一種提高鉬及鉬合金熔焊焊縫強韌性的微合金化方法與流程
2023-11-11 14:11:32
本發明屬於焊接技術領域，涉及一種提高鉬及鉬合金熔焊焊縫強韌性的微合金化方法。
背景技術：
鉬，熔點高達2610℃，中子吸收截面小，熱膨脹係數低，熱傳導性能優異，高溫力學性能好，可加工性好，當溫度低於500℃時，鉬在空氣或水中有良好的穩定性。上述優點使得鉬在冶金、航空、航天、核能、軍事等領域有著重要應用。然而，鉬及鉬合金本質上是硬脆材料，焊接性極差。由於鉬的熔點太高，一般須採用粉末冶金的方式加工製備，材料含氣量較高；同時，鉬在高溫下對o、n、c等雜質十分敏感，特別是在熔化焊熔池凝固時，o、n、c等雜質元素易在晶界處偏析，使晶界弱化，焊縫的結合強度極差。上述問題嚴重製約了鉬及鉬合金在結構材料領域的應用。
技術實現要素：
本發明的目的在於解決鉬及鉬合金焊接中面臨的問題，提供了一種提高鉬及鉬合金熔焊焊縫強韌性的微合金化方法，該方法能夠消除雜質元素在晶界處偏析的問題，鉬及鉬合金熔焊焊縫的結合強度較好。
為達到上述目的，本發明所述的提高鉬及鉬合金熔焊焊縫強韌性的微合金化方法包括以下步驟：
1)對待焊接工件上的待焊區域表面預處理，其中，待焊接工件的材質為鉬或鉬合金；
2)在待焊接工件的接合處填充鈦層；
3)將待焊接工件放置到惰性氣體保護氣氛中或真空環境中，並對待焊接工件的焊接區域進行預熱；
4)完成待焊接工件的焊接，再對焊接後工件的焊縫區域進行保溫，然後冷卻至室溫，完成對工件熔焊焊縫的微合金化。
步驟1)中對待焊接工件上的待焊區域表面預處理的具體操作為：打磨待焊接工件的焊接區域，再對待焊接工件的焊接區域進行鹼洗，然後再用清水進行衝洗，再將待焊接工件的焊接區域浸泡於丙酮中進行超聲清洗，最後再將待焊接共建的焊接區域吹乾。
步驟4)中通過雷射焊、雷射電弧複合焊、電子束焊、等離子束焊或氬弧焊完成待焊接工件的焊接。
待焊接工件的材質為鉬、鉬鎢合金、鉬錸合金、tzm合金、合金元素含量不超過2wt％的鉬合金或第二相摻雜物含量不超過2wt％的鉬合金。
工件的焊縫形式為對接焊縫或角接焊縫，其中，焊接前工件的裝配間隙小於0.02mm。
焊後焊縫金屬中所摻入的鈦元素的質量百分比為0.8％。
鈦層中鈦的純度大於等於99.99％。
步驟2)中在待焊接工件的接合處填充鈦層的方法為直接填充箔材、濺射鍍膜、電鍍、冷噴塗或雷射熔覆。
步驟3)中預熱的預熱溫度為450℃-550℃。
步驟3)中將待焊接工件放置到純度大於等於99.999％的氬氣中或真空度大於等於10-1pa的真空環境中。
本發明具有以下有益效果：
本發明所述的提高鉬及鉬合金熔焊焊縫強韌性的微合金化方法在具體操作時，通過在待焊接工件的接合處填充鈦層，通過鈦與鉬在從液相到固相的轉變過程中發生勻晶反應，使鈦與鉬無限互溶，並且不生成脆硬相，且鈦與鉬的固溶體熔點較高，具有較好的高溫力學性能。同時，鈦在高溫下對氧具有極強的親和力，可以有效地消除雜質元素在晶界的偏析現象，避免發生晶界分離，並且反應生成的moxtiyoz複合氧化物可以對焊縫組織起到第二相粒子彌散強化的作用，從而有效地提高鉬及鉬合金熔焊焊縫的結合強度，經試驗，採用本發明後鉬及鉬合金的熔焊接頭的強韌性得到顯著的提高，焊接接頭室溫拉伸強度達到母材室溫拉伸強度的80％以上，並且焊縫拉伸斷口微觀形貌主要表現為穿晶斷裂。
附圖說明
圖1為ti-mo二元平衡相圖；
圖2(a)為實施例一中鉬管的尺寸示意圖；
圖2(b)為實施例一中鈦箔的尺寸示意圖；
圖2(c)為實施例一中端塞尺寸示意圖；
圖3為實施例一中焊接接頭及焊縫形貌圖；
圖4為實施例一中鉬管母材、不加ti接頭與加ti接頭拉伸曲線圖；
