CN117415508A - 钛-钢异种材料焊接用Nb-Cu基焊丝及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开钛‑钢异种材料焊接用Nb‑Cu基焊丝，包括药芯和焊皮，其中药粉按质量百分比由以下组分组成：Cu粉70～80％，Ag粉5～10％，Cr粉1～3％，Zr粉1～3％，Y2O3粉0.5～1％，剩余为Nb粉，以上组分质量百分比之和为100％。该焊丝解决了钛‑钢异种材料熔焊时的开裂问题。还公开了一种钛‑钢异种材料焊接用Nb‑Cu基焊丝的制备方法。
Description
技术领域
本发明属于金属材料焊接技术领域，具体涉及一种钛-钢异种材料焊接用Nb-Cu基焊丝，本发明还涉及该钛-钢异种材料焊接用Nb-Cu基焊丝的制备方法。
背景技术
钛和钢异种材料的连接是工程实际一直难以解决的问题。主要原因是钛和钢是冶金不相容，直接熔化焊接时会生成脆性的Fe-Ti金属间化合物。这些金属间化合物硬度极高，导致接头开裂严重，有些接头甚至焊完直接断开。但是，钛-钢异种材料焊接结构件，可以将钛的优异耐腐蚀性能与钢的高强度、低成本有效结合，因此钛-钢异种结构件有较大的应用前景。
现有研究表明，避免钛-钢异种接头开裂的有效途径是避免Ti和Fe元素的冶金反应。但是，在熔化焊条件下，避免Ti和Fe元素的反应非常困难。虽然高能束焊接，比如激光、电子束，其热源集中，焊接接头尺寸较小，但是这两种焊接方法在工程实际的现场无法实施。而适应性极强的电弧焊方法，比如MIG和TIG，成为工程实际现场焊接钛-钢异种材料的首选。但是，在常规电弧焊方法下，依靠焊接工艺来控制Ti和Fe元素的反应，难度非常大，必须借助一种或多种元素来间接实现钛和钢的直接熔焊连接。
发明内容
本发明的目的是提供一种钛-钢异种材料焊接用Nb-Cu基焊丝，解决了钛-钢异种材料熔焊时的开裂问题。
本发明的另一个目的是提供一种钛-钢异种材料焊接用Nb-Cu基焊丝的制备方法。
本发明所采用的第一个技术方案是，钛-钢异种材料焊接用Nb-Cu基焊丝，包括药芯和焊皮，其中药粉按质量百分比由以下组分组成：Cu粉70～80％，Ag粉5～10％，Cr粉1～3％，Zr粉1～3％，Y2O3粉0.5～1％，剩余为Nb粉，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特征还在于，
6种药粉的纯度均≥99.9％。
6种药粉的粒度都是100～200目。
焊皮采用纯铌带，厚度0.3mm，宽度7mm。
药芯焊丝的填充量控制在30wt％～32wt％。
本发明所采用的第二个技术方案是，上述钛-钢异种材料焊接用Nb-Cu基焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Cu粉70～80％，Ag粉5～10％，Cr粉1～3％，Zr粉1～3％，Y2O3粉0.5～1％，剩余为Nb粉，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的药芯粉末，置于真空加热炉内加热，加热温度为250～280℃，保温时间为2～4h，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1～2h；
步骤3：采用酒精去除纯铌带表面的油脂，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铌带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；药芯焊丝的填充量控制在30wt％～32wt％；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.5mm，2.3mm，2.1mm，1.9mm，1.7mm，1.6mm，1.5mm，1.4mm，1.3mm，1.2mm孔径的磨具拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
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中的6种药粉的纯度均≥99.9％，6种药粉的粒度都是100～200目。
步骤3中，纯铌带的厚度为0.3mm，宽度为7mm。
本发明的有益效果是：
(1)本发明药芯焊丝直径比较小，焊丝合金元素少，制备简单，并且便于常规的MIG/TIG焊接，工程实际推广性强；
(2)本发明焊丝以Nb、Cu元素为主，起到间接连接Fe和Ti元素的作用。配合Ag、Cr、Zr、Y2O3等多合金元素，一起实现钛和钢异种接头的高质量连接；
(3)本发明焊丝中添加了Cu、Ag元素，焊丝在进行钛-钢异种材料焊接时，母材的Ti元素与上述Cu、Ag元素一起，形成三元共晶相，塑韧性较好，有效阻止焊缝的开裂。
附图说明
图1为实施例2制备的药芯焊丝，在钛-钢异种材料焊接时，钢一侧的显微组织；
图2为实施例2制备的药芯焊丝，在钛-钢异种材料焊接时，焊缝处的显微组织；
图3为实施例2制备的药芯焊丝，进行钛-钢异种材料焊接，焊后接头的拉伸断口形貌。
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。
本发明提供一种钛-钢异种材料焊接用Nb-Cu基焊丝，包括药芯和焊皮，其中药粉按质量百分比由以下组分组成：Cu粉70～80％，Ag粉5～10％，Cr粉1～3％，Zr粉1～3％，Y2O3粉0.5～1％，剩余为Nb粉，以上组分质量百分比之和为100％。
