CN113245681A - 一种铌钛合金铸锭的真空等离子焊接方法 - Google Patents

一种铌钛合金铸锭的真空等离子焊接方法 Download PDF

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尚金金
杨策
何永胜
刘向宏
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Abstract

本发明涉及一种铌钛合金铸锭的真空等离子焊接方法，具体包括如下步骤：S1、对铌钛铸锭头部和尾部进行机加处理；S2、将至少2个经过机加处理的铸锭放置在料架上前后顶紧且上下夹紧，组合为一支待焊接电极；S3、将待焊电极吊装至等离子焊箱内，抽真空且充入氩气，采用非钨极等离子焊接方法将多个铸锭焊接为一根自耗电极；S4、将自耗电极放置在真空自耗电弧炉内经过若干次熔炼，获得铌钛成品铸锭。该方法解决了焊接质量和焊接效率的问题，实现了铌钛合金铸锭工程化批量生产。

Description

一种铌钛合金铸锭的真空等离子焊接方法
技术领域
本发明属于有色金属加工技术领域，具体涉及一种铌钛合金铸锭的真空等离子焊接方法。
背景技术
自1911年荷兰物理学家K.昂纳斯发现超导性质后，现已发现了数十种金属和近4000种合金和化合物均有超导性。自超导性发现以来，超导技术高速发展，目前已广泛应用于高能物理、受控热核聚变、储能、磁悬浮、核磁共振等高科技领域。超导材料是超导技术的基础，超导技术的应用范围和适用程度均与超导材料密切相关。
NbTi合金由于其较高的力学性能和优异的超导性能，是目前使用最为广泛的超导材料。Nb元素熔点高达2410℃，密度高达8.57g/cm3，而活性金属Ti的熔点仅为1687℃，密度仅4.50g/cm3，二者熔点、密度差异相差大，Nb不熔块风险大；为了保证铌元素和钛元素的充分合金化，通常需至少三次真空自耗电弧熔炼，且一次熔炼时自耗电极直径不得过大。因此，在真空自耗熔炼时一次熔炼的铸锭通常在2～20根。上述数量的铸锭如按照传统的、在真空自耗电弧炉炉内焊接的方法，焊接偏斜而导致无法正常熔炼的风险极大；如采用炉外钨极氩弧焊，则存在较大的钨夹杂风险。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种铌钛合金铸锭的真空等离子焊接方法，通过控制铸锭的机加方式，采用真空等离子焊接方法替代真空自耗电弧炉焊接或钨极氩弧焊焊接方法，解决了焊接质量和焊接效率的问题，实现了铌钛合金铸锭工程化批量生产。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种铌钛合金铸锭的真空等离子焊接方法，具体包括如下步骤：
S1、对铌钛铸锭头部和尾部进行机加处理；
S2、将至少2个经过机加处理的φ160mm～φ440mm的铸锭放置在料架上，前后顶紧且上下夹紧，组合为一支待焊接电极；
S3、将待焊电极吊装至等离子焊箱内，抽真空且充入氩气，采用非钨极等离子焊接方法将多个铸锭焊接为一根自耗电极；
S4、将自耗电极放置在真空自耗电弧炉内经过若干次熔炼，获得铌钛成品铸锭。
进一步地，所述步骤S1具体为：对铌钛铸锭头部飞边进行车削处理，头部倒30°～60°角，倒角深度5mm～30mm；对铌钛尾部底垫进行锯切处理，切斜率小于3mm，然后对尾部进行车削处理，尾部倒30°～60°角，倒角深度5mm～30mm。
进一步地，所述步骤S1中铌钛铸锭中的钛元素含量为40～60wt%。
进一步地，所述步骤S2中经过机加处理的铸锭个数为2~20个。
进一步地，所述步骤S2中组合成的一支待焊电极的各铸锭拼接处的缝隙小于5mm，弯曲度小于5mm/m。
进一步地，所述步骤S3中采用非钨极氩气保护等离子焊接，焊前真空度≤10Pa，充氩压力≥60000Pa，焊接电流为200～500A，焊接电压为20～100V，焊后冷却时间≥20min。
进一步地，所述步骤S4中将自耗电极放置在真空自耗电弧炉内经过2次熔炼，获得φ280mm～φ640mm规格的成品铸锭。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出了一种铌钛合金铸锭的真空等离子焊接方法，通过严格控制铸锭的机加方式，采用真空等离子焊接方法替代真空自耗电弧炉焊接或钨极氩弧焊焊接方法，解决了焊接质量和焊接效率的问题，实现了铌钛合金铸锭工程化批量生产。
本发明中，通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。
