鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料及其製備方法
2023-09-22 00:42:35
鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料及其製備方法
【專利摘要】鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料及其製備方法，按重量百分比包括以下組分：Mn3.15-3.35%，Cr18-27%，Cu0.01-0.015%，Ti0.35-0.55%，Co0.03-0.04%，Nb1.8-2.0%，Ta0.2-0.6%，C≤0.02%，Si≤0.025%，P≤0.002%，S≤0.002%，Fe≤0.75%，餘量為Ni，上述組分重量百分比之和為100%。本發明焊接材料直徑小，採用手工鎢極氬弧焊或熔化極氬弧焊焊接可將鈦-鋼複合板鈦層與鋼層焊縫組織有效的連接在一起，實現鈦-鋼複合板的熔焊對接，焊接接頭具有優良的強韌性；其製備方法簡單，成本低，便於批量生產。
【專利說明】鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於金屬材料焊接【技術領域】，具體涉及一種鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料，本發明還涉及該焊接材料的製備方法。
【背景技術】
[0002]鈦-鋼爆炸軋制複合板是一種新型雙金屬結構複合材料，其集鈦、鋼優點於一身， 既具有鈦優良的耐腐蝕性，又具有鋼的高強韌性。近年來該複合板在核心大型壓力容器及油氣運輸管道上逐漸得到了重用，這不但解決了單一鋼材易被腐蝕的問題，還解決了用單一耐腐蝕材料成本過高的難題。然而，由於鈦、鐵元素物理、化學特性差異較大，若直接熔焊連接極易在焊縫生成高脆性金屬間化合物，致使複合板焊接接頭強韌性較低，嚴重阻礙了其廣泛應用。目前，鈦-鋼複合板的對接均採用加蓋板的鈦、鋼互不相溶的焊接方式，該焊接方法工藝複雜，難以實現工程化應用，至今尚未見其熔焊對接焊接材料方面的報導。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料，解決了目前沒有熔焊對接鈦-鋼複合板的焊接材料的問題。
[0004]本發明的另一目的是提供上述鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料的製備方法。
[0005]本發明所採用的技術方案是，鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料，按重量百分比包括以下組分:Mn3.15-3.35%, Crl8_27%，Cu0.01-0.015%, Ti0.35-0.55%, Co0.03-0.04%, Nbl.8-2.0%, Ta0.2-0.6%, C ≤ 0.02%, Si ( 0.025%, P ≤ 0.002%, S ≤ 0.002%, Fe ( 0.75%，餘量為Ni，上述組分重量百分比之和為100%。
[0006]本發明所採用的另一個技術方案是，鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料的製備方法，具體操作步驟如下:
[0007]步驟I，熔煉
[0008]按照重量百分比分別稱取以下純金屬粉末:Mn3.15-3.35%，Crl8_27%， Cu0.01-0.015%,Ti0.35-0.55%,Co0.03-0.04%,Nbl.8-2.0%,Ta0.2-0.6%，餘量為 Ni，將上述稱取的N1、Cr、Nb、Ta粉末放入真空感應爐內的MgO坩堝內進行熔化，Cr、Nb、Ta粉末放在鎳粉中心，等爐內金屬粉末完全熔化成鋼液後進行精煉，然後將鋼液溫度降至1540°C，充入氬氣使爐內達到300-380mmHg，再將稱取的Mn、Cu、T1、Co粉末依次加入鋼液中，攪拌2min後出鋼，澆注到鑄錠模中，澆注完畢後將鑄錠模在真空室保存30min，然後取出鑄錠並冷卻至室溫，在熔煉過程中其餘組分含量控制為=C ( 0.02%, Si ( 0.025%, P^0.002%, S^0.002%, Fe ( 0.75% ；
[0009]步驟2，拔絲
[0010]採用空氣錘在1100-1150°C下將步驟I得到的鑄錠鍛造成50mmX50mm的方坯料， 再在1100-1150°C下採用200型五架橫列三輥式軋機將坯料軋製成06.5mm-O7.0mm盤條；將盤條經過機械剝殼、酸洗、烘乾、熱處理後逐級拉拔，最終形成φ 1.2_-Φ2.0mm的鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料。
