CN115570295B - 一种钛铝异种金属焊接用焊丝及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属焊接技术领域，具体为一种钛铝异种金属焊接用焊丝及其制备工艺，采用全新组成的焊丝，其组成简单，且不含贵金属元素，更无需配合真空工艺；钛铝异种金属焊接后的焊缝表面平整、不开裂，焊缝力学性能明显改善，抗拉强度≥250MPa，断后伸长率≥6.5％，便于大规模工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及金属焊接技术领域，具体为一种钛铝异种金属焊接用焊丝及其制备工艺。
背景技术
铝合金和钛合金为常见的轻合金，在多个工业领域中广泛应用，而铝合金/钛合金的连接结构具有轻量化的优势，能够发挥二者的综合性能优势，在航空航天、轨道交通等领域中具有广阔的应用前景和重要的应用价值。但是，由于铝合金与钛合金的热物理性能、化学性能差异巨大，尤其是铝与钛焊接连接时极易导致焊缝力学性能明显降低，因此二者的焊接十分困难。
中国专利CN11051093A、CN105382398A、CN103084714A等公开了钛合金和铝合金焊接用焊丝，但是其需要加入贵金属或需要配合真空工艺或成分复杂，无法满足大规模工业化生产。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种钛铝异种金属焊接用焊丝及其制备工艺。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种钛铝异种金属焊接用焊丝，包括包覆层和芯材，所述芯材按重量百分比计，其成分为：Si 1.4-2.1％，Mn 2.2-2.5％，纳米碳化硼3.2-4.6％，余量为Al和不可避免的杂质。
作为本发明所述的一种钛铝异种金属焊接用焊丝的优选方案，其中：所述包覆层的材质为纯铝。
作为本发明所述的一种钛铝异种金属焊接用焊丝的优选方案，其中：所述包覆层的厚度为0.2-0.6mm，优选的，所述包覆层的厚度为0.3-0.5mm。
作为本发明所述的一种钛铝异种金属焊接用焊丝的优选方案，其中：所述焊丝的直径为1.5-5.0mm，优选的，所述焊丝的直径为2.0-3.0mm。
作为本发明所述的一种钛铝异种金属焊接用焊丝的优选方案，其中：所述纳米碳化硼的粒径为20-60nm，优选的，所述纳米碳化硼的粒径为20-40nm。
作为本发明所述的一种钛铝异种金属焊接用焊丝的优选方案，其中：所述芯材按重量百分比计，其成分为：Si 1.6-2.0％，Mn 2.3-2.5％，纳米碳化硼3.4-4.3％，余量为Al和不可避免的杂质。
作为本发明所述的一种钛铝异种金属焊接用焊丝的优选方案，其中：所述芯材按重量百分比计，其成分为：Si 1.6-1.9％，Mn 2.3-2.4％，纳米碳化硼3.5-4.1％，余量为Al和不可避免的杂质。
作为本发明所述的一种钛铝异种金属焊接用焊丝的优选方案，其中：所述芯材按重量百分比计，其成分为：Si 1.8％，Mn 2.3％，纳米碳化硼3.7％，余量为Al和不可避免的杂质。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种钛铝异种金属焊接用焊丝的制备工艺，包括如下步骤：
S1、根据上述芯材的成分制备芯材粉末；
S2、将芯材粉末放入准备好的包覆层原料中；
S3、挤压拉拔得到焊丝。
一种上述钛铝异种金属焊接用焊丝或钛铝异种金属焊接用焊丝的制备工艺制备得到的焊丝在钛铝异种金属焊接时的应用。
本发明的有益效果如下：
本发明提出一种钛铝异种金属焊接用焊丝及其制备工艺，采用全新组成的焊丝，其组成简单，且不含贵金属元素，更无需配合真空工艺；钛铝异种金属焊接后的焊缝表面平整、不开裂，焊缝力学性能明显改善，抗拉强度≥250MPa，断后伸长率≥6.5％，便于大规模工业生产。
具体实施方式
下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种钛铝异种金属焊接用焊丝，包括包覆层和芯材，所述芯材按重量百分比计，其成分为：Si 1.4-2.1％，Mn 2.2-2.5％，纳米碳化硼3.2-4.6％，余量为Al和不可避免的杂质。
