CN113814606A - Ni-Cr-Al-Ti-Co焊丝及方法与坡口形式 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种Ni‑Cr‑Al‑Ti‑Co焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Cr粉20.0～30.0％，Al粉10.0～20.0％，Ti粉10.0～20.0％，Co粉为5.0～10.0％，其余为Ni，以上组分质量百分比之和为100％。该Ni‑Cr‑Al‑Ti‑Co焊丝，专门用于铜‑钢爆炸复合板对接焊接过程中过渡层的焊接，可有效解决铜‑钢复合板焊接过程中焊缝开裂的问题。本发明还公开还涉及该种Ni‑Cr‑Al‑Ti‑Co焊丝的制备方法与坡口形式。

Description

Ni-Cr-Al-Ti-Co焊丝及方法与坡口形式
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种Ni-Cr-Al-Ti-Co焊丝，还涉及该种Ni-Cr-Al-Ti-Co焊丝的制备方法与坡口形式。
背景技术
铜-钢双金属爆炸复合结构，同时兼有铜良好的导电、导热性及钢材料良好的焊接稳定性等优点，满足当今工程领域对材料高性能的要求。但是，当对铜-钢复合板进行对接连接时，由于铜和钢之间的热物理性能差异较大，导致其焊接连接困难。前期研究表明，在进行铜/钢焊接时，少量的铜元素进入钢焊缝会导致钢焊缝出现严重的沿晶开裂缺陷。因此，为了抑制铜-钢复合板对接连接时的开裂问题，需要开发合适的过渡层焊材，通过合金元素的调控，实现钢层和铜层的高质量的连接。与此同时，还需要制定合适的焊接工艺，尤其是根据复合板的尺寸特点设计合适的坡口形式，保证铜-钢复合板连接时的质量与效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种Ni-Cr-Al-Ti-Co焊丝，专门用于铜-钢爆炸复合板对接焊接过程中过渡层的焊接，可有效解决铜-钢复合板焊接过程中焊缝开裂的问题。
本发明的第二个目的是提供一种Ni-Cr-Al-Ti-Co焊丝的制备方法。
本发明的第三个目的是提供一种采用Ni-Cr-Al-Ti-Co焊丝焊接铜-钢复合板时的坡口形式。
本发明所采用的技术方案是，一种Ni-Cr-Al-Ti-Co焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Cr粉20.0～30.0％，Al粉10.0～20.0％，Ti粉10.0～20.0％，Co粉为5.0～10.0％，其余为Ni，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特征还在于，
各个药粉的粒度均为100-200目。
焊皮为纯镍带，纯镍带厚度为0.4mm，宽度为7mm；该药芯焊丝的填充率控制在25wt.％-30wt.％。
本发明所采用的第二种技术方案是，一种Ni-Cr-Al-Ti-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以下药粉：Cr粉20.0～30.0％，Al粉10.0～20.0％，Ti粉10.0～20.0％，Co粉为5.0～10.0％，其余为Ni，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为200～300℃，保温时间为2-3h，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，混合时间为3-4h；
步骤3：采用纯镍带为焊皮，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2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm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。
本发明的特征还在于，
步骤1中，各个药粉的粒度均为100-200目。
步骤3中，纯镍带厚度为0.4mm，宽度为7mm；该药芯焊丝的填充率控制在25wt.％-30wt.％。
本发明所采用的第三种技术方案是，采用上述的一种Ni-Cr-Al-Ti-Co焊丝焊接铜-钢复合板时的坡口形式，铜-钢复合板开单边V形坡口，其中铜侧坡口角度为60°，钢侧坡口角度为60°，铜侧在界面处的伸出长度为1-1.5mm。
本发明的有益效果是：
(1)本发明焊丝适用于铜-钢复合板过渡层的焊接，可有效解决铜-钢复合板焊接过程中焊缝开裂的问题。
(2)本发明药芯焊丝，其合金元素以Ni为主，利用Ni与Cu、Ni与Fe之间优异的焊接性。在药粉中添加了Cr、Al、Ti和Co元素，其中Cr元素的作用是提高熔池流动性、降低热裂敏感性；Al和Ti元素都有形成弥散分布的二次相的作用，提高焊缝的强度；Co元素有提高焊缝的高温稳定性的作用。
(3)通过药粉配比可以灵活的调整铜-钢复合板过渡层用镍铬基焊丝的成分；相比于实心焊丝，药芯焊丝的熔覆效率更高。
(4)本发明所设计的坡口形式，焊接操作简单，适合批量流水线作业。
附图说明
图1为使用本发明焊丝在铜-钢复合板焊接时铜-钢复合板的坡口形式；
图2为使用本发明焊丝在铜-钢复合板焊接时的铜-钢复合板焊接顺序；
图3为实施案例2制备的药芯焊丝焊接铜-钢复合板过渡层时，过渡层焊缝与底部铜焊缝的低倍组织形貌图。
图4为实施案例2制备的药芯焊丝焊接铜-钢复合板过渡层时，过渡层焊缝的高倍组织形貌图。
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Ni-Cr-Al-Ti-Co焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Cr粉20.0～30.0％，Al粉10.0～20.0％，Ti粉10.0～20.0％，Co粉为5.0～10.0％，其余为Ni，以上组分质量百分比之和为100％。
其中，各个药粉的粒度均为100-200目；焊皮为纯镍带，纯镍带厚度为0.4mm，宽度为7mm；该药芯焊丝的填充率控制在25wt.％-30wt.％。
该药芯焊丝中主要合金组分的作用和功能如下：
Ni元素为药芯焊丝的主要合金元素，从Ni-Fe和Ni-Cu二元相图可知，Ni和Fe之间、Ni和Cu之间焊接性均较好，因此过渡层焊缝以Ni为主可以有效起到连接铜焊缝和钢焊缝的作用。与此同时，Ni是一种既能提高焊缝的强度又使焊缝具有良好的塑韧性的合金元素。
Cr元素作为药芯焊丝药粉的主要合金元素，能够减少焊缝中γ相的形成，稳定α相，从而可以降低焊缝的热裂敏感性。Cr元素和Ni元素之间的焊接性较好，当熔池中以Ni和Cr为主时，其熔池的流动性较好。与此同时，Cr和Ni的熔点较接近，有利于避免热裂纹的形成。
Al元素作为药芯焊丝药粉的合金元素，Al可以提高焊缝的抗氧化性，但铝含量添加不易过高，否则会降低焊缝的强度和韧性。