6种药粉的纯度均≥99.9％；6种药粉的粒度都是100～200目；焊皮采用纯铌带，厚度0.3mm，宽度7mm；药芯焊丝的填充量控制在30wt％～32wt％。
该药芯焊丝中各组分的作用和功能如下：
(1)Nb为焊丝的主要合金元素。根据Nb-Ti二元相图可知，Nb与Ti之间在高温下可以无限固溶，焊接性优异；根据Nb-Fe二元相图可知，两者有一定的固溶度，即使超过固溶度，所形成的组织以铁基固溶体为主，弥散分布着Fe2Nb硬质相，焊缝塑韧性较好，开裂敏感性低。
(2)Cu为焊丝药粉的主要合金元素。根据Cu-Fe二元相图可知，两者不形成脆性金属间化合物，可以进行焊接。根据Cu-Nb二元相图可知，Nb和Cu之间不形成金属间化合物，可以进行焊接；根据Cu-Ti二元相图可知，Cu和Ti之间虽然会生成多种金属间化合物，但是其脆性程度远远低于Fi-Ti脆性相。
上述Cu和Nb元素，是本发明药芯焊丝的主要合金元素。
(3)Ag为焊丝药粉的主要合金元素。Ag的熔点较低，根据Ag-Fe、Ag-Ti等二元相图可知，焊接连接时不生成脆性金属间相。并且Ag、Cu、Ti之间会生成塑韧性较好的共晶组织，从而避免了大范围Cu-Ti相的生成。
(4)Cr和Zr为焊丝药粉的添加元素。其中Zr的作用与Nb相似，高温下与Ti可以无限固溶，从而进一步提高焊缝与钛母材的结合强度。Cr与钢之间的焊接性较高，添加少量的Cr可以提高焊缝与钢之间的结合强度。
(5)Y2O3氧化物的添加，具有净化焊缝晶界，提高晶界结合力，从而起到提高Nb-Cu焊缝塑韧性的作用。此外，Y2O3还可以细化Cu-Ti金属间化合物的尺寸。
本发明还提供上述钛-钢异种材料焊接用Nb-Cu基焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Cu粉70～80％，Ag粉5～10％，Cr粉1～3％，Zr粉1～3％，Y2O3粉0.5～1％，剩余为Nb粉，以上组分质量百分比之和为100％；步骤1中的6种药粉的纯度均≥99.9％，6种药粉的粒度都是100～200目。
步骤2：将步骤1称取的药芯粉末，置于真空加热炉内加热，加热温度为250～280℃，保温时间为2～4h，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1～2h；
步骤3：采用酒精去除纯铌带表面的油脂，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铌带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；药芯焊丝的填充量控制在30wt％～32wt％；步骤3中，纯铌带的厚度为0.3mm，宽度为7mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.5mm，2.3mm，2.1mm，1.9mm，1.7mm，1.6mm，1.5mm，1.4mm，1.3mm，1.2mm孔径的磨具拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
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。
实施例1
步骤1：按质量百分比分别称取Cu粉70％，Ag粉5％，Cr粉1％，Zr粉1％，Y2O3粉0.5％，剩余为Nb粉，以上组分质量百分比之和为100％。步骤1中的6种药粉的纯度均≥99.9％，6种药粉的粒度都是200目。
步骤2：将步骤1称取的药芯粉末，置于真空加热炉内加热，加热温度为250℃，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1h；
步骤3：采用酒精去除纯铌带表面的油脂，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铌带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；药芯焊丝的填充量控制在32wt％；步骤3中，纯铌带的厚度为0.3mm，宽度为7mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.5mm，2.3mm，2.1mm，1.9mm，1.7mm，1.6mm，1.5mm，1.4mm，1.3mm，1.2mm孔径的磨具拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
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Nb-Cu焊丝进行钛-钢异种材料焊接，采用CMT焊接电源进行MIG焊接，焊前无需预热，焊接电流150-180A，保护气体为纯氩，气体流量为15～18L/min。结果如下：
(1)钛-钢异种材料接头结合良好，未观察到裂纹缺陷；
(2)钛-钢异种材料接头抗拉强度473MPa，断后延伸率15％，断口以准解理+轫窝形貌组成；
(3)钛-钢异种材料接头焊缝中心处的显微维氏硬度平均值为340HV0.2。实施例2
步骤1：按质量百分比分别称取Cu粉80％，Ag粉10％，Cr粉3％，Zr粉3％，Y2O3粉1％，剩余为Nb粉，以上组分质量百分比之和为100％。步骤1中的6种药粉的纯度均≥99.9％，6种药粉的粒度都是100目。