本发明通过调整焊丝组成，采用包覆层进行焊丝芯材的保护，包覆层的存在可以减少焊接芯材破损损坏；且焊丝的芯材成分组成简单，无需包含例如CN11051093A中的Ag贵金属元素，也无需如CN103084714A中需要加入多种合金元素，芯材中含有一定量的Si和Mn元素，Si和Mn元素的加入可以降低整个芯材的熔点，方便芯材在低温条件下熔化以类似胶条的形式实现钛铝异种金属的焊接，不仅能够降低由于高温焊接导致的铝基材的消耗，也降低了焊缝中Ti-Al金属间化合物的形成；同时，在芯材中加入一定量的粒径为20-60nm的纳米碳化硼，充分利用纳米碳化硼的导热性和高硬度，在焊缝区域形成形核质点，便于焊缝区域晶粒细化，且纳米碳化硼也可以降低铝基材被氧气的消耗，可以在大气环境下实现焊接，无需如CN105382398A需要在真空环境下实现焊接，本发明所述焊丝易于制备且便于工业化生产。
所述包覆层的材质为纯铝，所述包覆层的厚度为0.2-0.6mm，优选的，所述包覆层的厚度为0.3-0.5mm。具体的，所述包覆层的厚度为例如但不限于0.2mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm、0.6mm中的任意一者或任意两者之间的范围。
所述焊丝的直径为1.5-5.0mm，优选的，所述焊丝的直径为2.0-3.0mm。具体的，所述焊丝的直径为例如但不限于1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm中的任意一者或任意两者之间的范围。
所述纳米碳化硼的粒径为20-60nm，优选的，所述纳米碳化硼的粒径为20-40nm。具体的，所述纳米碳化硼的粒径为例如但不限于20nm、30nm、40nm、50nm、60nm中的任意一者或任意两者之间的范围。
优选的，所述芯材按重量百分比计，其成分为：Si 1.6-2.0％，Mn 2.3-2.5％，纳米碳化硼3.4-4.3％，余量为Al和不可避免的杂质；进一步优选的，所述芯材按重量百分比计，其成分为：Si 1.6-1.9％，Mn 2.3-2.4％，纳米碳化硼3.5-4.1％，余量为Al和不可避免的杂质。进一步优选的，所述芯材按重量百分比计，其成分为：Si 1.8％，Mn 2.3％，纳米碳化硼3.7％，余量为Al和不可避免的杂质。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种钛铝异种金属焊接用焊丝的制备工艺，包括如下步骤：
S1、根据上述芯材的成分制备芯材粉末；
S2、将芯材粉末放入准备好的包覆层原料中；
S3、挤压拉拔得到焊丝。
本发明对于焊丝的制备工艺并无特殊要求，采用本领域常用的制备工艺即可，只要能制备得到本发明所述组成的焊丝即可。
以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。
采用上述工艺制备本发明各实施例和对比例所述焊丝(各实施例和对比例所述焊丝均采用0.3mm的纯铝)，本发明的各实施例和对比例的焊丝的组成如表1所示。
表1本发明实施例和对比例的焊丝的组成
采用本发明的各实施例和对比例的焊丝进行钛铝异种金属的焊接，焊接焊缝的成形质量及力学性能如表2所示。
表2焊缝的成形质量及力学性能
| 成形质量 | 抗拉强度(MPa) | 延伸率(％) | |
| 实施例1 | 表面平整、不开裂 | 261 | 7.1 |
| 实施例2 | 表面平整、不开裂 | 253 | 6.8 |
| 实施例3 | 表面平整、不开裂 | 258 | 6.9 |
| 实施例4 | 表面平整、不开裂 | 256 | 6.8 |
| 对比例1 | 表面不平整、开裂 | 213 | 4.7 |
| 对比例2 | 表面不平整、开裂 | 219 | 4.8 |
| 对比例3 | 表面平整、不开裂 | 193 | 4.2 |
| 对比例4 | 表面平整、开裂 | 201 | 4.2 |
| 对比例5 | 表面不平整、开裂 | 195 | 4.0 |
| 对比例6 | 表面平整、不开裂 | 172 | 3.5 |
| 对比例7 | 表面平整、不开裂 | 187 | 3.8 |
