CN114346515A

CN114346515A - 钛-钢电弧增材过渡层用铜-镍基焊丝及其制备方法

Info

Publication number: CN114346515A
Application number: CN202111670148.2A
Authority: CN
Inventors: 张敏; 尚静; 郜雅彦; 曹齐鲁; 李毅
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2041-12-30
Also published as: CN114346515B

Abstract

本发明公开了钛‑钢电弧增材过渡层用铜‑镍基焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比包括：Ni：20％～40％、Si：5％～15％、Mn：5％～10％、Al：10％～20％、P≤0.003％、S≤0.003％，稀土元素为1％，其余为铜粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；本发明还公开了该焊丝的制备方法；该药芯焊丝适用于钛钢层状复合结构过渡层，在常温状态下减少钛钢界面Fe‑Ti化合物的含量，保证其具有较高的韧性。

Description

钛-钢电弧增材过渡层用铜-镍基焊丝及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及钛-钢电弧增材过渡层用铜-镍基焊丝。

本发明还涉及钛-钢电弧增材过渡层用铜-镍基焊丝的制备方法。

背景技术

随着工业技术的发展，对各类材料的性能要求越来越高，单一材料组元已经很难满足现代化生产对材料综合性能的要求。因此材料研究也向着多功能化、高经济性方向发展。钛具有比强度高、抗腐蚀性好、低温性能好等优点，越来越受到机械化工、造船、电力冶金等部门的重视。钢是使用最广的结构材料，具有良好的综合性能，如高强度、优异塑韧性、焊接稳定性好且成本相对较低等优势。金属材料在工程实际应用中会遇到苛刻的工作条件，通常要求一个工程零件同时具备多方面的特殊性能，如比强度、抗腐蚀、抗高温性、经济性等。将钛和钢复合在一起制备钛-钢复合结构，则同时可以解决结构的耐腐蚀、高强度要求且又能保证较低的生产成本。但是，钛和钢之间的热物理性能差异较大，并极易形成脆性的金属间化合物，从而降低接头的连接性能。因此针对已知的影响因素选择合理的焊接工艺，并通过选择合适的焊材得到强韧性俱佳的焊缝组织是一个巨大的难题。

发明内容

本发明的目的是提供钛-钢电弧增材过渡层用铜-镍基焊丝，该焊丝适用于电弧增材钛钢复合结构的过渡层焊接，并且能够降低其界面生成的脆性相Fe-Ti化合物的含量，使其焊接接头具有较高的强度和韧性。

本发明的另一个目的是提供钛-钢电弧增材过渡层用铜-镍基焊丝的制备方法。

本发明所采用的第一个技术方案是，钛-钢电弧增材过渡层用铜-镍基焊丝，包括药芯和焊皮；所述药芯按质量百分比包括Ni：20％～40％、Si：5％～15％、Mn：5％～10％、Al：10％～20％、P≤0.003％、S≤0.003％，稀土元素为1％，其余为铜粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％。

本发明第一个技术方案的特点还在于：

其中焊皮为T2紫铜带；

其中焊丝中药芯的填充率为15.5wt％～16.5wt％；

本发明还提供了钛-钢电弧增材过渡层用铜-镍基焊丝的制备方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，按质量百分比分别称取：Ni：20％～40％、Si：5％～15％、Mn：5％～10％、Al：10％～20％、P≤0.003％、S≤0.003％，稀土元素为1％，其余为铜粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；

