板中间层时，其特征在于，中间层焊缝高度高于复合板界面0.5～1.5mm。
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