CN113210926A - 一种多主元焊丝的制备方法及高熵化焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多主元焊丝的制备方法及高熵化焊接方法，该多主元焊丝的制备方法，包括以下步骤：提供至少三种金属丝；按照预定的数量比，将不同金属丝缠绕，制成棒状多主元焊丝。本发明的多主元焊丝的制备方法，通过将多种金属丝按照预定的数量比进行缠绕，制成棒状多主元焊丝，无需将原材料熔化制成高熵合金后通过金属纺渍、喷射沉积制得丝材，通过纯金属丝绕制制作焊丝，能够跳过合金化这一步骤，能够灵活调整所需成分，极大简化高熵焊接用焊丝的生产流程，降低成本。

Description

一种多主元焊丝的制备方法及高熵化焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种多主元焊丝的制备方法及高熵化焊接方法。

背景技术

焊接是工业生产制造与工程建设的重要技术之一，是生产密封容器、结构材料以及实现可靠连接的有效手段。钛/钢复合板作为层状金属复合材料，一般由热轧或爆炸焊复合制得，结合了钛的优异抗腐蚀性能和钢的低成本，并且拥有良好的强度，在海洋工程、船舶工业、石油化工领域都具有广泛应用前景。但是铁和钛的热物理性能差异大，物理化学相容度低，极易在焊接中产生脆性金属间化合物诱导裂纹。常用钛/钢复合板焊接工艺需要对基层-中间层-复层进行分层逐次焊接，利用中间层材料阻碍钛和铁在高温下的接触。高混合熵效应有利于形成无序固溶体相，抑制金属间化合物的生成，因此使用单一焊缝填充材料利用焊缝稀释效应完成高熵化焊接不仅是解决钛钢复合板焊接难题的有效手段，也能有效解决母材熔化带来的焊接问题，并极大简化焊接流程。

现有高熵合金焊材需要提前将原材料通过机械球磨，真空电弧熔炼等工艺制备成高熵合金，再进行拉拔成型，工艺十分繁琐，不易随时改变成分，制造成本极高。因此设计一种基于焊缝高熵化的多主元焊丝制作方法，简化焊丝生产工艺，并且可以随意改变成分配比，具有柔性制造的特点，对解决钛/钢复合板的焊接难题，扩大高熵焊接应用范围都具有显著意义。

现有技术公开了一种Cu+V、Cu+Nb复合型中间层焊接材料，在TA1/Q345层状复合板焊接过程中，通过形成Cu基固溶体、Cu-Ti金属间化合物，可以降低焊缝中Fe-Ti脆性相的大量生成，有效提高了复合板焊接接头的抗开裂性能；现有技术还公开了采用Mo为中间层对TA1/Q235B复合板界面进行封堵，有效阻隔了Fe和Ti的直接接触，获得了少量裂纹的接头，提高了复合板焊接质量；现有技术还公开了一种钛/钢复合板熔焊对接过渡层用焊接材料及其焊接方法，可实现钛/钢复合板的熔焊对接接头，焊接接头具有较高的强度和韧性。

然而，现有技术中钛/钢复合板焊接方法需要在复层焊缝和基层焊缝之间添加一层中间层，通过高熔点阻隔或促进与其他元素的反应，减少Ti和Fe之间的接触。但这种工艺会生成其他类型的金属间化合物与较大的焊接残余应力、变形，进而导致裂纹。现有技术中焊接填充材料需要提前制备高熵合金，随后利用高熵合金扩散迟滞效应减少元素接触，高混合熵效应抑制金属间化合物的生成，从而实现焊缝连接，预先制备高熵合金成本高，工艺复杂。基于目前的钛/钢复合板焊接存在的技术问题，有必要对此进行改进。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种多主元焊丝的制备方法及高熵化焊接方法，以解决或部分解决现有技术中存在的技术问题。

第一方面，本发明提供了一种多主元焊丝的制备方法，包括以下步骤：

提供至少三种金属丝；

按照预定的数量比，将不同金属丝缠绕，制成棒状多主元焊丝。

优选的是，所述的多主元焊丝的制备方法，所述金属丝包括Al金属丝、Cu金属丝、Ni金属丝、Co金属丝、Mo金属丝和Ni80Cr20合金金属丝中的至少三种。

优选的是，所述的多主元焊丝的制备方法，所述金属丝的直径为0.1～1.5mm。

第二方面，本声明还提供了一种高熵化焊接方法，包括以下步骤：

提供待焊接母材；

取所述的制备方法制备得到的多主元焊丝，按照预定的焊接方法对所述母材进行高熵化焊接，得到具有高熵效应的焊缝。

优选的是，所述的高熵化焊接方法，对所述母材进行高熵化焊接，其中，所用的母材为同种材料或异种材料，所述母材的材料包括钛/钢复合板、钢板、铝合金板、钛合金板、镍基合金板和不锈钢板。

