一種鈦合金與鎳合金異種材料的鎢極氬弧焊工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鈦合金與鎳合金異種材料的鎢極氬弧焊工藝，選用Ni-Cu系合金焊絲作為填充材料，氬弧焊采用鈰鎢電極，電極端部磨成30～45°錐形；保護氣體選用氬氣；通過焊前準備及預(yù)熱、焊接、焊后冷卻及調(diào)整焊接工藝參數(shù)，控制鈦合金與鎳合金焊接熔池的熔化和凝固條件，可獲得焊縫成形美觀、無裂紋、無氣孔等缺陷的焊接接頭。這種方法焊接效率高，成本低，操作方便靈活，能夠滿足鈦合金與鎳合金鋼異種材料焊接接頭的使用要求。
【專利說明】一種鈦合金與鏡合金異種材料的銘極氬弧焊工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于焊接【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種適合鈦合金與鎳合金異種材料之間的鎢極氬弧焊方法，可用于鈦合金組件和鎳合金組件之間的連接。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦及其合金具有重量輕、比強度高、耐蝕性好等優(yōu)點，因而在航天航空、石油化工等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴大。隨著鈦及鈦合金作為一種重要的金屬材料的興起，其焊接技術(shù)獲得了較大的發(fā)展。鈦很活潑，加熱到400~500°C時就吸收氧、氫、氮等氣體而硬化；鈦元素易與大多數(shù)金屬形成脆性的金屬間化合物。而鎳是非碳化物形成元素，與鈦形成的化合物有一定的塑性，并且鎳的塑性好，可以緩解接頭中的內(nèi)應(yīng)力。因此，實現(xiàn)鈦鎳復(fù)合結(jié)構(gòu)件的焊接制造，可以大大推動鈦合金在航空航天、化工以及原子能工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。
[0003]采用爆炸焊和真空擴散焊可以實現(xiàn)鈦合金與鎳合金的焊接，但這兩種方法均屬于固相焊，獲得的接頭強度較低，不能用于承載較大的焊接結(jié)構(gòu)件。如果能在熔焊條件下實現(xiàn)對鈦合金和鎳合金的可靠連接，將具有很好的應(yīng)用前景。鈦合金與鎳合金的熱導(dǎo)率和線脹系數(shù)差異很大，熔焊時的熱脹冷縮造成很大的焊接應(yīng)力，極易導(dǎo)致焊縫開裂，因此鈦合金與鎳合金的熔焊技術(shù)難度很大。
[0004]另外，鎳合金中的Ni和S、P、N、O等都能形成低熔點共晶物質(zhì)，在焊接應(yīng)力的作用下很容易形成熱裂紋。并且，如果焊接熱輸入較高，晶粒的長大及過度的成分偏析，會增大熱裂傾向，并降低耐腐蝕性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是 提出一種焊接過程控制簡便、焊接質(zhì)量穩(wěn)定的針對鈦合金與鎳合金異種金屬之間的焊接方法，克服焊接裂紋、氣孔等缺陷，提高焊縫的抗裂性及接頭的穩(wěn)定性，高效生產(chǎn)出合格的焊接接頭。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:
[0007]一種鈦合金與鎳合金異種材料的填絲鎢極氬弧焊工藝，包括:
[0008](I)焊材選取
[0009]選用N1-Cu系合金焊絲作為填充材料，焊絲中化學(xué)元素的質(zhì)量百分比為:C0.08% ~0.15%,Mn3.0% ~4.5%, Fel.0% ~2.5%, S ≤ 0.015%, P≤ 0.02%, Si0.9% ~1.25%,Cu21.5%~25%，Τ?6.5%~10.5%,余為Ni。焊絲中的S、P含量嚴格控制。