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地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明焊接方法得到的φ160mm规格NbTi自耗电极经两次真空自耗熔炼获得的φ280mm规格铸锭进行中部横向X射线检测结果图；
图2为本发明焊接方法得到的φ360mm规格NbTi自耗电极经两次真空自耗熔炼获得的φ520mm规格铸锭进行中部横向X射线检测结果图；
图3为本发明焊接方法得到的φ440mm规格NbTi自耗电极经两次真空自耗熔炼获得的φ640mm规格铸锭进行中部横向X射线检测结果图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
一种铌钛合金铸锭的真空等离子焊接方法，具体包括如下步骤：
S1、对铌钛铸锭头部和尾部进行机加处理；
S2、将至少2个经过机加处理的φ160mm～φ440mm的铸锭放置在料架上，前后顶紧且上下夹紧，组合为一支待焊接电极；
S3、将待焊电极吊装至等离子焊箱内，抽真空且充入氩气，采用非钨极等离子焊接方法将多个铸锭焊接为一根自耗电极；
S4、将自耗电极放置在真空自耗电弧炉内经过若干次熔炼，获得铌钛成品铸锭。
进一步地，所述步骤S1具体为：对铌钛铸锭头部飞边进行车削处理，头部倒30°～60°角，倒角深度5mm～30mm；对铌钛尾部底垫进行锯切处理，切斜率小于3mm，然后对尾部进行车削处理，尾部倒30°～60°角，倒角深度5mm～30mm。
进一步地，所述步骤S1中铌钛铸锭中的钛元素含量为40～60wt%。
进一步地，所述步骤S2中经过机加处理的铸锭个数为2~20个。
进一步地，所述步骤S2中组合成的一支待焊电极的各铸锭拼接处的缝隙小于5mm，弯曲度小于5mm/m。
进一步地，所述步骤S3中采用非钨极氩气保护等离子焊接，焊前真空度≤10Pa，充氩压力≥60000Pa，焊接电流为200～500A，焊接电压为20～100V，焊后冷却时间≥20min。
进一步地，所述步骤S4中将自耗电极放置在真空自耗电弧炉内经过2次熔炼，获得φ280mm～φ640mm规格的成品铸锭。
下面结合具体的工艺处理过程进行说明：
实施例1：
本发明提供了一种铌钛合金铸锭的真空等离子焊接方法，具体包括如下步骤：
S1、取4个Ti含量为40wt%且规格为φ160mm的铌钛铸锭，对铌钛铸锭头部和尾部进行机加处理：对铌钛铸锭头部飞边进行车削处理，头部倒30°角，倒角深度5mm；对铌钛尾部底垫进行锯切处理，切斜率1mm，然后对尾部进行车削处理，尾部倒30°角，倒角深度5mm。
S2、将4个经过机加处理的铸锭放置在料架上，前后顶紧且上下夹紧，组合为一支待焊接电极；各铸锭拼接处的缝隙为2mm，弯曲度为3mm/m。
S3、将待焊电极吊装至等离子焊箱内，抽真空且充入氩气，采用非钨极等离子焊接方法将多个铸锭焊接为一根自耗电极；焊前真空度为3Pa，充氩压力为60000Pa，焊接电流为200A，焊接电压为20V，焊后冷却时间为25min。
S4、将自耗电极放置在真空自耗电弧炉内经过2次熔炼，获得铌钛成品铸锭；所述第一次熔炼具体为：将焊接完成的自耗电极掉头熔炼，结晶器规格φ220mm；所述第二次熔炼具体为：将上一次熔炼后平头处理的自耗电极掉头熔炼，结晶器规格φ280mm。
将本实施例1熔炼得到的φ280mm规格的NbTi合金铸锭进行中部横向X射线检测，参见图1，无铌不熔块和钨夹杂。
实施例2
本发明提供了一种铌钛合金铸锭的真空等离子焊接方法，具体包括如下步骤：
S1、取5个Ti含量为47wt%且规格为φ360mm的铌钛铸锭，对铌钛铸锭头部和尾部进行机加处理：对铌钛铸锭头部飞边进行车削处理，头部倒45°角，倒角深度20mm；对铌钛尾部底垫进行锯切处理，切斜率2mm，然后对尾部进行车削处理，尾部倒45°角，倒角深度25mm。
S2、将5个经过机加处理的铸锭放置在料架上，前后顶紧且上下夹紧，组合为一支待焊接电极；各铸锭拼接处的缝隙3mm，弯曲度4mm/m。
S3、将待焊电极吊装至等离子焊箱内，抽真空且充入氩气，采用非钨极等离子焊接方法将多个铸锭焊接为一根自耗电极；焊前真空度为5Pa，充氩压力为70000Pa，焊接电流为350A，焊接电压为60V，焊后冷却时间30min。
S4、将自耗电极放置在真空自耗电弧炉内经过2次熔炼，获得铌钛成品铸锭；所述第一次熔炼具体为：将焊接完成的自耗电极掉头熔炼，结晶器规格φ440mm；所述第二次熔炼具体为：将上一次熔炼后平头处理的自耗电极掉头熔炼，结晶器规格φ520mm。
