CN116511758B - 一种钛钢复合管焊接用药芯焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛钢复合管焊接用药芯焊丝及其制备方法，属于焊接用药芯焊丝技术领域。本发明的药芯焊丝由外皮的纯镍带及内包的药芯粉末组成。外皮为N4纯镍带，镍带尺寸为0.6×12mm，药芯粉末的质量占整个药芯焊丝质量的30.0‑45.0％，丝材直径范围为1.2‑1.6mm。药芯粉末的成分：合金粉末：Zr:10.0‑15.0％，Hf:4.0‑5.0％,Ta:1.0‑2.0％,Cr 10.0‑15.0％,Nb:3.5‑5.0％；联合脱氧剂：Mn:0.5‑1.0％；Si：0.5‑1.0％；晶粒细化剂：Y‑Ni合金：0.5‑1.0％，其中Y与Ni的质量比为1:1。有益效果：本发明采用纯镍带为药芯外皮，通过优化添加Cr、Nb、Zr、Hf、Ta及稀土Y等元素，在焊接钛钢复合管时生成合金过渡层，有效阻隔Ti和Fe的互扩散作用，形成强度高、韧性好的钛钢焊接接头。
Description
技术领域
本发明属于焊接用药芯焊丝技术领域，特别涉及一种钛钢复合管焊接用药芯焊丝及其制备方法。
背景技术
随着全球海洋和陆地石油及天然气开发产业的迅猛发展，油气管道等重要结构件已成为油气开发和长距离油气运输等中不可或缺的重要环节，CO2/H2S腐蚀、油气中的杂质颗粒物冲刷磨损形成的恶劣工况已经成为全球油气开采过程中结构件损坏的主要问题。
目前国内外针对这一问题最有效且最经济的解决方案，是采用具有复合耐蚀金属保护层的油气复合管道。钛合金被称为海洋金属，具有很强的耐酸、耐碱腐蚀能力，可在在海中浸泡5年以上而不产生锈蚀，单一贵金属钛合金管虽然具有高的耐磨耐蚀性，但其成本过高。钛钢复合管具有优良的综合性能，既有钢基体高强度和韧性，又兼具钛合金独有的耐腐蚀性能、耐磨性及其他特殊性能，此外还具有成本低的优势，因此，近年来逐渐成为海洋和陆地长距离输油气管线中应用最为广泛的复合管道。
钛钢复合管是一般由碳素钢Q235或管线钢X60/X65为基层，工业纯钛为复层，以爆炸/轧制等方法制成的双金属复合管。钛-钢复合管的基层主要满足焊接结构设计的强度和刚度要求，而复层则满足耐腐蚀性等特殊性能的要求。因基层与复层在化学成分、金相组织、物理性能等方面差别很大，这些差异大大增加了焊接难度。另外，钛-钢复合管焊接时，容易引起复层钛板与基层碳钢互熔现象，所产生的中间化合物是脆性组织，破坏和改变了原有金属晶格，二者不具有良好的异种金属焊接性。钛和钢在密度、热导率、线膨胀系数等物理、化学性能和力学性能上有着很大的差异，由Ti-Fe相图可以看出，Ti-Fe的互溶解度极小，常温下Fe在α-Ti中的溶解度只有0.05％～0.1％左右，当合金含量超过0.1时，就会形成脆性金属间化合物TiFe和TiFe2。焊接时，在焊接温度的作用下，钛与铁之间发生强烈的互扩散，在较短时间内，就会造成铁在钛中的过饱和，从而在焊缝中形成大量的金属间化合物。其次，钛是强碳化合物形成元素，与钢中的碳极易形成脆性的TiC，致使焊缝进一步脆化，焊接接头性能急剧下降。因此，急需开发适用于钛钢复合管高质量的焊接材料及其工艺。
公布号为CN 114346513A的发明专利公开了一种钛钢复合结构过渡层用铜-钒基气保护焊丝及其制备方法，所述焊丝的药芯按质量百分比包括以下组分：V30％～50％、Ni2％～5％、Ag1％～4％、Nb2％～5％、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％。该专利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。同时具有很好的焊接工艺性，稳弧性好，焊接飞溅少。但该专利的药芯焊丝的韧性较低、强度较差，还有待进一步提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何解决现有的钛钢复合管焊接用的药芯焊丝所存在的韧性低、强度差的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
