CN113399863B - TA1-Q345中间层焊接用Ni-Cu-Ag-Co焊丝及其制备方法 - Google Patents

TA1-Q345中间层焊接用Ni-Cu-Ag-Co焊丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种TA1‑Q345中间层焊接用Ni‑Cu‑Ag‑Co焊丝及其制备方法，包括药芯和包裹在药芯外侧的焊皮，其中药粉按质量百分比由以下组分组成：Cu粉30～40％，Ag粉30～40％，Co粉20～30％，以上组分质量百分比之和为100％。该焊丝解决了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Ni-Cu-Ag-Co焊丝及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料焊接技术领域，具体涉及一种TA1-Q345中间层焊接用Ni-Cu-Ag-Co焊丝及其制备方法。
背景技术
TA1-Q345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Q345高强度特点，是石油化工行业理想的选择。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金属间化合物(Fe2Ti和FeTi)，导致两者直接熔焊连接时发生脆性断裂。目前，TA1-Q345层状复合板的对接焊接主要是通过搭接焊接方式，既通过增加钛盖板结构，焊接时候TA1和TA1焊接，Q345和Q345焊接，不进行中间层(连接TA1焊缝与Q345焊缝)的焊接。这种焊接方法工艺复杂，操作困难，难以实现工程化应用。因此，开发TA1-Q345中间层用焊接材料，实现其直接熔焊连接，具有重要的工程实际意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种TA1-Q345中间层焊接用Ni-Cu-Ag-Co焊丝及其制备方法，解决了TA1-Q345层状复合板无法直接熔焊对接的问题。
本发明采用如下技术方案来实现的：
TA1-Q345中间层焊接用Ni-Cu-Ag-Co焊丝，包括药芯和包裹在药芯外侧的焊皮，其中药粉按质量百分比由以下组分组成：Cu粉30～40％，Ag粉30～40％，Co粉20～30％。
本发明进一步的改进在于，Cu粉的纯度≥99.99％，Ag粉的纯度≥99.99％，Co粉的纯度≥99.99％，3种金属粉的粒度都是200目。
本发明进一步的改进在于，焊皮为纯镍带，纯镍带厚度0.3mm，宽度7mm。
本发明进一步的改进在于，药芯焊丝的填充量控制在22～26wt％。
TA1-Q345中间层焊接用Ni-Cu-Ag-Co焊丝的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：按质量百分比分别称取Cu粉30～40％，Ag粉30～40％，Co粉20～30％；
步骤2：将步骤1称取的Cu粉，Ag粉和Co粉，置于真空加热炉内加热，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：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，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，逐渐减小模具孔径，最终获得丝直径为1.2mm的药芯焊丝；
步骤5：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。
本发明进一步的改进在于，步骤1中，Cu粉的纯度≥99.99％，Ag粉的纯度≥99.99％，Co粉的纯度≥99.99％，3种金属粉的粒度都是200目。
本发明进一步的改进在于，步骤2中，真空加热炉中加热温度为200～280℃，保温时间为1～3h；混粉机中混合时间为1～3h。
本发明进一步的改进在于，步骤3中，纯镍带厚度0.3mm，宽度7mm；药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在22～26wt％。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
(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)本发明药芯焊丝以Cu、Ag、Co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层状复合板，中间层材料的选择和应用至关重要。从Ti-Co二元相图可知，高温下Co与Ti元素之间反应生成韧性较好的β-Ti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。从Ti-Cu-Ag三元相图可知，高温下这三种元素将形成塑韧性较好的共晶反应产物。药芯焊丝焊皮的主要成分为Ni，Ni与Fe之间形成强韧性较好的固溶体，Ni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-Q345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(MIG焊接)，再用本发明的药芯焊丝在TA1侧坡口处焊接中间层(TIG焊接)。最后用ERTi-1焊丝焊接TA1层(TIG焊接)，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为本发明实施案例2制备的药芯焊丝，在TA1-Q345层状复合板焊接时，中间层焊缝与底部ER50-6焊缝的扫描电镜低倍组织形貌图；
图2为本发明实施案例2制备的药芯焊丝，在TA1-Q345层状复合板焊接时，中间层焊缝与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。
本发明提供一种TA1-Q345中间层焊接用Ni-Cu-Ag-Co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：Cu粉30～40％，Ag粉30～40％，Co粉20～30％，以上组分质量百分比之和为100％。
Cu粉的纯度≥99.99％，Ag粉的纯度≥99.99％，Co粉的纯度≥99.99％，3种金属粉的粒度都是200目。
焊皮为纯镍带，纯镍带厚度0.3mm，宽度7mm。
药芯焊丝的填充量控制在22～26wt％。
该药芯焊丝中各组分的作用和功能如下：
Ni元素作为药芯焊丝的主要合金元素，根据Fe-Ni二元相图可知，Fe和Ni在高温下形成奥氏体组织，不生成脆性金属间化合物，从而可以起到稀释焊缝中Fe2Ti和FeTi脆性金属间化合物的作用。根据Ti-Ni二元相图可知，Ni元素和Ti元素反应生成多种塑韧性较Fe-Ti金属间化合物好的Ti-Ni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。中间层焊缝凝固过程中，Fe2Ti和FeTi脆性相优先凝固，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；