步骤2，将步骤1称取的各个原料粉末在惰性气体氛围中加热并保温一段时间；

步骤3，将步骤2加热后的各个原料粉末在混料机中进行干混，混合均匀；

步骤4，然后将混合均匀的原料药粉加入黏结剂进行造粒；造粒的粒径为124～420μm；

步骤5，造粒完成后药粉颗粒在700℃烧结并保温1h～3h，然后冷却、进行破碎，筛分并选取150～250μm的药粉颗粒；

步骤6，通过药芯焊丝制丝机把步骤5筛分后药粉颗粒包裹在T2紫铜带内，并采用成型机将紫铜带闭合，得到焊丝半成品，用丙酮擦拭干净再进行拉拔，拉拔至直径为1.2mm；

步骤7，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装。

本发明第二个技术方案的特点还在于：

其中步骤2中，惰性气氛为氩气；加热温度为：200℃；保温时间为：1h～3h；

其中步骤3中各个原料粉末的粒径不大于124μm；

其中步骤4中，黏结剂与混合均匀的原料粉末的质量比为：5：95；黏结剂为钾钠水玻璃。

本发明的有益效果是

(1)本发明铜-镍药芯焊丝用于钛钢层状结构过渡层的焊接，降低钛钢复合界面Fe-Ti化合物脆性相的含量，使其具有较高强度和良好韧性的焊接接头，满足实际工程应用；

(2)本发明药芯焊丝具有很好的焊接工艺性，稳弧性好，焊接飞溅少，焊缝成形美观；

(3)本发明药芯焊丝的制备方法：工艺简洁、可操作性强、成本低适合批量化生产。

附图说明

图1是本发明钛-钢电弧增材过渡层用铜-镍基焊丝的制备方法中采用实施例2制备得到的气保护药芯焊丝焊接钛钢复合结构的界面熔敷金属金相组织图。

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。

本发明提供用于钛钢复合结构过渡层用熔敷金属气保护铜-镍药芯焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Ni：20％～40％、Si：5％～15％、Mn：5％～10％、Al：10％～20％、P≤0.003％、S≤0.003％，稀土元素为1％，其余为铜粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；

焊皮为T2紫铜带，紫铜带尺寸为7mm×0.2mm；药芯焊丝中药芯的填充率为15.5wt％～16.5wt％。

药芯粉末中各个组分的作用是：

Cu：由于Cu元素为fcc面心立方结构，滑移系较多，塑性变形能力强，不但不与基层钢形成金属间化合物脆性相，并且可以改变钛钢复合结构过渡层组织形貌。铜做为中间层，对钛和铁元素形成金属间化合物有一定的隔离作用，在焊缝中，钛和铁的金属间化合物层被钛和铜的金属间化合物代替，使焊缝的塑性和韧性有一定的提高，由于钛和铜的金属间化合物相对较软，使得焊缝中的热应力相对减少，可以防止焊缝裂纹的产生。铜的固溶体可以打断钛和铁的金属间化合物，并且可以减少焊缝的硬度。

Ni：镍在铁中有着很高的固溶度。温度为900℃时，铁-镍化合物可以生成。钛-镍之间也可以生成化合物，如Ti₂Ni、Ti₃Ni、TiNi等。与铁-钛化合物相比，镍-钛化合物具有更优良的塑性，能够承受较大的变形而不开裂，这能够提高复合结构界面的结合强度，防止界面在变形过程中过早开裂。

Al：铝元素可以细化铁基固溶体的晶粒，提高熔覆金属的综合力学性能。

Mn：可以增加奥氏体的稳定性，在熔敷金属冷却时，Mn元素会抑制奥氏体向珠光体转变，细化组织晶粒，从而增加焊缝金属的屈服强度和抗拉强度。

Si：硅元素具有脱氧和提高熔敷金属强度的作用，但是Si的固溶强化作用较强，会导致熔敷金属的低温韧性下降，因此加入Si的含量要合理控制。

S、P：合金中磷和硫为杂质元素，在焊缝金属中过多存在时，使焊缝金属的韧性和延展性恶化，容易诱发高温裂纹，所以要尽量减少这两个元素的含量。

本发明还提供该药芯焊丝的制备方法，具体步骤如下：

步骤1，按质量百分比分别称取：Ni：20％～40％、Si：5％～15％、Mn：5％～10％、Al：10％～20％、P≤0.003％、S≤0.003％，稀土元素为1％，其余为铜粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％。

步骤2，将步骤1称取的各个原料粉末在惰性气体氛围中加热并保温一段时间；使用的惰性气氛为氩气；加热温度为：200℃；保温时间为：2h；

步骤3，将步骤2加热后的各个原料粉末在混料机中进行干混，混合均匀；各个原料粉末的粒径不大于124μm；

步骤4，然后将混合均匀的原料药粉加入适量的黏结剂进行造粒；造粒的粒径控制在124～420μm；黏结剂与混合均匀的原料粉末的质量比为：5：95；黏结剂为钾钠水玻璃；

步骤5，造粒完成后药粉颗粒在700℃烧结并保温2h，然后冷却、进行破碎，筛分并选取150～250μm的药粉颗粒；

步骤6，通过药芯焊丝制丝机把步骤5筛分后药粉颗粒包裹在紫铜带内，并采用成型机将紫铜带闭合，得到焊丝半成品，用丙酮擦拭干净再进行拉拔，拉拔至直径为1.2mm；药芯焊丝中药芯的填充率为15.5wt％～16.5wt％；铜带尺寸为7mm×0.2mm；

实施例1

步骤1，按质量百分比分别称取5％的Si、5％的Mn、20％的Ni、10％的Al、0.003％的S、0.003％的P，其余为铜粉，以上组分质量百分比之和为100％。

步骤2，将步骤1称取的各个原料粉末在惰性气体氛围中加热并保温一段时间；使用的惰性气氛为氩气；加热温度为：200℃；保温时间为：2h。

步骤6，通过药芯焊丝制丝机把步骤5筛分后药粉颗粒包裹在紫铜带内，并采用成型机将紫铜带闭合，得到焊丝半成品，用丙酮擦拭干净再进行拉拔，拉拔至直径为1.2mm；药芯焊丝中药芯的填充率为15.5wt％；