本发明的第一方面提出一种钛钢复合管焊接用药芯焊丝，由外皮的纯镍带及内包的药芯粉末组成，所述药芯粉末的质量占整个药芯焊丝质量的30.0-45.0％，所述药芯粉末包括合金粉末、联合脱氧剂和晶粒细化剂，按占整个药芯焊丝的质量百分含量计，合金粉末包括10.0-15.0％Zr、4.0-5.0％Hf、1.0-2.0％Ta、10.0-15.0％Cr和3.5-5.0％Nb；联合脱氧剂包括0.5-1.0％Mn和0.5-1.0％Si；晶粒细化剂包括0.5-1.0％Y-Ni合金，其中Y与Ni的质量比为1:1。
有益效果：本发明采用纯镍带为药芯外皮，通过优化添加Cr、Nb、Zr、Hf、Ta及稀土Y等元素，在焊接钛钢复合管时生成合金过渡层，有效阻隔Ti和Fe的互扩散作用，形成强度高、韧性好的钛钢焊接接头。
优选的，所述纯镍带为N4纯镍带。
优选的，所述纯镍带尺寸为0.6×12mm。
优选的，所述药芯粉末的粒径范围均为100-150μm。
优选的，所述焊丝的直径范围为1.2-1.6mm。
本发明的第二方面提出上述药芯焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：首先将所需添加量的合金粉末、联合脱氧剂和晶粒细化剂分别加热后，加入到混粉机中混合，制备得到混合均匀的药芯粉末；
S2：将N4纯镍带经过超声清洗后，从放带机穿入药芯焊丝成形轧辊，逐步轧制变形后形成药芯焊丝的“U”型槽，按照所需添加的药粉填充率，通过加粉器，将步骤S1制得的药芯粉末加入到具有“U”型槽的镍带中，经成型机进一步轧制封口，得到药芯焊丝粗丝；
S3：将S2制备的药芯焊丝粗丝，经过药芯焊丝生产线的粗拉设备，逐步减径，再经过精拉线逐步减径至所需的细直径“O”形有缝药芯丝材。
优选的，所述步骤S1中加热的温度为180-220℃，时间为2-4h。
优选的，所述步骤S1中加热的温度为200℃，时间为3h。
优选的，所述步骤S2中药芯焊丝粗丝的直径为4-6mm。
本发明的优点在于：
1、本发明采用纯镍带为药芯外皮，通过优化添加Cr、Nb、Zr、Hf、Ta及稀土Y等元素，在焊接钛钢复合管时生成合金过渡层，有效阻隔Ti和Fe的互扩散作用，形成强度高、韧性好的钛钢焊接接头。
2、本发明的药芯焊丝在焊接钛钢复合管时能形成镍基合金过渡层，在钛侧主要是形成富含Zr或Hf或Ta的反应层，而在钢侧主要是形成复合Ni和Cr的反应层。焊接过程形成的合金反应过渡层，能有效阻隔钛和钢互扩散形成脆性金属间化合物TiFe和TiFe2，形成具有高韧性和强度的钛钢焊接接头。
3、本发明的药芯焊丝的镍基体也会抑制Ti、Fe元素的相互结合，减少焊缝Fe-Ti脆性相的含量；且添加的晶粒细化剂Y-Ni合金会显著细化镍基体与钛层发生反应生成的TiNi3、TiNi和Ti2Ni等脆性相，使其作为弥散分布的第二相，强化焊缝组织，获得具有较高强度的钛钢焊接接头。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
实施例1：
一种钛钢复合管焊接用的药芯焊丝，外皮为N4纯镍带，镍带尺寸为0.6×12mm，药芯粉末的质量占整个药芯焊丝质量的30.0％，丝材直径为1.2mm。药芯粉末的成分及质量百分含量如下：合金粉末：Zr:10.0％，Hf:4.0％,Ta:1.0％,Cr 10.0％,Nb:3.5％；联合脱氧剂：Mn:0.5％；Si：0.5％；晶粒细化剂：Y-Ni合金：0.5％，其中Y与Ni的质量比为1:1。上述药芯粉末的粒径范围均为100-150μm。