圖5為實施例一中不加ti時鉬合金雷射焊接頭拉伸斷口顯微形貌圖；
圖6為實施例一中加ti時鉬合金雷射焊接頭拉伸斷口顯微形貌圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：
本發明所述的提高鉬及鉬合金熔焊焊縫強韌性的微合金化方法包括以下步驟：
1)對待焊接工件上的待焊區域表面預處理，其中，待焊接工件的材質為鉬或鉬合金；
2)在待焊接工件的接合處填充鈦層；
3)將待焊接工件放置到惰性氣體保護氣氛中或真空環境中，並對待焊接工件的焊接區域進行預熱；
4)完成待焊接工件的焊接，再對焊接後工件的焊縫區域進行保溫，然後冷卻至室溫，完成對工件熔焊焊縫的微合金化。
步驟1)中對待焊接工件上的待焊區域表面預處理的具體操作為：打磨待焊接工件的焊接區域，再對待焊接工件的焊接區域進行鹼洗，然後再用清水進行衝洗，再將待焊接工件的焊接區域浸泡於丙酮中進行超聲清洗，最後再將待焊接工件的焊接區域吹乾。
步驟4)中通過雷射焊、雷射電弧複合焊、電子束焊、等離子束焊或氬弧焊完成待焊接工件的焊接。
待焊接工件的材質為純鉬、鉬鎢合金、鉬錸合金、tzm合金、合金元素含量不超過2wt％的鉬合金或第二相摻雜物含量不超過2wt％的鉬合金。
工件的焊縫形式為對接焊縫或角接焊縫，其中，焊接前工件的裝配間隙小於0.02mm。
焊後焊縫金屬中所摻入的鈦元素的質量百分比為0.8％。
鈦層中鈦的純度大於等於99.99％。
通過直接填充箔材、濺射鍍膜方法、電鍍方法、冷噴塗方法或雷射熔覆方法在待焊接工件的接合處填充鈦層。
步驟3)中預熱的預熱溫度為450℃-550℃。
步驟3)中將待焊接工件放置到純度大於等於99.999％的氬氣中或真空度大於等於10-1pa的真空環境中。
實施例一
以含0.25wt％la2o3彌散強化相的高性能鉬合金薄壁管-端塞的對接雷射焊為例，其尺寸如圖2(a)、圖2(b)及圖2(c)所示，其中，圖2(a)、圖2(b)及圖2(c)中各標註的單位均為mm；焊接的主要操作流程為：1)將鉬管及端塞對接區域依次用240#砂紙、600#砂紙、1000#砂紙進行打磨，然後用稀氫氧化鈉水溶液進行鹼洗，最後用丙酮超聲清洗，吹乾備用；2)將厚度為0.05mm的ta1鈦箔加工成外徑為10mm、內徑為8.5mm的環形墊片，再用由12ml的hno3、6ml的hf及82ml的h2o配製而成的溶液進行酸洗以去除鈦箔表面氧化膜，最後用丙酮超聲清洗，吹乾備用；3)將鉬管與端塞進行裝配，將鈦箔環形墊片填充於兩者接縫處，保證三者裝配緊密；4)將裝配好的待焊試樣置於高純氬氣保護氣氛中，再對對焊接頭進行預熱，當接頭溫度達到500℃後，將功率為1200kw的雷射束照射於鉬管與端塞填充了鈦箔的接縫處，並將試樣以0.2m/min的線速度旋轉一周，完成對鉬管和端塞的雷射焊環焊，將焊後的焊接接頭在500℃以上保溫30s，然後再緩慢冷卻至室溫，試樣焊縫形貌如圖3所示。
按照上述步驟焊接一個鉬管和端塞對接處不加鈦箔的試樣作為對照；對高性能鉬合金薄壁管母材、不加鈦箔和加鈦箔的兩種高性能鉬合金雷射焊對接接頭進行拉伸，拉伸曲線如圖4所示，鉬管母材的抗拉強度為720mpa，斷裂時伸長量達到10.6mm；不加鈦箔焊接接頭的抗拉強度僅為124mpa，斷裂時伸長量僅為0.6mm；加鈦箔焊接接頭的抗拉強度為606mpa，達到母材抗拉強度的84.2％，拉伸時塑韌性相比於不加鈦箔時得到顯著改善，斷裂時伸長量為3.1mm。如圖5及圖6，不加鈦箔時接頭的斷裂模式主要表現為沿晶斷裂，而加鈦箔時接頭的斷裂模式主要表現為穿晶解理斷裂，因此本發明可以顯著改善其雷射焊接頭的韌性，提高接頭的抗拉強度。