[0011]本發明的特點還在於，
[0012]步驟I中精煉溫度為1550°C，精煉時間為20min。
[0013]步驟I中鋼液的出鋼溫度為1540°C，澆注過程中要使爐內鋼液溫度保持在1540°C，同時注意鋼液表面平靜，澆注均勻。
[0014]步驟2中酸洗時使用的酸洗溶液為體積分數為20%硫酸、10%硝酸和5%鹽酸配製成的水溶液；烘乾溫度為200°C，烘乾時間為Ih ;熱處理溫度為880-980°C，時間為1.5h。
[0015]本發明的有益效果是，
[0016]1.本發明鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料，直徑小，採用手工鎢極氬弧焊焊接或熔化極氬弧焊焊接可將鈦-鋼複合板鈦層與鋼層焊縫組織有效的連接在一起，實現鈦-鋼複合板的熔焊對接。
[0017] 2.本發明鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料，通過在鈦-鋼複合板上開V形坡口，先用鈦焊絲焊接鈦層，再用本發明的焊接材料焊接過渡層，最後用鋼焊絲焊接鋼層，所得焊接接頭具有優良的強韌性；且本發明焊接材料的製備方法簡單，成本較低，便於進行大規模批量生產。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明實施例1鈦層與過渡層熔敷金屬金相圖；
[0019]圖2是本發明實施例1過渡層與鋼層熔敷金屬金相圖；
[0020]圖3是本發明實施例4鈦層與過渡層熔敷金屬金相圖；
[0021]圖4是本發明實施例4過渡層與鋼層熔敷金屬金相圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0023]本發明鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料，按重量百分比包括以下組分:Μη3.15-3.35%, Crl8-27%, Cu0.01-0.015%, Ti0.35-0.55%, Co0.03-0.04%, Nbl.8-2.0%,Ta0.2-0.6%, C ≥ 0.02%, Si ( 0.025%, P ≥ 0.002%, S ≥ 0.002%, Fe ( 0.75%，餘量為 Ni,上述組分重量百分比之和為100%。
[0024]上述鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料的製備方法，具體操作步驟如下:
[0025]步驟I，熔煉
[0026]按重量百分比分別稱取以下純金屬粉末:Mn3.15-3.35%，Crl8_27%，Cu0.01-0.015%, Ti0.35-0.55%, Co0.03-0.04%, Nbl.8-2.0%, Ta0.2-0.6%，餘量為 Ni，將上述稱取的N1、Cr、Nb、Ta粉末放入真空感應爐內的MgO坩堝內進行熔化，Cr、Nb、Ta粉末放在鎳粉中心，等爐內金屬粉末完全熔化成鋼液後在1550°C下精煉20min，然後將鋼液溫度降至1540°C，充入氬氣使爐內達到300-380mmHg，再將稱取的Mn、Cu、T1、Co依次加入鋼液中，攪拌2min後出鋼，出鋼溫度為1540°C，澆注到鑄錠模中，澆注過程中要使鋼液溫度保持在1540°C，同時注意鋼液表面平靜，澆注均勻，澆注完畢後將鑄錠模在真空室保存30min，然後取出鑄錠並冷卻至室溫，在熔煉過程中其餘組分含量控制為:C ( 0.02%, Si ( 0.025%,P ≤ 0.002%, S ≤0.002%, Fe ≤ 0.75% ；
[0027]步驟2，拔絲
[0028]採用空氣錘在1100-1150°C下將步驟I得到的鑄錠鍛造成50mmX50mm的方坯料， 再在1100-1150°C下採用200型五架橫列三輥式軋機將坯料軋製成06.5mm-O7.0mm盤條； 將盤條經過機械剝殼，酸洗，在200°C乾燥Ih，熱處理(溫度880-980°C，時間1.5h)後逐級拉拔，最終形成O 1.2mm-O 2.0mm的鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料。
[0029]本發明鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料，直徑小，採用手工鎢極氬弧焊焊接或熔化極氬弧焊焊接可將鈦-鋼複合板鈦層與鋼層焊縫組織有效的連接在一起，實現鈦-鋼複合板的熔焊對接。
