CN114951999A - 一种提高钼及钼合金熔化焊焊缝强度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高钼及钼合金熔化焊焊缝强度的方法，包括以下步骤：1)对待焊工件的待焊接区域进行表面清洁处理；2)在待焊接区域预置铌层；3)将待焊接工件放置在惰性气体或真空环境中完成待焊工件的焊接；4)焊接完成后，将工件继续放置在惰性气体或真空环境中直至冷却至室温，完成工件熔化焊焊缝的微合金化。该方法能够降低焊缝晶界处二氧化钼的数量，同时还能够为晶界处提供一定尺寸和数量的第二相颗粒，明显提高钼及钼合金熔化焊焊缝的强度。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及到一种提高钼及钼合金熔化焊焊缝强度的方法。
背景技术
钼及钼合金具有化学性质稳定、高温强度高、耐腐蚀等优点，是一种比较理想的燃料包壳材料。但是其焊接性差，接头强度低。通常情况下，钼及钼合金熔化焊接头抗拉强度最高只能达到母材30％-50％左右。接头抗拉强度降低的本质是焊缝中偏析在钼晶界处的氧元素与钼元素结合形成的二氧化钼相导致的钼晶界结合强度降低。以上问题已严重制约了钼及钼合金在核电领域的应用进程。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种提高钼及钼合金熔化焊焊缝强度的方法，本发明能够显著提高钼及钼合金熔化焊焊缝的强度。
本发明采用的技术方案如下：
一种提高钼及钼合金熔化焊焊缝强度的方法，包括如下过程：
在待焊工件的待焊接区域预置铌层；
将设待焊接区域预置有铌层的待焊工件于惰性气体或真空中进行焊接，焊接完成后继续在惰性气体或真空环境中冷却至室温，加工完成。
优选的，在待焊工件的待焊接区域预置铌层前，还包括对待焊工件的待焊接区域进行表面清洁处理，表面清洁处理的过程包括：采用砂纸打磨待焊区域，把打磨后的待焊区域浸泡在丙酮溶液中并进行超声清洗若干次，每次更换新的丙酮溶液，直至待焊接区域表面清洗干净。
优选的，所述待焊工件的材质为钼、钼铼合金、钼钨合金、钛锆钼合金、或者合金元素含量不超过2wt％的钼合金或第二相掺杂量不超过2wt％的钼合金。
优选的，待焊工件的焊缝形式采用对接焊缝或搭接焊缝，其中，对接焊缝的装配间隙不大于0.05毫米；搭接焊缝的搭接宽度不低于0.5毫米，搭接间隙不大于0.05毫米。
优选的，在待焊工件的待焊接区域预置铌层的方法包括预置铌箔、磁控溅射镀铌、电镀铌、喷涂铌或激光熔覆铌。
优选的，将设待焊接区域预置有铌层的待焊工件于惰性气体中进行焊接时，所述惰性气体采用纯度大于99.9％的氩气或氦气。
优选的，将设待焊接区域预置有铌层的待焊工件于真空中进行焊接时，真空度不低于10-2Pa。
优选的，待焊工件焊缝区中最终铌元素含量控制在0.8wt％～1.2wt％。
本发明还提供了一种零件，该零件采用本发明如上所述的提高钼及钼合金熔化焊焊缝强度的方法加工而成。
本发明具有如下有益效果：
本发明提高钼及钼合金熔化焊焊缝强度的方法在具体实施过程中，氧、碳、铌、钼四种元素在焊接热循环过程中的相互作用。当接头焊缝区中添加一定数量的Nb时，随着母材的熔化铌元素会进入熔池；熔池温度降低时，高温相Nb2C(3500℃)会在液相中首先析出；熔池温度进一步降低，钼基体开始凝固伴随着NbO2和MoO2的析出；温度继续降低，NbO2与过量的氧元素结合，生成Nb2O5。假设焊缝中氧含量一定，则氧化铌的生成，首先，减低了自由O的含量，其次，减少了MoO2的数量。而焊缝中Nb2C的存在也能够对晶界起到第二相强化的作用。综上，铌元素微合金化的方法能够明显提高钼及钼合金熔化焊接头的强度。经试验，采用本发明提供的方法后钼及钼合金的熔焊接头的室温最高抗拉强度达到母材的62.7％以上，并且焊缝拉伸断口晶界表面观察到明显的Nb2O5和Nb2C相析出，同时MoO2的分布明显减少。