[0010]N1-Cu系合金焊絲直徑為1.5臟~2.Ctam ;
[0011]氬弧焊采用鈰鎢電極，直徑為2.0mm,電極端部磨成30~45°錐形；
[0012]保護氣體選用純度大 于99.99%的高純氬；
[0013](2)焊前準備及預(yù)熱
[0014]焊接坡口加工:針對鈦合金對氣體比較敏感以及鎳合金不易焊透的特點，對接接頭加工成V形坡口，坡口角度70~8 0°。[0015]焊件清理:用不銹鋼絲刷清理焊絲及工件接頭坡口兩側(cè)表面20mm范圍內(nèi)的油脂、氧化膜及污物，清洗干凈后表面應(yīng)有明顯的金屬光澤，然后用干凈的布擦干；
[0016]焊前預(yù)熱:焊前先對被焊鈦合金與鎳合金進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150?200°C ；
[0017]⑶焊接
[0018]焊絲與鈦合金焊件間保持夾角10?25° ;
[0019]施焊時要擺動焊絲，但焊絲的擺動幅度不能大于焊絲直徑的2倍；
[0020]焊接時采用短弧焊接，噴嘴與鎳合金焊件保持70?80°的夾角。
[0021]填絲鎢極氬弧焊接工藝參數(shù)為:焊接電壓為10?15V，焊接電流為90?140A，焊接速度為40?80mm/min,氣體流量為12?20L/min ；
[0022]斷弧及焊縫收尾時，要繼續(xù)通氬氣保護，直到焊縫及熱影響區(qū)金屬冷卻到250°C以下時方可移開焊槍。
[0023](4)焊接區(qū)保護
[0024]施焊前，先對焊件正、背面同時通氬氣保護3?5min ;焊接過程中采用焊縫正背面同時保護措施，焊縫收尾熄弧后，繼續(xù)通氬氣保護2?5min ；
[0025](5)焊后冷卻
[0026]焊接完成立即將整個被焊接件放置在溫度已保持在250°C的箱式電爐中，隨爐緩慢冷卻至室溫，以防止焊接裂紋。
[0027]其中，所述的填絲鎢極氬弧焊接采用高頻引弧的直流的鎢極氬弧焊電源。
[0028]其中，所述的采用焊縫正背面同時保護措施是，正面焊縫采用專用保護氣體拖罩進行保護，氣體流量為12?20L/min ;平板對接時，焊縫背面采用帶有通氣孔道的紫銅墊板同時進行充純氬氣保護，焊接管接頭時，管內(nèi)充純氬氣進行保護，氣體流量為10?20L/min,以防止N、O、H等對焊接接頭性能的有害影響。
[0029]本發(fā)明根據(jù)鈦合金與鎳合金的熱物理性能特點，在保證焊透的前提條件下，從控制焊接熱輸入入手，解決接頭難以互相熔合形成焊縫問題，采用含Cu、Ti元素的鎳基填充焊絲控制接頭的晶粒長大及成分偏析，降低接頭的熱裂傾向；然后從氬氣純度、保護方式避免鈦合金的焊接氧化問題。
[0030]試驗結(jié)果表明，采用N1-Cu系合金焊絲進行鈦合金與鎳合金異種材料的鎢極氬弧焊接，可使焊縫區(qū)形成奧氏體組織，增加焊縫的韌性和塑性；同時，焊絲中添加含量為
6.5%?10.5%的Ti元素，能夠阻礙接頭靠近鎳合金一側(cè)的熱影響區(qū)中晶粒的嚴重長大現(xiàn)象，可明顯提高鈦合金與鎳合金焊接接頭的強度和韌性。
[0031]本發(fā)明的有益效果是，采用本發(fā)明提出的鈦合金與鎳合金異種材料的焊接方法，通過調(diào)整焊接工藝參數(shù)，控制焊接熱輸入，改善鈦合金與鎳合金焊接熔池的熔化和凝固條件，能夠獲得焊縫成形美觀、無裂紋、無氣孔等缺陷的焊接接頭。這種方法成本低，操作方便靈活，能夠滿足鈦合金與鎳合金鋼異種材料焊接接頭的使用要求。與專利(CN103464873A)公布的鈦合金與鎳合金的焊條電弧焊技術(shù)相對比，焊接效率可提高I倍。
具體實施例
[0032]實施例1:
[0033]TA15鈦合金板與GH4169鎳合金板的填絲鎢極氬弧焊。TA15鈦合金板尺寸為200mmX 150mm,厚度為3mm ；GH4169鎳合金試板尺寸為200mmX 150mm,厚度為3mm,兩板對接焊。
[0034]具體的鈦合金與鎳合金填絲鎢極氬弧焊的工藝步驟如下:
[0035](I)將被焊鈦合金與鎳合金板對接部位加工V型坡口，坡口角度75°，然后用不銹鋼絲刷清理工件接頭坡口兩側(cè)表面20mm范圍內(nèi)的油脂、氧化膜及污物，至露出明顯的金屬光澤;
[0036](2)采用直徑為2.0mm的N1-Cu系合金焊絲作為填充材料，所用焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為:C0.08，Μη3.0, Fel.0, Sil.25，Cu21.5，Ti6.5，S=0.015%, P=0.02%,余為Ni ；
[0037](3)將鈦合金與鎳合金對接接頭待焊部位進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150°C ；
[0038](4)焊前先對焊件正面保護氣體拖罩和背面紫銅墊板孔道通氬氣保護5min ;焊接過程中采用焊縫正背面同時保護措施，正面保護氣體拖罩保護，氣體流量為20L/min，焊縫背面通氣孔道氣體流量為17L/min ;焊縫收尾熄弧后，繼續(xù)通氬氣保護2min ;氬氣純度為99.99%的高純氬；
[0039](5)填絲鎢極氬弧焊的工藝參數(shù)為:焊接電壓為15V，焊接電流為140A，焊接速度為80mm/min,氣體流量為20L/min ；
[0040](6)焊接過程中，調(diào)整焊炬位置，使噴嘴與鎳合金焊件保持70°的夾角，焊絲與鈦合金焊件間保持夾角10°，焊絲沿著熔池前端平穩(wěn)、均勻的送入熔池，適當(dāng)擺動焊絲，不得將焊絲端部移出氬氣保護區(qū)；
[0041](7)焊縫收尾時，繼續(xù)通氬氣保護，直到焊縫及熱影響區(qū)金屬冷卻到250°C時移開焊槍。
[0042](8)將焊接完成的鈦合金與鎳合金焊接件放入250°C的箱式電爐中保溫緩冷，隨爐冷卻至室溫后取出。
[0043]采用上述焊接工藝獲得的TA15鈦合金與GH4169鎳合金焊接接頭成形良好。經(jīng)過焊縫外觀檢查和金相顯微鏡對接頭內(nèi)部進行觀察，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔等微觀缺陷，滿足被連接件的使用要求。
[0044]實施例2:
[0045]TA3鈦合金管與N8鎳合金管接頭的填絲鎢極氬弧焊，TA3鈦合金管與N8鎳合金管徑為Φ 6mm,壁厚為2mm。
[0046]具體的鈦合金與鎳合金管接頭鎢極氬弧焊的工藝步驟如下:
[0047](I)將TA3鈦合金管與N8鎳合金管接頭待焊處兩側(cè)表面20mm范圍內(nèi)的油脂、氧化膜及污物用不銹鋼絲刷打磨干凈，使待焊面露出金屬光澤；然后鈦合金和鎳合金管接頭處都用細砂輪打磨Imm倒角；
[0048](2)采用直徑為1.5mm的N1-Cu系合金焊絲作為填充材料，所用焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為:C0.15，Μη4.5，F(xiàn)e2.5，Si0.9，Cu25, Ti 10.5，S=0.015%, P=0.02%,余為 Ni ；
[0049](3)焊前先對被焊鈦合金與鎳合金進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為200°C ；
[0050](4)焊前，先對管件正面保護氣體拖罩和管內(nèi)通氬氣保護3min ;焊接過程中采用焊縫正背面同時保護措施，正面采用保護氣體拖罩保護，氣體流量為12L/min，背面采用向焊管內(nèi)同時進行充氬氣保護，氣體流量為15L/min;焊縫收尾熄弧后，繼續(xù)通氬氣保護5min ;気氣純度為99.99%的高純気；