[0030]本發明鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料，通過在鈦-鋼複合板上開V形坡口，先用鈦焊絲焊接鈦層，再用本發明的焊接材料焊接過渡層，最後用鋼焊絲焊接鋼層， 所得焊接接頭具有優良的強韌性；且本發明焊接材料的製備方法簡單，成本較低，便於進行大規模批量生產。
[0031]實施例1
[0032]步驟I， 熔煉
[0033]按照重量百分比分別稱取以下純金屬粉末:Mn3.15%，Crl8%，Cu0.01%, Ti0.35%， Co0.035%, Nb2.0%，Ta0.6%，餘量為Ni ;將上述稱取的N1、Cr、Nb、Ta粉末放入真空感應熔煉爐內的MgO坩堝內進行熔化，Cr、Nb、Ta粉末放在鎳粉中心；等爐內金屬粉末完全熔化成鋼液後在1550°C下精煉20min，然後將鋼液溫度降至1540°C，充入氬氣使爐內達到300mmHg， 再將稱取的Mn、Cu、T1、Co粉末依次加入鋼液中，攪拌2min後出鋼，出鋼溫度為1540 V，澆注到鑄錠模中，澆注過程中要使鋼液溫度保持在1540°C，同時注意鋼液表面平靜，澆注均勻， 澆注完畢後將鑄錠模在真空室保存30min，然後取出鑄錠並冷卻至室溫，在熔煉過程中其餘組分含量控制為:C ≤0.02%, Si ≤0.025%, P ≤0.002%, S ≤0.002%, Fe ≤0.75% ；
[0034]步驟2，拉絲
[0035]採用雙臂式電動空氣錘(750Kg)在1100 °C下將步驟I得到的鑄錠鍛造成 50mm X 50mm的方坯料，再在1100°C下採用200型五架橫列三輥式軋機將坯料軋製成 O 6.5 mm盤條；將盤條經過機械剝殼、酸洗、在2 0 (TC乾燥I h，熱處理(溫度9 2 (TC，時間 1.5h)後逐級拉拔，最終形成O 1.2mm的鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料。
[0036]用實施例1製備得到的焊接材料配合鈦層焊接材料(TC4鈦絲)及鋼層焊接材料 (低碳鋼氣保焊絲)焊接鈦-鋼(TA1-Q235)複合板，焊接工藝為:複合板開單V形坡口(鋼層在上、鈦層在下)，坡口角度為60°，先焊鈦層，後焊鋼層；鈦層採用手工鎢極氬弧焊，過渡層採用熔化極氬弧焊，焊接電流分別為:80-100A、90-120A，保護氣體為99.99%的高純氬氣， 鋼層採用CO2氣體保護焊，焊接電流為160-180A。
[0037]經測試，實施例1製備的焊接材料的焊接接頭力學性能為:抗拉強度482MPa，屈服強度380MPa，斷後延伸率11%，斷面收縮率35%，室溫衝擊功35J。
[0038]由圖1可知，TAl與本發明焊接材料組織結合良好，無明顯界面，兩側焊縫均呈現等軸晶組織，TAl側焊縫等軸晶尺寸稍大於過渡層焊縫的等軸晶尺寸，大小不相同的等軸晶相互結合在一起；由圖2可知，過渡層與Q235鋼層組織以小塊狀或片狀結合在一起，過渡層組織逐漸由靠近TAl側的等軸晶變為細小的塊狀鐵素體及少量奧氏體，Q235鋼層焊縫主要為塊狀珠光體和條狀鐵素體。
[0039]實施例2
[0040]步驟I，熔煉
[0041]按照重量百分比分別稱取以下純金屬粉末:Mn3.20%, Cr21%，Cu0.012%，Ti0.35%，Co0.03%, Nbl.95%，Ta0.5%，餘量為Ni，將上述稱取的N1、Cr、Nb、Ta粉末放入真空感應熔煉爐內的MgO坩堝內進行熔化，Cr、Nb、Ta粉末放在鎳粉末中心；等爐內金屬完全熔化成鋼液後在1550°C下精煉20min，然後將鋼液溫度降至1540°C，充入氬氣使爐內達到35OmmHg，再將稱取的Mn、Cu、T1、Co粉末依次加入鋼液中，攪拌2min後出鋼，出鋼溫度為1540°C，澆注到鑄錠模中，澆注過程中要使鋼液溫度保持在1540°C，同時注意鋼液表面平靜，澆注均勻，澆注完畢後將鑄錠模在真空室保存30min，然後取出鑄錠並冷卻至室溫，在熔煉過程中其餘組分含量控制為:C ( 0.02%, Si ( 0.025%, P ≤ 0.002%, S ≤ 0.002%, Fe ( 0.75% ；
[0042]步驟2，拉絲
[0043]採用雙臂式電動空氣錘(750Kg)在1125 °C下將步驟I得到的鑄錠鍛造成50mmX50mm的方坯料，再在1125 °C下採用200型五架橫列三輥式軋機將坯料軋製成Φ 6.6 mm盤條；將盤條經過機械剝殼、酸洗、在2 O (TC乾燥I h，熱處理(溫度9 8 (TC，時間