Ag元素作为药芯焊丝中药粉的另一个主要组元，根据Ti-Cu-Ag三元相图可知，当熔池中存在Cu和Ag元素时，将发生共晶反应生成塑韧性较好的Ti-Cu-Ag共晶组织，从而消耗掉焊缝中的Ti元素，减少Fe-Ti脆性相的生成；
Co元素作为药芯焊丝中药粉的主要组元，由于Co元素和Ti元素焊接性接近，熔焊连接时可以形成连续固溶体，强韧性好；Co是钢的一种强化元素，因此当中间层中加入Co元素后，将有效提高中间层焊缝与底部Q345焊缝的结合强度。
本发明还提供TA1-Q345中间层焊接用Ni-Cu-Ag-Co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Cu粉30～40％，Ag粉30～40％，Co粉20～30％，以上组分质量百分比之和为100％；步骤1中，Cu粉的纯度≥99.99％，Ag粉的纯度≥99.99％，Co粉的纯度≥99.99％，3种金属粉的粒度都是200目。
步骤2：将步骤1称取的Cu粉，Ag粉和Co粉，置于真空加热炉内加热，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2中，真空加热炉中加热温度为200～280℃，保温时间为1-3h；混粉机中混合时间为1-3h。
步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.5mm；步骤3中，纯镍带厚度0.3mm，宽度7mm；药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在22～26wt％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，逐渐减小模具孔径，最终获得丝直径为1.2mm的药芯焊丝；
步骤5：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。
实施例1
步骤1：按质量百分比分别称取Cu粉40％，Ag粉30％，Co粉30％，以上组分质量百分比之和为100％；步骤1中，Cu粉的纯度≥99.99％，Ag粉的纯度≥99.99％，Co粉的纯度≥99.99％，3种金属粉的粒度都是200目。
步骤2：将步骤1称取的Cu粉，Ag粉和Co粉，置于真空加热炉内加热，加热温度为250℃，保温时间为3h，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；混粉机中混合时间为1h。
步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.5mm；步骤3中，纯镍带厚度0.3mm，宽度7mm；药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在22～26wt％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，逐渐减小模具孔径，最终获得丝直径为1.2mm的药芯焊丝；
步骤5：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(MIG焊接)，再用本发明的药芯焊丝在TA1侧坡口处焊接中间层(TIG焊接)，最后用ERTi-1焊丝焊接TA1层(TIG焊接)。Q345层焊接电流为150-200A，中间层焊接电流为90-110A，TA1层焊接电流为：100-130A。
经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度351MPa，断后延伸率7％。
实施例2
步骤1：按质量百分比分别称取Cu粉35％，Ag粉35％，Co粉30％，以上组分质量百分比之和为100％；步骤1中，Cu粉的纯度≥99.99％，Ag粉的纯度≥99.99％，Co粉的纯度≥99.99％，3种金属粉的粒度都是200目。
步骤2：将步骤1称取的Cu粉，Ag粉和Co粉，置于真空加热炉内加热，加热温度为280℃，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；混粉机中混合时间为2h。
步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.5mm；步骤3中，纯镍带厚度0.3mm，宽度7mm；药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在22～26wt％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，逐渐减小模具孔径，最终获得丝直径为1.2mm的药芯焊丝；
步骤5：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-Q345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(MIG焊接)，再用本发明的药芯焊丝在TA1侧坡口处焊接中间层(TIG焊接)，最后用ERTi-1焊丝焊接TA1层(TIG焊接)。Q345层焊接电流为150-200A，中间层焊接电流为90-110A，TA1层焊接电流为：100-130A。
经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度373MPa，断后延伸率16％。
实施例2制备得到的药芯焊丝焊接TA1-Q345层状复合板，图1为中间层与底部Q345焊缝扫描电镜微观组织形貌，图2是中间层焊缝与TA1层的扫描电镜微观组织形貌。从焊缝低倍扫描电镜图片可以看出，中间层焊缝与Q345和底部Q345焊缝衔接良好，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。
实施例3
步骤1：按质量百分比分别称取Cu粉30％，Ag粉40％，Co粉30％，以上组分质量百分比之和为100％；步骤1中，Cu粉的纯度≥99.99％，Ag粉的纯度≥99.99％，Co粉的纯度≥99.99％，3种金属粉的粒度都是200目。
步骤2：将步骤1称取的Cu粉，Ag粉和Co粉，置于真空加热炉内加热，加热温度为200℃，保温时间为1h，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；混粉机中混合时间为1h。
步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.5mm；步骤3中，纯镍带厚度0.3mm，宽度7mm；药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在30～35wt％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，逐渐减小模具孔径，最终获得丝直径为1.2mm的药芯焊丝；