优选的是，所述的高熵化焊接方法，所述焊接方法包括TIG焊接、MIG焊接或激光填丝焊接中的一种。

本发明的一种多主元焊丝的制备方法及高熵化焊接方法相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)本发明的多主元焊丝的制备方法，通过将多种金属丝按照预定的数量比进行缠绕，制成棒状多主元焊丝，无需将原材料熔化制成高熵合金后通过金属纺渍、喷射沉积制得丝材，通过纯金属丝绕制制作焊丝，能够跳过合金化这一步骤，能够灵活调整所需成分，极大简化高熵焊接用焊丝的生产流程，降低成本；

(2)本发明的多主元焊丝在进行焊接时，作为焊缝填充材料完成钛/钢复合板焊接，无需分别采用不同焊缝填充材料，依次焊接基层-中间层-复层，极大简化焊接工艺，降低焊接残余应力和变形；利用焊缝稀释效应，通过熔池冶金将母材主元与焊丝主元成分在焊缝中结合，焊缝具有高混合熵效应，能够抑制金属间化合物生成促进形成固溶体相、消除裂纹并提高焊缝质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明其中一个实施例中制备得到的多主元焊丝的结构示意图；

图2为本发明经过实施例1中的焊接方法焊接后焊缝的金相显微镜和体视显微镜图；

图3为本发明经过实施例1中的焊接方法焊接后焊缝的EDS图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供了一种多主元焊丝的制备方法，包括以下步骤：

S11、提供至少三种金属丝；

S12、按照预定的数量比，将不同金属丝缠绕，制成棒状多主元焊丝。

在一些实施例中，金属丝包括包括但不限于Al金属丝、Cu金属丝、Ni金属丝、Co金属丝、Mo金属丝和Ni80Cr20合金金属丝中的至少三种。

需要说明的是，本申请的多主元焊丝的制备方法，通过将多种金属丝按照预定的数量比，固定在绕丝装置上，利用装置旋转使金属丝互相机械缠绕，进而制成棒状多主元焊丝，具体的，金属丝的数量比根据实际的焊接情况进行确定，具体的，先通过计算焊缝高熵化所期望的原子比进而通过换算得到相应的数量比，比如金属丝选择Al金属丝、Cu金属丝、Ni金属丝，选用的Al金属丝的数量为2、Cu金属丝的数量为2、Ni金属丝的数量为1，即Al金属丝、Cu金属丝、Ni金属丝之间的数量比为2:2:1，通过金属丝的数量比可以计算得出金属丝的质量比和原子数比。本申请的多主元焊丝的制备方法，无需将原材料熔化制成高熵合金后通过金属纺渍、喷射沉积制得丝材，通过纯金属丝绕制制作焊丝，能够跳过合金化这一步骤，能够灵活调整所需成分，极大简化高熵焊接用焊丝的生产流程，降低成本。

图1显示了其中一个实施例中制备得到的多主元焊丝的结构示意图，具体的，图1中显示了五中金属丝制备而成的焊丝。

在一些实施例中，金属丝的直径为0.1～1.5mm，实际中不同金属丝的直径可以相同，也可以不同，根据焊接需求确定。

基于同一发明构思，本申请还提供了一种高熵化焊接方法，包括以下步骤：

S21、提供待焊接母材；

S22、取上述制备方法制备得到的多主元焊丝，按照预定的焊接方法对所述母材进行高熵化焊接，得到具有高熵效应的焊缝。

在一些实施例中，对母材进行高熵化焊接，其中，所用的母材为同种材料或异种材料，母材的材料包括钛/钢复合板、钢板、铝合金板、钛合金板、镍基合金板和不锈钢板。即本申请的高熵化焊接方法，可以实现同种材料之间的焊接，也可以实现异种材料之间的焊接，具体的，母材所用的材料包括但不限于钛/钢复合板、钢板、铝合金板、钛合金板、镍基合金板和不锈钢板等，若是同种材料之间的焊接则母材使用上述相同的材料进行焊接，若是异种材料之间的焊接则母材选用上述不同的材料进行焊接；例如焊接母材可均为钛/钢复合板，此时则为同种材料之间的焊接；焊接母材也可以为钢板和铝合金板，此时则为异种材料之间的焊接。