1.5h)後逐級拉拔，最終形成Φ 1.5mm的鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料。
[0044]用實施例2製備的焊接材料配合鈦層焊接材料(TC4鈦絲)及鋼層焊接材料(低碳鋼氣保焊絲)焊接鈦-鋼(TA1-Q235)複合板，焊接工藝為:複合板開單V形坡口(鋼層在上、鈦層在下)，坡口角度為60°，先焊鈦層，後焊鋼層；鈦層採用手工鎢極氬弧焊，過渡層採用熔化極氬弧焊，焊接電流分別為:80-100A、100-130A，保護氣體為99.99%的高純氬氣，鋼層採用CO2氣體保護焊，焊接電流為160-180A。
[0045]經測試，實施例2製備的焊接材料的焊接接頭力學性能為:抗拉強度487MPa，屈服強度388MPa，斷後延伸率10%，斷面收縮率32%，室溫衝擊功32J。
[0046]實施例3
[0047]步驟I，熔煉
[0048]按照重量百分比分別稱取以下純金屬粉末:Mn3.25%，Cr24%，Cu0.015%，Ti0.45%，Co0.04%, Nbl.85%，Ta0.3%，餘量為Ni，將上述稱取的N1、Cr、Nb、Ta粉末放入真空感應熔煉爐內的MgO坩堝內進行熔化，Cr、Nb、Ta粉末放在鎳粉中心；等爐內金屬粉末完全熔化成鋼液後在1550°C下精煉20min，然後將鋼液溫度降至1540°C，充入氬氣使爐內達到380mmHg，再將稱取的Mn、Cu、T1、Co粉末依次加入鋼液中，攪拌2min後出鋼，出鋼溫度為1540 V，澆注到鑄錠模中，澆注過程中要使鋼液溫度保持在1540°C，同時注意鋼液表面平靜，澆注均勻，澆注完畢後將鑄錠模在真空室保存30min，然後取出鑄錠並冷卻至室溫，在熔煉過程中其餘組分含量控制為:C ( 0.02%, Si ( 0.025%, P ≤ 0.002%, S ≤ 0.002%, Fe ( 0.75% ；
[0049]步驟2，拉絲
[0050]採用雙臂式電動空氣錘(750Kg)在1150°C下將步驟I得到的鑄錠先鍛造成50mm X 50mm的方坯料，再在1150°C下採用200型五架橫列三輥式軋機將坯料軋製成Φ6.8mm盤條；將盤條經過機械剝殼、酸洗、在200 °C乾燥lh，熱處理(溫度880 V，時間
1.5h)後逐級拉拔，最終形成Φ 1.8mm的鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料。
[0051]用實施例3製備的焊接材料，配合鈦層焊接材料(TC4鈦絲)及鋼層焊接材料(低碳鋼氣保焊絲)焊接鈦-鋼(TA1-Q235)複合板，焊接工藝為:複合板開單V形坡口(鋼層在上、 鈦層在下)，坡口角度為60°，先焊鈦層，後焊鋼層；鈦層與過渡層均採用手工鎢極氬弧焊， 焊接電流分別為:80-100A、90-120A，保護氣體為99.99%的高純氬氣，鋼層採用CO2氣體保護焊，焊接電流為160-180A。
[0052]經測試，實施例3製備的焊接材料的焊接接頭力學性能為:抗拉強度485MPa，屈服強度383MPa，斷後延伸率10.5%，斷面收縮率33%，室溫衝擊功33J。
[0053]實施例4 [0054]步驟I，熔煉
[0055]按照重量百分比分別稱取以下純金屬粉末:Mn3.35%，Cr27%，Cu0.015%, Ti0.55%， Co0.04%, Nbl.80%, Ta0.2%，餘量為Ni，將上述稱取的N1、Cr、Nb、Ta粉末放入真空感應熔煉爐內的MgO坩堝內進行熔化，Cr、Nb、Ta粉末放在鎳粉中心；等爐內金屬粉末完全熔化成鋼液後在1550°C下精煉20min，然後將鋼液溫度降至1540°C，充入氬氣使爐內達到360mmHg， 再將稱取的Mn、Cu、T1、Co粉末依次加入鋼液中，攪拌2min後出鋼，出鋼溫度為1540 V，澆注到鑄錠模中，澆注過程中要使鋼液溫度保持在1540°C，同時注意鋼液表面平靜，澆注均勻， 澆注完畢後將鑄錠模在真空室保存30min，然後取出鑄錠並冷卻至室溫，在熔煉過程中其餘組分含量控制為:C ≤ 0.02%, Si ≤ 0.025%, P ≤ 0.002%, S ≤ 0.002%, Fe ≤0.75% ；
[0056]步驟2，拉絲
[0057]採用雙臂式電動空氣錘(750Kg)在1150 °C下將步驟I得到的鑄錠鍛造成 50mm X 50mm的方坯料，再在1150°C下採用200型五架橫列三輥式軋機將坯料軋製成
O7.0 mm盤條；將盤條經過機械剝殼、酸洗、在2 0 (TC乾燥I h，熱處理(溫度9 5 (TC，時間
1.5h)後逐級拉拔，最終形成0 2.0mm的鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料。