该药芯焊丝制备方法具体步骤如下：
S1：首先将所需添加量的合金粉末、联合脱氧剂和晶粒细化剂分别在烘箱中加热至200℃，并在200℃保温3h后，加入到V型混粉机，混合30分钟后，即可制备得到混合均匀的药芯粉末。
S2：将N4纯镍带经过超声清洗后，从放带机穿入药芯焊丝成形轧辊，逐步轧制变形后形成药芯焊丝的“U”型槽，按照所需添加的药粉填充率，通过履带式加粉器，将S1制得的药芯粉末加入到具有“U”型槽的镍带中，经药芯焊丝成型机进一步轧制封口，得到直径为5.0mm的药芯焊丝粗丝。
S3：将S2制备的5.0mm粗直径药芯焊丝，经过药芯焊丝生产线的粗拉设备，逐步减径至2.4mm，再经过精拉线逐步减径至所需的细直径“O”形有缝药芯丝材，其直径为1.2mm。
实施例2：
一种钛钢复合管焊接用的药芯焊丝，外皮为N4纯镍带，镍带尺寸为0.6×12mm，药芯粉末的质量占整个药芯焊丝质量的37.3％，丝材直径为1.2mm。药芯粉末的成分及质量百分含量如下：合金粉末：Zr:13.0％，Hf:4.5％,Ta:1.5％,Cr 12.0％,Nb:4.0％；联合脱氧剂：Mn:0.8％；Si：0.8％；晶粒细化剂：Y-Ni合金：0.7％，其中Y与Ni的质量比为1:1。上述药芯粉末的粒径范围均为100-150μm。
该药芯焊丝制备方法具体步骤如下：
S1：首先将所需添加量的合金粉末、联合脱氧剂和晶粒细化剂分别在烘箱中加热至200℃，并在200℃保温3h后，加入到V型混粉机，混合30分钟后，即可制备得到混合均匀的药芯粉末。
S2：将N4纯镍带经过超声清洗后，从放带机穿入药芯焊丝成形轧辊，逐步轧制变形后形成药芯焊丝的“U”型槽，按照所需添加的药粉填充率，通过履带式加粉器，将S1制得的药芯粉末加入到具有“U”型槽的镍带中，经药芯焊丝成型机进一步轧制封口，得到直径为4.0mm的药芯焊丝粗丝。
S3：将S2制备的4.0mm粗直径药芯焊丝，经过药芯焊丝生产线的粗拉设备，逐步减径至2.4mm，再经过精拉线逐步减径至所需的细直径“O”形有缝药芯丝材，其直径为1.2mm。
实施例3：
一种钛钢复合管焊接用的药芯焊丝，外皮为N4纯镍带，镍带尺寸为0.6×12mm，药芯粉末的质量占整个药芯焊丝质量的45.0％，丝材直径为1.6mm。药芯粉末的成分及质量百分含量如下：合金粉末：Zr:15.0％，Hf:5.0％,Ta:2.0％,Cr 15.0％,Nb:5.0％；联合脱氧剂：Mn:1.0％；Si：1.0％；晶粒细化剂：Y-Ni合金：1.0％，其中Y与Ni的质量比为1:1。上述药芯粉末的粒径范围均为100-150μm。
该药芯焊丝的制备方法具体步骤如下：
S1：首先将所需添加量的合金粉末、联合脱氧剂和晶粒细化剂分别在烘箱中加热至200℃，并在200℃保温3h后，加入到V型混粉机，混合30分钟后，即可制备得到混合均匀的药芯粉末。
S2：将N4纯镍带经过超声清洗后，从放带机穿入药芯焊丝成形轧辊，逐步轧制变形后形成药芯焊丝的“U”型槽，按照所需添加的药粉填充率，通过履带式加粉器，将S1制得的药芯粉末加入到具有“U”型槽的镍带中，经药芯焊丝成型机进一步轧制封口，得到直径为6.0mm的药芯焊丝粗丝。
S3：将S2制备的6.0mm粗直径药芯焊丝，经过药芯焊丝生产线的粗拉设备，逐步减径至2.4mm，再经过精拉线逐步减径至所需的细直径“O”形有缝药芯丝材，其直径为1.6mm。
采用福尼斯的CMT设备对本实施例1-3制备的药芯焊丝进行钛-钢复合管的焊接试验，选用的钛钢复合管中钢为Q235，钛为TA2，主要的焊接工艺参数如下：电流：120A；电压：20V；干伸长：12mm；送丝速度：6.1m/min；焊枪行走速度：8mm/min；氩气流量：22L/min。并对其焊接接头进行性能测试，测试方法参考《GBT 13149-2009钛及钛合金复合钢板焊接技术要求》，结果如下表1所示。