在一些实施例中，焊接方法包括TIG焊接、MIG焊接、CMT焊接或激光填丝焊接中的一种。

在一些实施例中，当焊接的母材为钛/钢复合板时，采用本申请的多主元焊丝，作为焊缝填充材料完成钛/钢复合板焊接，无需分别采用不同焊缝填充材料，依次焊接基层-中间层-复层，极大简化焊接工艺，降低焊接残余应力和变形；利用焊缝稀释效应，通过熔池冶金将母材主元与焊丝主元成分在焊缝中结合，焊缝具有高混合熵效应，能够抑制金属间化合物生成促进形成固溶体相、消除裂纹并提高焊缝质量。具体的，在焊接时，母材熔化进入焊缝的Ti和Fe元素，与多主元焊丝结合促使形成具有五种或五种以上主元(如：Fe,Ni,Cu,Al,Ti)、具有高熵效应的焊缝，完成钛/钢复合板整焊缝、少金属间化合物、无裂纹的连接，并简化工艺流程，降低成本，提高焊缝成形质量；在对钛/钢复合板焊接时，焊缝金属元素摩尔比均在5-50％之间并促使焊缝具有高混合熵效应，有效促进形成无序的固溶体组织，抑制焊缝脆性金属间化合物的生成，并提高焊接接头质量；采用本申请的多主元焊丝焊接，利用焊缝稀释效应，将钛/钢复合板母材中的Ti元素和Fe元素熔化进入焊缝，和焊丝成分一同进行冶金作用形成具有高混合熵效应的焊缝。

传统的高熵化填粉焊接抑制焊缝脆性金属间化合物生成的方法，需提前将配比好的五种或五种以上填充粉末，在混粉机中进行混合，随后通过送粉设备送进焊缝。受诸多因素影响，粉末在送出时不一定每一时刻都相等，导致焊缝纵向可能元素分布不均的情况；而采用本申请的多主元焊丝焊接时各金属丝通过拉拔达到机械紧密结合，这样在焊丝的每一处，元素种类和含量都是一样的，因此可以确保每一时刻填充进入焊缝的元素都是相等的；传统利用多主元粉末焊接填充效率比较低，在厚板焊接中使用较少，并且难以用于大尺寸坡口间隙的焊接工件中。相较之下，本申请使用多主元焊丝不仅填充效率高，配合合适的焊接工艺不仅可以实现厚板的焊接，甚至可以达到中厚板单面焊双面成型等效果。此外，粉末焊接中存在诸多限制，比如必须采用合适的粉末粒径，否则难以匹配保护气流量并可能堵塞喷头，但是这些问题在采用多主元焊丝的焊接中都不会存在。在焊接位置方面，适用多主元粉末的焊接位置一般只能为平焊或平角焊，由于粉末重力作用不能进行横焊，仰角焊以及仰焊。对于钛/钢复合板或其他材料制作的各类压力容器、管道的环焊缝、筒体纵向焊缝，全位置焊接是基本要求，因此使用多主元焊丝进行焊接相比多主元粉末焊接具有决定性优势。

以下进一步以具体实施例说明本申请的多主元焊丝的制备方法及高熵化焊接方法。

实施例1

本申请实施例提供了一种多主元焊丝的制备方法包括以下步骤：

S11、提供直径为0.5mm、长度为750mm的Ni金属丝、Co金属丝和Al金属丝；

S12、按照Ni金属丝、Co金属丝和Al金属丝的数量比为2:2:1，将Ni金属丝、Co金属丝和Al金属丝缠绕，制成棒状多主元焊丝；

其中，按照上述数量比制成的多主元焊丝，经计算多主元焊丝中Ni的质量百分比为46.47％、Co的质量百分比为46.47％、Al的质量百分比为7.06％，多主元焊丝中Ni的原子数百分比为42.98％、Co的原子数百分比为42.84％、Al的原子数百分比为14.18％。

本申请实施例还提供了一种高熵化焊接方法为：

S21、以TA1/Q345复合板为待焊接母材，其中，TA1/Q345复合板的厚度为3mm(其中，基层为钢(Q345)，其厚度为2mm，复层为钛(TA1)，其厚度为1mm)，设计单面30°V型坡口，坡口根部开在Q345侧，根部间隙0.5mm；