附图说明
图1(a)为本发明实施例1中钼管的尺寸示意图；
图1(b)为本发明实施例1中端塞的尺寸示意图；
图2(a)为本发明实施例1种添加铌箔的主视图；图2(b)为本发明实施例1种添加铌箔的纵剖图；
图3为本发明实施例1中未采用合金化和采用铌合金化所得激光焊接头的拉伸应力—位移曲线；
图4(a1)为中未采用合金化所得钼合金激光焊接头的断裂位置的第一宏观照片；图4(a2)为中未采用合金化所得钼合金激光焊接头的断裂位置的第二宏观照片；图4(a3)为中未采用合金化所得钼合金激光焊接头的断裂位置的第三宏观照片；
图4(b1)为本发明实施例1中采用铌合金化所得钼合金激光焊接头的断裂位置的第一宏观照片；图4(b2)为本发明实施例1中采用铌合金化所得钼合金激光焊接头的断裂位置的第二宏观照片；图4(b3)为本发明实施例1中采用铌合金化所得钼合金激光焊接头的断裂位置的第三宏观照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细描述：
本发明的目的在于解决钼及钼合金熔化焊过程由于晶界结合强度降低导致的焊缝强度低的问题，提供了一种提高钼及钼合金熔化焊焊缝强度的方法：铌元素微合金化。该方法能够降低焊缝晶界处二氧化钼的数量，同时还能够为晶界处提供一定尺寸和数量的第二相颗粒，所得焊缝的强度较高。降低焊缝中自由氧的含量，降低二氧化钼的数量或采用第二相强化晶界都是提高焊缝强度的有效方法。
具体的，本发明提高钼及钼合金熔化焊焊缝强度的方法包括以下步骤：
1)对待焊工件的待焊接区域进行表面清洁处理：首先，采用砂纸打磨待焊区域，接着，把打磨后的待焊区域浸泡在盛有丙酮溶液的玻璃烧杯中，将该烧杯放在超声清洗机中进行超声清洗3～5次，每次清洗10～15分钟，每次更换新的丙酮溶液。
2)在待焊接区域预置铌层：具体可采用直接预置铌箔、磁控溅射镀铌、电镀铌、喷涂铌或激光熔覆的方式。
3)将待焊接工件放置在惰性气体或真空环境中，采用激光焊、激光电弧复合焊、电子束焊、等离子束焊、氩弧焊中的一种焊接方法完成待焊工件的焊接，其中，当将待焊接工件放置在惰性气体中进行焊接时，所用惰性气体为纯度大于99.9％的氩气或氦气；当将待焊接工件放置在真空环境中进行焊接时，真空室的真空度要求不低于10-2Pa。
4)焊接完成后，将工件继续放置在惰性气体或真空环境中直至冷却至室温，完成工件熔化焊焊缝的微合金化。
本发明提高钼及钼合金熔化焊焊缝强度的方法中，待焊工件的材质可以为钼、钼铼合金、钼钨合金、钛锆钼合金、以及合金元素含量不超过2wt％的钼合金或第二相掺杂量不超过2wt％的钼合金。待焊工件的焊缝形式可以为对接焊缝或搭接焊缝，其中对接焊缝的装配间隙小于0.05毫米；搭接焊缝的搭接宽度不低于0.5毫米，搭接间隙小于0.05毫米。待焊工件焊缝区中最终铌元素含量控制在0.8wt％～1.2wt％。
实施例1