实施例1制备的药芯焊丝的堆焊焊接工艺为：采用钨极非熔化惰性气体保护焊(TIG)，焊接电流为140A，电压为8V，保护气体为纯氩气。该焊丝焊接时电弧稳定、飞溅小、焊道平滑光亮、无气孔、裂纹等缺陷，所得到的钛钢复合结构界面过渡层熔敷金属的抗拉强度为600MPa，室温下0℃下冲击功为55J，性能满足钛-钢复合结构的使用要求。

实施例2

步骤1，按质量百分比分别称取10％的Si、6％的Mn、25％的Ni、12％的Al、0.003％的S、0.003％的P，其余为铜粉，以上组分质量百分比之和为100％。

步骤6，通过药芯焊丝制丝机把步骤5筛分后药粉颗粒包裹在紫铜带内，并采用成型机将紫铜带闭合，得到焊丝半成品，用丙酮擦拭干净再进行拉拔，拉拔至直径为1.2mm；药芯焊丝中药芯的填充率为16.5wt％；

实施例2制备的药芯焊丝的焊接工艺为：采用的是钨极惰性气体保护焊(TIG)，焊接电流为140A，电压为8V，保护气体为纯氩气。该焊丝焊接时电弧稳定，飞溅小，焊道平滑光亮，无气孔、裂纹等缺陷，所得到的过渡层熔敷金属的抗拉强度为610MPa，0℃下冲击功为55J，性能满足钛-钢复合结构的使用要求；对接头进行金相组织观察(如图1所示)。图1为钢层与近钢层、钛层与近钛层的金相组织。

实施例3

步骤1，按质量百分比分别称取12％的Si、8％的Mn、35％的Ni、15％的Al、0.003％的S、0.003％的P，其余为铜粉，以上组分质量百分比之和为100％；

步骤6，通过药芯焊丝制丝机把步骤5筛分后药粉颗粒包裹在紫铜带内，并采用成型机将紫铜带闭合，得到焊丝半成品，用丙酮擦拭干净再进行拉拔，拉拔至直径为1.2mm；药芯焊丝中药芯的填充率为16wt％；

步骤7，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装；

实施例3制备的药芯焊丝的焊接工艺为：采用的是钨极惰性气体保护焊(TIG)，焊接电流为140A，电压为8V，不加保护气体。该焊丝焊接时电弧稳定，飞溅小，焊道平滑光亮，无气孔、裂纹等缺陷，所得到的过渡层熔敷金属的抗拉强度为560MPa，0℃下冲击功为34J，性能满足钛-钢复合结构的使用要求。

实施例4

步骤1，按质量百分比分别称取15％的Si、10％的Mn、40％的Ni、20％的Al、0.003％的S、0.003％的P，其余为铜粉，以上组分质量百分比之和为100％。

实施例4制备的药芯焊丝的焊接工艺为：采用的是钨极惰性气体保护焊(TIG)，焊接电流为140A，电压为8V，保护气体为纯氩气。该焊丝焊接时电弧稳定，飞溅小，焊道平滑光亮，无气孔、裂纹等缺陷，所得到的过渡层熔敷金属的抗拉强度为523Mpa，0℃下冲击功为44J，性能满足钛-钢复合结构的使用要求。

Claims

1.钛-钢电弧增材过渡层用铜-镍基焊丝，其特征在于，包括药芯和焊皮；所述药芯按质量百分百包括Ni：20％～40％、Si：5％～15％、Mn：5％～10％、Al：10％～20％、P≤0.003％、S≤0.003％，稀土元素为1％，其余为铜粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％。

2.根据权利要求1所述的钛-钢电弧增材过渡层用铜-镍基焊丝，其特征在于，所述焊皮为T2紫铜带。

3.根据权利要求1所述的钛-钢电弧增材过渡层用铜-镍基焊丝，其特征在于，焊丝中药芯的填充率为15.5wt％～16.5wt％。

4.钛-钢电弧增材过渡层用铜-镍基焊丝的制备方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：

5.根据权利要求4所述的钛-钢电弧增材过渡层用铜-镍基焊丝的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，惰性气氛为氩气；加热温度为：200℃；保温时间为：1h～3h。

6.根据权利要求4所述的钛-钢电弧增材过渡层用铜-镍基焊丝的制备方法，其特征在于，所述步骤3中各个原料粉末的粒径不大于124μm。

7.根据权利要求4所述的钛-钢电弧增材过渡层用铜-镍基焊丝的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，黏结剂与混合均匀的原料粉末的质量比为：5：95；黏结剂为钾钠水玻璃。