CN113399863B - TA1-Q345中间层焊接用Ni-Cu-Ag-Co焊丝及其制备方法 - 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
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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2021
- 2021-06-25 CN CN202110714878.1A patent/CN113399863B/zh active Active
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