表1
实施例4：
本实施例与实施例1的区别在于：将“加热至200℃，并在200℃保温3h”改为“加热至180℃，并在180℃保温4h”，其它步骤同实施例1。
实施例5：
本实施例与实施例1的区别在于：将“加热至200℃，并在200℃保温3h”改为“加热至220℃，并在180℃保温2h”，其它步骤同实施例1。
实施例4-5制得的药芯焊丝与实施例1制得的药芯焊丝的性能相似。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种钛钢复合管焊接用药芯焊丝，其特征在于，由外皮的纯镍带及内包的药芯粉末组成，所述药芯粉末的质量占整个药芯焊丝质量的30.0-45.0%，所述药芯粉末包括合金粉末、联合脱氧剂和晶粒细化剂，按占整个药芯焊丝的质量百分含量计，合金粉末包括10.0-15.0%Zr、4.0-5.0%Hf、1.0-2.0%Ta、10.0-15.0%Cr和3.5-5.0%Nb；联合脱氧剂包括0.5-1.0%Mn和0.5-1.0%Si；晶粒细化剂包括0.5-1.0%Y-Ni合金，其中Y与Ni的质量比为1:1。
2.根据权利要求1所述的钛钢复合管焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述纯镍带为N4纯镍带。
3.根据权利要求1或2所述的钛钢复合管焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述纯镍带尺寸为0.6×12mm。
4.根据权利要求3所述的钛钢复合管焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述药芯粉末的质量占整个药芯焊丝质量的45.0%。
5.根据权利要求4所述的钛钢复合管焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述药芯粉末的粒径范围均为100-150μm。
6.根据权利要求1所述的钛钢复合管焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝的直径范围为1.2-1.6mm。
7.根据权利要求1所述的钛钢复合管焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述合金粉末包括15.0%Zr、5.0%Hf、2.0%Ta、15.0% Cr和5.0%Nb。
8.根据权利要求1所述的钛钢复合管焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述合金粉末包括13.0%Zr、4.5%Hf、1.5%Ta、12.0%Cr和4.0%Nb。
9.根据权利要求1所述的钛钢复合管焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述联合脱氧剂包括0.8%Mn和0.8%Si。
10.根据权利要求1所述的钛钢复合管焊接用药芯焊丝，其特征在于，所述联合脱氧剂包括1.0%Mn和1.0%Si。
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| CN110625296A (zh) * | 2019-09-19 | 2019-12-31 | 河北联之捷焊业科技有限公司 | 一种深穿透药芯绞合焊丝及其制备方法、焊接方法 |
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