[0058]用實施例4製備的焊接材料，配合鈦層焊接材料(TC4鈦絲)及鋼層焊接材料(低碳鋼氣保焊絲)焊接鈦-鋼(TA1-Q235)複合板，焊接工藝為:複合板開單V形坡口(鋼層在上、 鈦層在下)，坡口角度為60°，先焊鈦層，後焊鋼層；鈦層與過渡層均採用手工鎢極氬弧焊， 焊接電流分別為:80-100A、100-130A，保護氣體為99.99%的高純氬氣，鋼層採用CO2氣體保護焊，焊接電流為160-180A。
[0059]經測試，實施例4製備的焊接材料的焊接接頭力學性能為:抗拉強度490MPa，屈服強度385MPa，斷後延伸率9.5%，斷面收縮率31%，室溫衝擊功31J。
[0060]由圖3可知，TAl與本發明焊接材料組織以大小不一、形貌各異的等軸晶相互連接，TAl側焊縫組織多為不規則的多邊形或條狀等軸晶，過渡層焊縫組織多為不規則的多邊形晶粒，且晶粒界面較為模糊；由圖4可知，過渡層與Q235鋼層組織以小塊狀或片狀結合在一起，過渡層組織逐漸由靠近TAl側的等軸晶變為細小的塊狀鐵素體及少量奧氏體，Q235 鋼層焊縫主要為塊狀珠光體和條狀鐵素體。
【權利要求】
1.鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料，其特徵在於，按重量百分比包括以下組分:Mn3.15-3.35%, Crl8-27%, Cu0.01-0.015%, Ti0.35-0.55%, Co0.03-0.04%, Nbl.8-2.0%,Ta0.2-0.6%, C ≤ 0.02%, Si ≤ 0.025%, P ≤ 0.002%, S ≤ 0.002%, Fe ≤ 0.75%，餘量為 Ni,上述組分重量百分比之和為100%。
2.鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料的製備方法，其特徵在於，具體操作步驟如下: 步驟1，熔煉 按照重量百分比分別稱取以下純金屬粉末:Mn3.15-3.35%，Crl8_27%，Cu0.01-0.015%,Ti0.35-0.55%, Co0.03-0.04%, Nbl.8-2.0%, Ta0.2-0.6%，餘量為 Ni，將上述稱取的 N1、Cr、Nb、Ta粉末放入真空感應爐內的MgO坩堝內進行熔化，Cr、Nb、Ta粉末放在鎳粉中心，等爐內金屬粉末完全熔化成鋼液後進行精煉，然後將鋼液溫度降至1540°C，充入氬氣使爐內達到300-380mmHg，再將稱取的Mn、Cu、T1、Co粉末依次加入鋼液中，攪拌2min後出鋼，澆注到鑄錠模中，澆注完畢後將鑄錠模在真空室保存30min，然後取出鑄錠並冷卻至室溫，在熔煉過程中其餘組分含量控制為:C≤0.02%, Si≤0.025%, P ≤ 0.002%, S ≤ 0.002%, Fe ≤ 0.75% ； 步驟2，拔絲 採用空氣錘在1100-1150°C下將步驟I得到的鑄錠鍛造成50mmX50mm的方坯料，再在1100-1150°C下採用200型五架橫列三輥式軋機將坯料軋製成Φ6.5mm-Φ7.0mm盤條；將盤條經過機械剝殼、酸洗、烘乾、熱處理後逐級拉拔，最終形成Φ 1.2mm-Φ 2.0mm的鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料。
3.根據權利要求2所述的鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料的製備方法，其特徵在於，步驟I中精煉溫度為1550°C，精煉時間為20min。
4.根據權利要求2所述的鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料的製備方法，其特徵在於，步驟I中鋼液的出鋼溫度為1540°C，澆注過程中要使爐內鋼液溫度保持在1540°C，同時注意鋼液表面平靜，澆注均勻。
5.根據權利要求2所述的鈦-鋼複合板熔焊對接過渡層用焊接材料的製備方法，其特徵在於，步驟2中酸洗時使用的酸洗溶液為體積分數為20%硫酸、10%硝酸和5%鹽酸配製成的水溶液；烘乾溫度為200°C，烘乾時間為Ih ;熱處理溫度為880-980°C，時間為1.5h。
【文檔編號】B23K35/40GK103567661SQ201310526242
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月30日 優先權日:2013年10月30日
【發明者】張敏, 吳偉剛, 史倩茹, 井強, 汪強, 褚巧玲, 李繼紅 申請人:西安理工大學