由本发明各实施例和对比例可以看出，本发明通过调整焊丝组成，采用包覆层进行焊丝芯材的保护，包覆层的存在可以减少焊接芯材破损损坏；且焊丝的芯材成分组成简单，芯材中含有一定量的Si和Mn元素，Si和Mn元素的加入可以降低整个芯材的熔点，方便芯材在低温条件下熔化以类似胶条的形式实现钛铝异种金属的焊接，不仅能够降低由于高温焊接导致的铝基材的消耗，也降低了焊缝中Ti-Al金属间化合物的形成；同时，在芯材中加入一定量的粒径为20-60nm的纳米碳化硼，充分利用纳米碳化硼的导热性和高硬度，在焊缝区域形成形核质点，便于焊缝区域晶粒细化，且纳米碳化硼也可以降低铝基材被氧气的消耗，可以在大气环境下实现焊接，结合表1-2可以看出，本发明实施例的焊缝表面平整不开裂、抗拉强度≥250MPa，延伸率≥6.5％，焊缝力学性能明显改善，便于工业化生产。
但是如果焊丝不包含Si或Mn元素(如对比例1-2)，则会导致焊丝熔化温度的提高，一来导致铝基体的消耗，二来会由于Al的扩散而导致Ti-Al金属间化合物在焊缝中的形成，Ti-Al金属间化合物为脆性相，会引起焊缝开裂，且会导致焊缝力学性能的恶化；如果焊丝不包含纳米碳化硼(如对比例3)，虽然Si和Mn元素的存在会避免Ti-Al金属间化合物在焊缝中的形成，但是由于纳米碳化硼的缺失，焊接后的焊缝的抗拉强度相对于实施例1降低了26％左右，延伸率相对于实施例1降低了40％左右；如果采用相对于本发明芯材的更大或更少量的Si或Mn元素(如对比例4-5)，则虽然过量的元素可以避免Ti-Al金属间化合物的形成，但是过量的元素聚集会导致焊缝组织不均匀，引起焊缝开裂，恶化焊缝力学性能；同时，不足量的元素将不足以降低焊丝熔点而由于Al的扩散导致Ti-Al金属间化合物的形成，引起焊缝开裂，恶化焊缝力学性能；对于焊丝芯材含有纳米碳化硼，但是含量或粒径不在本发明所述范围(如对比例6-7)的情形，类似于对比例3，虽然Si和Mn元素的存在会避免Ti-Al金属间化合物在焊缝中的形成，但是由于纳米碳化硼的作用未能发挥，导致力学性能降低，不能满足基本要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种钛铝异种金属焊接用焊丝，包括包覆层和芯材，所述芯材按重量百分比计，其成分为：Si 1.4-2.1％，Mn 2.2-2.5％，纳米碳化硼3.2-4.6％，余量为Al和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，所述包覆层的材质为纯铝。
3.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，所述包覆层的厚度为0.2-0.6mm。
4.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，所述焊丝的直径为1.5-5.0mm。
5.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，所述纳米碳化硼的粒径为20-60nm。
6.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，所述芯材按重量百分比计，其成分为：Si1.6-2.0％，Mn 2.3-2.5％，纳米碳化硼3.4-4.3％，余量为Al和不可避免的杂质。
7.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，所述芯材按重量百分比计，其成分为：Si1.6-1.9％，Mn 2.3-2.4％，纳米碳化硼3.5-4.1％，余量为Al和不可避免的杂质。
8.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，所述芯材按重量百分比计，其成分为：Si1.8％，Mn 2.3％，纳米碳化硼3.7％，余量为Al和不可避免的杂质。
9.一种钛铝异种金属焊接用焊丝的制备工艺，包括如下步骤：
S1、根据权利要求1所述芯材的成分制备芯材粉末；
S2、将芯材粉末放入准备好的包覆层原料中；
S3、挤压拉拔得到焊丝。
10.一种权利要求1-8任一项所述的焊丝或权利要求9所述的制备工艺制备得到的焊丝在钛铝异种金属焊接时的应用。
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