本实施例以铼含量为0.25wt％的氧化铼弥散强化钼合金薄壁管—端塞的激光对接焊为例，具体尺寸如图1(a)和图1(b)所示。焊接之前对钼管和端塞进行表面清洁处理：首先，依次采用200#、400#、600#、1000#、1500#砂纸进行打磨；然后，将打磨完成后的钼管和端塞放在盛有丙酮的玻璃烧杯中，然后将烧杯放在超声清洗机中进行超声清洗；其次，对合金化采用的铌箔放在盛有丙酮溶液的玻璃烧杯中，并将烧杯放在超声清洗机中进行清洗，合金化选用铌箔环的具体尺寸如图2(a)、图2(b)所示；再次，将清洗好的钼端塞带有台阶端插入钼管中，铌箔环预制在钼管-端塞的对接位置处，保证三者紧密装配；最后，将装配好的钼管-端塞放置在高纯氩气保护气氛中，激光功率为1.2kW，离焦量为+2mm，焊接速度为0.5m/min，焊接1圈，焊接完成后的接头在保护气氛中冷却至室温后取出。
按照上述步骤焊接一个不采用铌合金化的钼管-端塞激光焊接头作为对照。对不采用合金化和采用铌合金化所得激光焊接头进行拉伸试验，拉伸结果如图3所示：不采用合金所得激光焊接头的最大抗拉强度为168MPa，采用铌合金所得激光焊接头的最大抗拉强度为424MPa。采用铌合金化所得激光焊接头的最大抗拉强度是未采用合金化的2.5倍。未采用合金化钼管-端塞激光焊接头断裂位置(图中从上至下画出的两条亮实线之间的部分)大部分位于焊缝中央，如图4(a1)～图4(a3)所示；采用铌合金化所得钼管-端塞激光焊接头断裂位置(图中从上至下画出的两条亮实线之间的部分)大部分位于焊缝的熔合线和热影响区附近，如图4(b1)～图4(b3)所示。以上结果表明本发明能够明显改善钼管-端塞激光焊接头的强度。
Claims (9)
1.一种提高钼及钼合金熔化焊焊缝强度的方法，其特征在于，包括如下过程：
在待焊工件的待焊接区域预置铌层；
将设待焊接区域预置有铌层的待焊工件于惰性气体或真空中进行焊接，焊接完成后继续在惰性气体或真空环境中冷却至室温，加工完成。
2.根据权利要求1所述一种提高钼及钼合金熔化焊焊缝强度的方法，其特征在于，在待焊工件的待焊接区域预置铌层前，还包括对待焊工件的待焊接区域进行表面清洁处理，表面清洁处理的过程包括：采用砂纸打磨待焊区域，把打磨后的待焊区域浸泡在丙酮溶液中并进行超声清洗若干次，每次更换新的丙酮溶液，直至待焊接区域表面清洗干净。
3.根据权利要求1所述一种提高钼及钼合金熔化焊焊缝强度的方法，其特征在于，所述待焊工件的材质为钼、钼铼合金、钼钨合金、钛锆钼合金、或者合金元素含量不超过2wt％的钼合金或第二相掺杂量不超过2wt％的钼合金。
4.根据权利要求1所述一种提高钼及钼合金熔化焊焊缝强度的方法，其特征在于，待焊工件的焊缝形式采用对接焊缝或搭接焊缝，其中，对接焊缝的装配间隙不大于0.05毫米；搭接焊缝的搭接宽度不低于0.5毫米，搭接间隙不大于0.05毫米。
5.根据权利要求1所述一种提高钼及钼合金熔化焊焊缝强度的方法，其特征在于，在待焊工件的待焊接区域预置铌层的方法包括预置铌箔、磁控溅射镀铌、电镀铌、喷涂铌或激光熔覆铌。
6.根据权利要求1所述一种提高钼及钼合金熔化焊焊缝强度的方法，其特征在于，将设待焊接区域预置有铌层的待焊工件于惰性气体中进行焊接时，所述惰性气体采用纯度大于99.9％的氩气或氦气。
7.根据权利要求1所述一种提高钼及钼合金熔化焊焊缝强度的方法，其特征在于，将设待焊接区域预置有铌层的待焊工件于真空中进行焊接时，真空度不低于10-2Pa。
8.根据权利要求1所述一种提高钼及钼合金熔化焊焊缝强度的方法，其特征在于，待焊工件焊缝区中最终铌元素含量控制在0.8wt％～1.2wt％。
9.一种零件，其特征在于，该零件采用权利要求1-8任意一项所述的一种提高钼及钼合金熔化焊焊缝强度的方法加工而成。
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