步骤2：将步骤1称取的药芯粉末，置于真空加热炉内加热，加热温度为280℃，保温时间为4h，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2h；
步骤3：采用酒精去除纯铌带表面的油脂，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铌带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；药芯焊丝的填充量控制在30wt％；步骤3中，纯铌带的厚度为0.3mm，宽度为7mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.5mm，2.3mm，2.1mm，1.9mm，1.7mm，1.6mm，1.5mm，1.4mm，1.3mm，1.2mm孔径的磨具拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
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Nb-Cu焊丝进行钛-钢异种材料焊接，采用CMT焊接电源进行MIG焊接，焊前无需预热，焊接电流150-180A，保护气体为纯氩，气体流量为15～18L/min。结果如下：
(1)钛-钢异种材料接头结合良好，未观察到裂纹缺陷；
(2)钛-钢异种材料接头抗拉强度477MPa，断后延伸率14.2％，断口以准解理+轫窝形貌组成；
(3)钛-钢异种材料接头焊缝中心处的显微维氏硬度平均值为345HV0.2。
图1为实施例2制备的药芯焊丝，在钛-钢异种材料焊接时，钢一侧的显微组织。从图中可以看出，焊缝与钢一侧结合良好，未见裂纹缺陷。
图2为实施例2制备的药芯焊丝，在钛-钢异种材料焊接时，焊缝处的显微组织。从图中可以看出，焊缝组织主要以Nb基固溶体和Cu基固溶体组成，焊缝中未观察到裂纹缺陷。
图3为实施例2制备的药芯焊丝，进行钛-钢异种材料焊接，焊后接头的拉伸断口形貌。从图中可以看出，断口中有轫窝形貌出现，表面接头具有一定的塑韧性，也证明了所开发的Nb-Cu基焊丝实现了对Fe-Ti脆性相的有效稀释。
实施例3
步骤1：按质量百分比分别称取Cu粉75％，Ag粉7％，Cr粉2％，Zr粉2％，Y2O3粉0.7％，剩余为Nb粉，以上组分质量百分比之和为100％。步骤1中的6种药粉的纯度均≥99.9％，6种药粉的粒度都是200目。
步骤2：将步骤1称取的药芯粉末，置于真空加热炉内加热，加热温度为270℃，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1.5h；
步骤3：采用酒精去除纯铌带表面的油脂，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铌带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；药芯焊丝的填充量控制在31wt％；步骤3中，纯铌带的厚度为0.3mm，宽度为7mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.5mm，2.3mm，2.1mm，1.9mm，1.7mm，1.6mm，1.5mm，1.4mm，1.3mm，1.2mm孔径的磨具拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
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Nb-Cu焊丝进行钛-钢异种材料焊接，采用CMT焊接电源进行MIG焊接，焊前无需预热，焊接电流150-180A，保护气体为纯氩，气体流量为15～18L/min。结果如下：
(1)钛-钢异种材料接头结合良好，未观察到裂纹缺陷；
(2)钛-钢异种材料接头抗拉强度483MPa，断后延伸率14.1％，断口以准解理+轫窝形貌组成；
(3)钛-钢异种材料接头焊缝中心处的显微维氏硬度平均值为374HV0.2。
实施例4
步骤1：按质量百分比分别称取Cu粉78％，Ag粉6％，Cr粉1.3％，Zr粉1.3％，Y2O3粉0.6％，剩余为Nb粉，以上组分质量百分比之和为100％。步骤1中的6种药粉的纯度均≥99.9％，6种药粉的粒度都是200目。
步骤2：将步骤1称取的药芯粉末，置于真空加热炉内加热，加热温度为265℃，保温时间为2.4h，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1.2h；
步骤3：采用酒精去除纯铌带表面的油脂，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铌带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；药芯焊丝的填充量控制在32wt％；步骤3中，纯铌带的厚度为0.3mm，宽度为7mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.5mm，2.3mm，2.1mm，1.9mm，1.7mm，1.6mm，1.5mm，1.4mm，1.3mm，1.2mm孔径的磨具拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