Ti作为药芯焊丝药粉的合金元素，Ti和Al元素在镍基焊缝中是形成γ’的主要元素，γ’在镍基体中弥散分布，可以起到强化作用。
Co作为药芯焊丝药粉的合金元素，Co能降低Al、Ti在镍基体中的溶解度，提高合金中强化相的数量。
本发明还提供一种上述Ni-Cr-Al-Ti-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以下药粉：Cr粉20.0～30.0％，Al粉10.0～20.0％，Ti粉10.0～20.0％，Co粉为5.0～10.0％，其余为Ni，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤1中，各个药粉的粒度均为100-200目；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为200～300℃，保温时间为2-3h，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，混合时间为3-4h；
步骤3：采用纯镍带为焊皮，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2.6mm；
步骤3中，纯镍带厚度为0.4mm，宽度为7mm；该药芯焊丝的填充率控制在25wt.％-30wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm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。
本发明还提供采用上述的一种Ni-Cr-Al-Ti-Co焊丝焊接铜-钢复合板时的坡口形式，铜-钢复合板开单边V形坡口，其中铜侧坡口角度为60°，钢侧坡口角度为60°，铜侧在界面处的伸出长度为1-1.5mm。
实施例1
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Cr粉20.0％，Al粉10.0％，Ti粉10.0％，Co粉为5.0％，其余为Ni，以上组分质量百分比之和为100％；步骤1中，各个药粉的粒度均为100目；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为300℃，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，混合时间为3h；
步骤3：采用纯镍带为焊皮，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2.6mm；该药芯焊丝的填充率控制在25wt.％；纯镍带厚度为0.4mm，宽度为7mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0mm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制备的药芯焊丝焊接铜-钢复合板，其中复合板开单边V形坡口，其中铜侧坡口角度为60°，钢侧坡口角度为60°，铜侧在界面处的伸出长度为1mm。坡口尺寸如图1所示。复合板焊接顺序如图2所示：首先进行铜层的焊接，焊接材料为ERCuSi-Al(直径1.2mm)，接电流为200～250A；接着进行过渡层的焊接，采用本发明的药芯焊丝，焊接电流为140～160A；最后进行钢侧的焊接，焊接材料为ER50-6焊丝(直径1.2mm)，焊接电流为150～160A。
经测试，铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为402MPa，延伸率为15％。
实施例2
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Cr粉30.0％，Al粉20.0％，Ti粉20.0％，Co粉为10.0％，其余为Ni，以上组分质量百分比之和为100％。步骤1中，各个药粉的粒度均为200目；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为300℃，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，混合时间为3h；
步骤3：采用纯镍带为焊皮，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2.6mm；该药芯焊丝的填充率控制在30wt.％；纯镍带厚度为0.4mm，宽度为7mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径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制备的药芯焊丝焊接铜-钢复合板，其中复合板开单边V形坡口，其中铜侧坡口角度为60°，钢侧坡口角度为60°，铜侧在界面处的伸出长度为1mm。坡口尺寸如图1所示。复合板焊接顺序如图2所示：首先进行铜层的焊接，焊接材料为ERCuSi-Al(直径1.2mm)，接电流为200～250A；接着进行过渡层的焊接，采用本实施例的药芯焊丝，焊接电流为140～160A；最后进行钢侧的焊接，焊接材料为ER50-6焊丝(直径1.2mm)，焊接电流为150～160A。
经测试，铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为412MPa，延伸率为16％。
实施例2制备得到的镍铬基焊丝焊接铜-钢复合板过渡层。过渡层焊缝与铜焊缝界面的低倍形貌如图3所示，过渡层焊缝与钢焊缝之间结合良好，未发现裂纹、气孔等缺陷。过渡层焊缝的显微组织如图4所示，主要为胞状树枝晶，组织分布均匀。
实施例3
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Cr粉25.0％，Al粉15.0％，Ti粉15.0％，Co粉为10.0％，其余为Ni，以上组分质量百分比之和为100％。步骤1中，各个药粉的粒度均为100目；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其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，混合时间为4h；
步骤3：采用纯镍带为焊皮，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2.6mm；该药芯焊丝的填充率控制在25wt.％；纯镍带厚度为0.4mm，宽度为7mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0mm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制备的药芯焊丝焊接铜-钢复合板，其中复合板开单边V形坡口，其中铜侧坡口角度为60°，钢侧坡口角度为60°，铜侧在界面处的伸出长度为1mm。坡口尺寸如图1所示。复合板焊接顺序如图2所示：首先进行铜层的焊接，焊接材料为ERCuSi-Al(直径1.2mm)，接电流为200～250A；接着进行过渡层的焊接，采用本发明的药芯焊丝，焊接电流为140～160A；最后进行钢侧的焊接，焊接材料为ER50-6焊丝(直径1.2mm)，焊接电流为150～160A。