S22、利用上述制备的多主元焊丝，采用TIG焊对两块上述TA1/Q345复合板母材填充焊接，焊接过程进行氩气保护，焊接电流为70A。

需要说明的是，实施例1制备得到的多主元焊丝包括Ni、Co、Al三种金属元素其本身并非高熵合金，而使用该多主元焊丝进行焊接时，与母材形成高熵合金焊缝。实施例1中所用的母材均为TA1/Q345复合板，为同种材料之间的焊接。

经过上述焊接后，焊接接头界面结合良好，未见明显焊接缺陷和裂纹。通过金相显微镜和体视显微镜观察焊后接头宏观图，结果如图2所示。图2中左侧照片为体视显微镜下拍摄的焊接接头宏观形貌图，右侧照片为金相显微镜下拍摄的焊缝横截面宏观图片。

经过上述焊接后，母材/焊缝界面EDS线扫描结果如图3。本申请中焊接母材为钛/钢复合板，由于钛/钢复合板为层状复合材料，所以基层与复层都会和焊缝形成界面，因此存在基层/焊缝界面，复层/焊缝界面。具体的，图3中上面一幅图代表基层/焊缝界面EDS线扫描图，下面一幅图代表复层/焊缝界面EDS线扫描图。其中BM表示钛/钢复合板母材，BM(Q345)代表钛/钢复合板母材的Q345钢基层，BM(TA1)代表钛/钢复合板母材的TA1钛复层。WZ为焊缝区域，TZ为过渡区，过渡区是焊接钛钢复合板中钛复层常出现的一个以Ti为主要元素的区域，因此仅在图3中下面一幅图中存在。图3中纵坐标代表元素的原子百分比，横坐标表示距离母材/焊缝界面或母材/过渡区/焊缝界面的距离。

从图3中可以看出，通过利用母材熔化使Fe、Ti进入焊缝与其他元素结合，得到焊缝Fe、Co、Ni、Ti、Al元素含量都介于5～40at.％范围内。

实施例2

本申请实施例提供了一种多主元焊丝的制备方法包括以下步骤：

S11、提供直径为0.5mm、长度为500mm的Ni金属丝、Co金属丝和Al金属丝；

S12、按照Ni金属丝、Cu金属丝和Al金属丝的数量比为2:2:3，将Ni金属丝、Co金属丝和Al金属丝缠绕，制成棒状多主元焊丝；

其中，按照上述数量比制成的多主元焊丝，经计算多主元焊丝中Ni的质量百分比为40.62％、Cu的质量百分比为40.90％、Al的质量百分比为18.48％，多主元焊丝中Ni的原子数百分比为34.25％、Cu的原子数百分比为31.85％、Al的原子数百分比为33.90％。

本申请实施例还提供一种高熵化焊接方法为：

S21、以TA1/Q345复合板为待焊接母材，其中，TA1/Q345复合板的厚度为3mm(其中，基层为钢(Q345)，其厚度为2mm，复层为钛(TA1)，其厚度为1mm)，设计单面45°V型坡口，坡口根部开在Q345侧，根部间隙1mm；

S22、利用上述制备的多主元焊丝，采用TIG焊对两块上述TA1/Q345复合板母材填充焊接，焊接过程进行氩气保护，氩气流量为15L/min，焊接电流为60A。

经过上述焊接后，焊接接头界面结合良好，熔合区及焊缝区分界明显，未见明显焊接缺陷和裂纹。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多主元焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供至少三种金属丝；

按照预定的数量比，将不同金属丝缠绕，制成棒状多主元焊丝。

2.如权利要求1所述的多主元焊丝的制备方法，其特征在于，所述金属丝包括Al金属丝、Cu金属丝、Ni金属丝、Co金属丝、Mo金属丝和Ni80Cr20合金金属丝中的至少三种。

3.如权利要求1所述的多主元焊丝的制备方法，所述金属丝的直径为0.1～1.5mm。

4.一种高熵化焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供待焊接母材；

取权利要求1～3任一所述的制备方法制备得到的多主元焊丝，按照预定的焊接方法对所述母材进行高熵化焊接，得到具有高熵效应的焊缝。

5.如权利要求4所述的高熵化焊接方法，其特征在于，对所述母材进行高熵化焊接，其中，所用的母材为同种材料或异种材料，所述母材的材料包括钛/钢复合板、钢板、铝合金板、钛合金板、镍基合金板和不锈钢板。

6.如权利要求4所述的高熵化焊接方法，其特征在于，所述焊接方法包括TIG焊接、MIG焊接或激光填丝焊接中的一种。

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