将本实施例2熔炼得到的φ520mm规格的NbTi合金铸锭进行中部横向X射线检测，参见图2，无铌不熔块和钨夹杂。
实施例3
本发明提供了一种铌钛合金铸锭的真空等离子焊接方法，具体包括如下步骤：
S1、取20个Ti含量为60wt%且规格为φ440mm的铌钛铸锭，对铌钛铸锭头部和尾部进行机加处理：对铌钛铸锭头部飞边进行车削处理，头部倒60°角，倒角深度30mm；对铌钛尾部底垫进行锯切处理，切斜率1.5mm，然后对尾部进行车削处理，尾部倒60°角，倒角深度30mm。
S2、将5个经过机加处理的铸锭放置在料架上，前后顶紧且上下夹紧，组合为一支待焊接电极；各铸锭拼接处的缝隙4mm，弯曲度2mm/m。
S3、将待焊电极吊装至等离子焊箱内，抽真空且充入氩气，采用非钨极等离子焊接方法将多个铸锭焊接为一根自耗电极；焊前真空度为10Pa，充氩压力为80000Pa，焊接电流为500A，焊接电压为100V，焊后冷却时间35min。
S4、将自耗电极放置在真空自耗电弧炉内经过2次熔炼，获得铌钛成品铸锭；所述第一次熔炼具体为：将焊接完成的自耗电极掉头熔炼，结晶器规格φ560mm；所述第二次熔炼具体为：将上一次熔炼后平头处理的自耗电极掉头熔炼，结晶器规格φ640mm。
将本实施例3熔炼得到的φ640mm规格的NbTi合金铸锭进行中部横向X射线检测，参见图3，无铌不熔块和钨夹杂。
本发明通过合理的机加和料架的放置，将多个铌钛铸锭组合为一个长的自耗电极，并在真空等离子焊箱内完成焊接，避免了多个铌钛合金铸锭在真空自耗炉内焊接出现焊接偏斜的问题，以及使用钨极氩弧焊接存在的钨夹杂风险。当采用真空自耗电弧炉焊接时，多个铸锭需要倒立组合放置，由于铸锭的两个端面很难保证100%平整，在组合后存在较大概率的偏斜；而采用钨极氩弧焊接时，如果操作不当则容易将钨电极引入铸锭中，在后续形成钨夹杂，导致铸锭整体报废。真空等离子焊接方法由于使用了专用的料架，可保证多个铸锭组合后的平整度，对铸锭特殊的机加方式和合理的焊接参数选择，保证了焊接强度，可实现多个铸锭一次焊接，生产效率和焊接质量均得到了明显的提升，解决了焊接质量和焊接效率的问题，实现了铌钛合金铸锭工程化批量生产。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种铌钛合金铸锭的真空等离子焊接方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1、对铌钛铸锭头部和尾部进行机加处理；
S2、将至少2个经过机加处理的φ160mm～φ440mm的铸锭放置在料架上，前后顶紧且上下夹紧，组合为一支待焊接电极；
S3、将待焊电极吊装至等离子焊箱内，抽真空且充入氩气，采用非钨极等离子焊接方法将多个铸锭焊接为一根自耗电极；
S4、将自耗电极放置在真空自耗电弧炉内经过若干次熔炼，获得铌钛成品铸锭。
2.根据权利要求1所述的一种铌钛合金铸锭的真空等离子焊接方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：对铌钛铸锭头部飞边进行车削处理，头部倒30°～60°角，倒角深度5mm～30mm；对铌钛尾部底垫进行锯切处理，切斜率小于3mm，然后对尾部进行车削处理，尾部倒30°～60°角，倒角深度5mm～30mm。
3.根据权利要求1所述的一种铌钛合金铸锭的真空等离子焊接方法，其特征在于，所述步骤S1中铌钛铸锭中的钛元素含量为40～60wt%。
4.根据权利要求1所述的一种铌钛合金铸锭的真空等离子焊接方法，其特征在于，所述步骤S2中经过机加处理的铸锭个数为2~20个。
5.根据权利要求1所述的一种铌钛合金铸锭的真空等离子焊接方法，其特征在于，所述步骤S2中待焊电极的各铸锭拼接处的缝隙小于5mm，弯曲度小于5mm/m。
6.根据权利要求1所述的一种铌钛合金铸锭的真空等离子焊接方法，其特征在于，所述步骤S3中采用非钨极氩气保护等离子焊接，焊前真空度≤10Pa，充氩压力≥60000Pa，焊接电流为200～500A，焊接电压为20～100V，焊后冷却时间≥20min。
7.根据权利要求1所述的一种铌钛合金铸锭的真空等离子焊接方法，其特征在于，所述步骤S4中将自耗电极放置在真空自耗电弧炉内经过2次熔炼，获得φ280mm～φ640mm规格的成品铸锭。
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