经测试，铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为385MPa，延伸率为19％。
实施例4
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Cr粉30.0％，Al粉10.0％，Ti粉15.0％，Co粉为7.0％，其余为Ni，以上组分质量百分比之和为100％。步骤1中，各个药粉的粒度均为200目；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为280℃，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，混合时间为3.5h；
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2.6mm；该药芯焊丝的填充率控制在28wt.％；纯镍带厚度为0.4mm，宽度为7mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0mm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制备的药芯焊丝焊接铜-钢复合板，其中复合板开单边V形坡口，其中铜侧坡口角度为60°，钢侧坡口角度为60°，铜侧在界面处的伸出长度为1mm。坡口尺寸如图1所示。复合板焊接顺序如图2所示：首先进行铜层的焊接，焊接材料为ERCuSi-Al(直径1.2mm)，接电流为200～250A；接着进行过渡层的焊接，采用本发明的药芯焊丝，焊接电流为140～160A；最后进行钢侧的焊接，焊接材料为ER50-6焊丝(直径1.2mm)，焊接电流为150～160A。
经测试，铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为421MPa，延伸率为13％。
实施例5
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Cr粉26.0％，Al粉14.0％，Ti粉10.0％，Co粉为6.0％，其余为Ni，以上组分质量百分比之和为100％。步骤1中，各个药粉的粒度均为100目；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为300℃，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，混合时间为3h；
步骤3：采用纯镍带为焊皮，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2.6mm；该药芯焊丝的填充率控制在25wt.％；纯镍带厚度为0.4mm，宽度为7mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0mm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制备的药芯焊丝焊接铜-钢复合板，其中复合板开单边V形坡口，其中铜侧坡口角度为60°，钢侧坡口角度为60°，铜侧在界面处的伸出长度为1.5mm。坡口形式如图1所示。复合板焊接顺序如图2所示：首先进行铜层的焊接，焊接材料为ERCuSi-Al(直径1.2mm)，接电流为200～250A；接着进行过渡层的焊接，采用本发明的药芯焊丝，焊接电流为140～160A；最后进行钢侧的焊接，焊接材料为ER50-6焊丝(直径1.2mm)，焊接电流为150～160A。
经测试，铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为390MPa，延伸率为12％。

Claims (7)

1.一种Ni-Cr-Al-Ti-Co焊丝，其特征在于，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Cr粉20.0～30.0％，Al粉10.0～20.0％，Ti粉10.0～20.0％，Co粉为5.0～10.0％，其余为Ni，以上组分质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的一种Ni-Cr-Al-Ti-Co焊丝，其特征在于，各个药粉的粒度均为100-200目。
3.根据权利要求1所述的一种Ni-Cr-Al-Ti-Co焊丝，其特征在于，焊皮为纯镍带，纯镍带厚度为0.4mm，宽度为7mm；该药芯焊丝的填充率控制在25wt.％-30wt.％。
4.一种Ni-Cr-Al-Ti-Co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以下药粉：Cr粉20.0～30.0％，Al粉10.0～20.0％，Ti粉10.0～20.0％，Co粉为5.0～10.0％，其余为Ni，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为200～300℃，保温时间为2-3h，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，混合时间为3-4h；
步骤3：采用纯镍带为焊皮，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2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm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。
5.根据权利要求4所述的一种Ni-Cr-Al-Ti-Co焊丝的制备方法，其特征在于，步骤1中，各个药粉的粒度均为100-200目。
6.根据权利要求4所述的一种Ni-Cr-Al-Ti-Co焊丝的制备方法，其特征在于，步骤3中，纯镍带厚度为0.4mm，宽度为7mm；该药芯焊丝的填充率控制在25wt.％-30wt.％。
7.采用如权利要求1-3任意一项所述的一种Ni-Cr-Al-Ti-Co焊丝焊接铜-钢复合板时的坡口形式，其特征在于，铜-钢复合板开单边V形坡口，其中铜侧坡口角度为60°，钢侧坡口角度为60°，铜侧在界面处的伸出长度为1-1.5mm。
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