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Nb-Cu焊丝进行钛-钢异种材料焊接，采用CMT焊接电源进行MIG焊接，焊前无需预热，焊接电流150-180A，保护气体为纯氩，气体流量为15～18L/min。结果如下：
(1)钛-钢异种材料接头结合良好，未观察到裂纹缺陷；
(2)钛-钢异种材料接头抗拉强度449MPa，断后延伸率17.2％，断口以准解理+轫窝形貌组成；
(3)钛-钢异种材料接头焊缝中心处的显微维氏硬度平均值为329HV0.2。
实施例5
步骤1：按质量百分比分别称取Cu粉71％，Ag粉9％，Cr粉2.7％，Zr粉2.8％，Y2O3粉0.9％，剩余为Nb粉，以上组分质量百分比之和为100％。步骤1中的6种药粉的纯度均≥99.9％，6种药粉的粒度都是200目。
步骤2：将步骤1称取的药芯粉末，置于真空加热炉内加热，加热温度为265℃，保温时间为3.5h，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1.1h；
步骤3：采用酒精去除纯铌带表面的油脂，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铌带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；药芯焊丝的填充量控制在32wt％；步骤3中，纯铌带的厚度为0.3mm，宽度为7mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.5mm，2.3mm，2.1mm，1.9mm，1.7mm，1.6mm，1.5mm，1.4mm，1.3mm，1.2mm孔径的磨具拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
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Nb-Cu焊丝进行钛-钢异种材料焊接，采用CMT焊接电源进行MIG焊接，焊前无需预热，焊接电流150-180A，保护气体为纯氩，气体流量为15～18L/min。结果如下：
(1)钛-钢异种材料接头结合良好，未观察到裂纹缺陷；
(2)钛-钢异种材料接头抗拉强度458MPa，断后延伸率15.7％，断口以准解理+轫窝形貌组成；
(3)钛-钢异种材料接头焊缝中心处的显微维氏硬度平均值为353HV0.2。
Claims (8)
1.钛-钢异种材料焊接用Nb-Cu基焊丝，其特征在于，包括药芯和焊皮，其中药粉按质量百分比由以下组分组成：Cu粉70～80％，Ag粉5～10％，Cr粉1～3％，Zr粉1～3％，Y2O3粉0.5～1％，剩余为Nb粉，以上组分质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的钛-钢异种材料焊接用Nb-Cu基焊丝，其特征在于，6种药粉的纯度均≥99.9％。
3.根据权利要求1所述的钛-钢异种材料焊接用Nb-Cu基焊丝，其特征在于，6种药粉的粒度都是100～200目。
4.根据权利要求1所述的钛-钢异种材料焊接用Nb-Cu基焊丝，其特征在于，焊皮采用纯铌带，厚度0.3mm，宽度7mm。
5.根据权利要求1所述的钛-钢异种材料焊接用Nb-Cu基焊丝，其特征在于，药芯焊丝的填充量控制在30wt％～32wt％。
6.根据权利要求1所述的钛-钢异种材料焊接用Nb-Cu基焊丝的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Cu粉70～80％，Ag粉5～10％，Cr粉1～3％，Zr粉1～3％，Y2O3粉0.5～1％，剩余为Nb粉，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的药芯粉末，置于真空加热炉内加热，加热温度为250～280℃，保温时间为2～4h；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1～2h；
步骤3：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铌带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm；药芯焊丝的填充量控制在30wt％～32wt％；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将磨具孔径依次换至2.5mm，2.3mm，2.1mm，1.9mm，1.7mm，1.6mm，1.5mm，1.4mm，1.3mm，1.2mm孔径的磨具拉拔，最终获得的药芯焊丝直径为1.2mm；
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。
7.根据权利要求6所述的钛-钢异种材料焊接用Nb-Cu基焊丝的制备方法，其特征在于，步骤1中的6种药粉的纯度均≥99.9％，6种药粉的粒度都是100～200目。
8.根据权利要求6所述的钛-钢异种材料焊接用Nb-Cu基焊丝的制备方法，其特征在于，步骤3中，纯铌带的厚度为0.3mm，宽度为7mm。
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