步骤5：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-Q345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(MIG焊接)，再用本发明的药芯焊丝在TA1侧坡口处焊接中间层(TIG焊接)，最后用ERTi-1焊丝焊接TA1层(TIG焊接)。Q345层焊接电流为150-200A，中间层焊接电流为90-110A，TA1层焊接电流为：100-130A。
经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度310MPa，断后延伸率15％。
实施例4
步骤1：按质量百分比分别称取Cu粉40％，Ag粉35％，Co粉25％，以上组分质量百分比之和为100％；步骤1中，Cu粉的纯度≥99.99％，Ag粉的纯度≥99.99％，Co粉的纯度≥99.99％，3种金属粉的粒度都是200目。
步骤2：将步骤1称取的Cu粉，Ag粉和Co粉，置于真空加热炉内加热，加热温度为220℃，保温时间为2.5h，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；混粉机中混合时间为1.5h。
步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.5mm；步骤3中，纯镍带厚度0.3mm，宽度7mm；药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在30～35wt％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，逐渐减小模具孔径，最终获得丝直径为1.2mm的药芯焊丝；
步骤5：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-Q345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(MIG焊接)，再用本发明的药芯焊丝在TA1侧坡口处焊接中间层(TIG焊接)，最后用ERTi-1焊丝焊接TA1层(TIG焊接)。Q345层焊接电流为150-200A，中间层焊接电流为90-110A，TA1层焊接电流为：100-130A。
经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度335MPa，断后延伸率13％。
实施例5
步骤1：按质量百分比分别称取Cu粉40％，Ag粉40％，Co粉20％，以上组分质量百分比之和为100％；步骤1中，Cu粉的纯度≥99.99％，Ag粉的纯度≥99.99％，Co粉的纯度≥99.99％，3种金属粉的粒度都是200目。
步骤2：将步骤1称取的Cu粉，Ag粉和Co粉，置于真空加热炉内加热，加热温度为200℃，保温时间为3h，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；混粉机中混合时间为1h。
步骤3：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.5mm；步骤3中，纯镍带厚度0.3mm，宽度7mm；药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在30～35wt％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，逐渐减小模具孔径，最终获得丝直径为1.2mm的药芯焊丝；
步骤5：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-Q345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(MIG焊接)，再用本发明的药芯焊丝在TA1侧坡口处焊接中间层(TIG焊接)，最后用ERTi-1焊丝焊接TA1层(TIG焊接)。Q345层焊接电流为150-200A，中间层焊接电流为90-110A，TA1层焊接电流为：100-130A。
经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度320MPa，断后延伸率9％。
经优化在药芯焊丝药粉填充率控制在22％～26％时，质量百分比为35％的Cu粉、35％的Ag粉和30％Co粉的情况下，焊接TA1-Q345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。

Claims (6)

1.TA1-Q345中间层焊接用Ni-Cu-Ag-Co焊丝，其特征在于，包括药芯和包裹在药芯外侧的焊皮，其中药粉按质量百分比由以下组分组成：Cu粉30~40%，Ag粉30~40%，Co粉20~30%；
焊皮为纯镍带，纯镍带厚度0.3mm，宽度7mm；
药芯焊丝的填充量控制在22~26wt%。
2.根据权利要求1所述的TA1-Q345中间层焊接用Ni-Cu-Ag-Co焊丝，其特征在于，Cu粉的纯度≥99.99%，Ag粉的纯度≥99.99%，Co粉的纯度≥99.99%，3种金属粉的粒度都是200目。
3.权利要求1所述的TA1-Q345中间层焊接用Ni-Cu-Ag-Co焊丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：按质量百分比分别称取Cu粉30~40%，Ag粉30~40%，Co粉20~30%；
步骤2：将步骤1称取的Cu粉，Ag粉和Co粉，置于真空加热炉内加热，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：采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，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，逐渐减小模具孔径，最终获得丝直径为1.2mm的药芯焊丝；
步骤5：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.根据权利要求3所述的TA1-Q345中间层焊接用Ni-Cu-Ag-Co焊丝的制备方法，其特征在于，步骤1中，Cu粉的纯度≥99.99%，Ag粉的纯度≥99.99%，Co粉的纯度≥99.99%，3种金属粉的粒度都是200目。
5.根据权利要求3所述的TA1-Q345中间层焊接用Ni-Cu-Ag-Co焊丝的制备方法，其特征在于，步骤2中，真空加热炉中加热温度为200~280℃，保温时间为1~3h；混粉机中混合时间为1~3h。
6.根据权利要求3所述的TA1-Q345中间层焊接用Ni-Cu-Ag-Co焊丝的制备方法，其特征在于，步骤3中，纯镍带厚度0.3mm，宽度7mm；药芯焊丝中药芯粉末的填充量控制在22~26wt%。
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