[0051](5)填絲鎢極氬弧焊的工藝參數(shù)為:焊接電壓為10V，焊接電流為90A，焊接速度為40mm/min,氣體流量為 12L/min ；
[0052](6)焊接過程中，調(diào)整焊炬位置，使噴嘴與鎳合金管件保持80°的夾角，焊絲與鈦合金管件間保持夾角25°，焊絲沿著熔池前端平穩(wěn)、均勻的送入熔池，適當(dāng)擺動焊絲，但擺動幅度小于3mm ；
[0053](7)管接頭收尾焊縫時，繼續(xù)通氬氣保護，直到焊縫及熱影響區(qū)金屬冷卻到250°C時移開焊槍。
[0054](8)將焊接完成的鈦合金與鎳合金管件放入250°C的箱式電爐中保溫緩冷，隨爐冷卻至室溫后取出。
[0055]采用上述焊接工藝獲得的TA3鈦合金與NS鎳合金管接頭成形良好。經(jīng)過焊縫外觀檢查和金相顯微鏡對接頭內(nèi)部進行觀察，沒有發(fā)現(xiàn)焊接裂紋、氣孔等微觀缺陷，滿足被連接件的使用要求。
【權(quán)利要求】
1.一種鈦合金與鎳合金異種材料的鎢極氬弧焊工藝，其特征是，選用N1-CU系合金焊絲作為填充材料，焊絲中化學(xué)元素的質(zhì)量百分比為:C0.08%~0.15%，Mn3.0%~4.5%，F(xiàn)el.0% ~2.5%, S ≤ 0.015%, P ≤ 0.02%, Si0.9% ~1.25%, Cu21.5% ~25%，Τ?6.5% ~10.5%,余為Ni ;氬弧焊采用鈰鎢電極；保護氣體選用氬氣； 包括如下步驟: (1)焊前準備及預(yù)熱； 焊件清理:清理焊絲及工件接頭坡口兩側(cè)表面直至露出金屬光澤，擦干； 焊前預(yù)熱:焊前先對被焊鈦合金與鎳合金進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150~200°C ； (2)焊接； 焊絲與鈦合金焊件間保持夾角10~25° ; 施焊時擺動焊絲，焊絲的擺動幅度不大于焊絲直徑的2倍； 焊接時采用短弧焊接，噴嘴與鎳合金焊件保持70~80°的夾角； 填絲鎢極氬弧焊接工藝參數(shù)為:焊接電壓為10~15V，焊接電流為90~140A，焊接速度為40~80mm/min,氣體流量為12~20L/min ； 斷弧及焊縫收尾時，繼續(xù)通氬氣保護，直到焊縫及熱影響區(qū)金屬冷卻到250°C以下； (3)焊后冷卻； 焊接完成，保持整個被焊接件的溫度250°C，緩慢冷卻至室溫，以防止焊接裂紋。
2.如權(quán)利要求1所述的鈦合金與鎳合金異種材料的鎢極氬弧焊工藝，其特征是，施焊前，先對焊件正、背面同時通氬氣保護3~5min ;焊接過程中采用焊縫正背面同時保護措施，焊縫收尾熄弧后，繼續(xù)通氬氣保護2~5min。
3.如權(quán)利要求1所述的鈦合金與鎳合金異種材料的鎢極氬弧焊工藝，其特征是，所述填絲鎢極氬弧焊接采用高頻引弧的直流的鎢極氬弧焊電源。
4.如權(quán)利要求2所述的鈦合金與鎳合金異種材料的鎢極氬弧焊工藝，其特征是，所述的采用焊縫正背面同時保護措施是，正面焊縫采用保護氣體拖罩進行保護；平板對接時，焊縫背面采用帶有通氣孔道的紫銅墊板同時進行充氬氣保護，氣體流量為15~20L/min。
5.如權(quán)利要求2所述的鈦合金與鎳合金異種材料的鎢極氬弧焊工藝，其特征是，所述的采用焊縫正背面同時保護措施是，正面焊縫采用保護氣體拖罩進行保護；焊接管接頭時，管內(nèi)充氬氣進行保護，氣體流量為10~20L/min。
【文檔編號】B23K9/23GK103878470SQ201410126145
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】王娟, 李亞江 申請人:山東大學(xué)