鈦‑銅‑鋼複合板焊接用藥芯焊絲及其焊接坡口形式的製作方法
2023-04-30 17:32:06 1
本發明屬於金屬材料焊接技術領域，具體涉及鈦-銅-鋼複合板焊接用藥芯焊絲，本發明還涉及該藥芯焊絲的製備方法，以及焊接坡口形式。
背景技術：
鈦-銅-鋼複合板是一種在鈦-鋼複合板基礎上改進的新型爆炸三層金屬複合板，兼有鈦的優良耐腐蝕性和鋼的優良塑韌性。實現其在石油管道運輸上的應用，既能滿足石油管道運輸的要求，又能解決鈦-鋼複合板不易焊接的問題。已有的研究成果表明鈦與鋼焊接存在兩大困難：一方面，焊縫中產生tife、tife2硬脆金屬間化合物，致使焊接接頭脆斷：另一方面，由於鈦和鋼熱物理性能存在很大差異，從而使得焊後接頭中存在很大的殘餘應力。目前，鈦-鋼複合板的對接主要是通過加蓋板的鈦、鋼互不相溶的搭接焊方式來實現，或者是通過在其對接間隙引入合適的中間層來實現，這些焊接方法工藝複雜，因此難以實現工程化應用。
技術實現要素：
本發明的目的是提供鈦-銅-鋼複合板焊接用藥芯焊絲，解決了鈦-銅-鋼複合板無法熔焊對接的問題。
本發明的另一個目的是提供鈦-銅-鋼複合板焊接用藥芯焊絲的製備方法。
本發明還有一個目的是提供用藥芯焊絲焊接鈦-銅-鋼複合板焊接時的坡口形式。
本發明所採用的技術方案是，鈦-銅-鋼複合板焊接用藥芯焊絲，包括藥芯和焊皮，其中藥芯按質量百分比由以下組分組成：v粉55％～65％，ni粉15％～25％，ag粉15％～25％，以上組分質量百分比之和為100％。
本發明的特點還在於：
v粉的純度為99.99％；ni粉的純度為99.99％，ag粉的純度為99.99％，三種金屬粉的粒度都是250-300目。
焊皮為紫銅帶，紫銅帶厚度0.3mm，寬度7mm。
該藥芯焊絲的填充量控制在15％～20％。
本發明所採用的第二個技術方案是，鈦-銅-鋼複合板焊接用藥芯焊絲的製備方法，具體步驟如下：
步驟1：按質量百分比分別稱取v粉55％～65％，ni粉15％～25％，ag粉15％～25％，上述組分質量百分比之和為100％；
步驟2：將步驟1稱取的v粉、ni粉和ag放到球磨機中，球磨10h後得到混合均勻的藥芯粉末；將其置於真空加熱爐內加熱，加熱溫度150-200℃，保溫時間2.5-3.5h，去除藥粉中的結晶水，得到藥芯粉末；
步驟3：通過藥芯焊絲製絲機把把步驟2製備得到的藥芯粉末包裹在紫銅帶內，第一道拉拔磨具孔徑為2.6mm，拉拔藥芯焊絲第一道工序前，紫銅帶用丙酮擦拭乾淨；
步驟4：第一道工序拉拔完畢後，磨具孔徑依次換至2.3mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm、1.42mm、1.34mm、1.28mm、1.24mm，最終拉拔藥芯焊絲至直徑為1.2mm；
步驟5：焊絲拉拔完畢後，藥芯焊絲用蘸有丙酮的棉布擦拭上邊的油汙，最終經繞絲機把藥芯焊絲纏繞在焊絲盤上待用。
本發明所採用的第三個技術方案是，採用上述藥芯焊絲焊接鈦-銅-鋼複合板時的坡口形式，坡口形式為不對稱的雙v型，鋼側坡口角度為55～65°，鈦側坡口角度為90～95°，且鈦側坡口根部位置位於鈦-鋼複合界面偏向鋼側0.5mm處，坡口裝配間隙控制在2～5mm。
本發明的有益效果是，
(1)本發明藥芯焊絲直徑比較小，絲徑為1.2mm的藥芯焊絲適用廣泛，該藥芯焊絲既可採用手工鎢極氬弧焊，又可用於熔化極惰性氣體保護焊；
(2))v、ni、ag元素作為藥芯焊絲中藥粉主要組元，對於熔化焊ta1/cu/x65複合板，過渡層材料的選擇和應用至關重要。從冶金作用產物考慮，v元素和ti元素可以形成連續固溶體，有利於抑制焊縫中ti-fe金屬間化合物的形成；ag元素能與ti元素形成有限固溶體，微量ag元素的加入既可以優化過渡層組織，提高焊縫的強韌性；ni元素的加入可以改變焊接材料對母材的潤溼性，提高焊縫的成形質量，並且ni的加入有利於降低藥芯焊絲的熔點。而cu是非碳化物形成元素，能與鈦及鋼中的各種元素均能形成固溶體，有利於抑制過渡層中脆性相的形成；
(3)ta1/cu/x65複合板開不對稱雙v形坡口，採用中間銅層可有效抑制在焊接過程中ti、fe元素在複合界面處的直接冶金作用，先用er50-6鋼焊絲在鋼側坡口處焊接鋼層，再用本發明的藥芯焊絲在ti側坡口處焊接過渡層，最後用純鈦焊絲焊接鈦層，所得焊接接頭具有優良的強韌性；
(4)本發明藥芯焊絲合金元素較少，製備工藝簡單，便於進行大規模批量生產。
附圖說明
圖1是ta1/cu/x65爆炸複合板示意圖及微觀組織形貌圖；
圖2是ta1/cu/x65爆炸複合坡口尺寸示意圖；
圖3是ta1/cu/x65爆炸複合坡口焊材填充示意圖；
圖4為實施案例2製備的藥芯焊絲用於鈦-銅-鋼複合板焊接時，過渡層、鋼層和鈦層界面的微觀組織形貌圖；
圖5為實施案例2製備的藥芯焊絲用於鈦-銅-鋼複合板焊接時，焊縫的微觀組織形貌圖；
圖6為實施案例2製備的藥芯焊絲用於鈦-銅-鋼複合板焊接時，焊縫的整體微觀組織形貌圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。
本發明鈦-銅-鋼複合板焊接用藥芯焊絲，包括藥芯和焊皮，其中藥芯按質量百分比由以下組分組成：v粉55％～65％，純度99.99％，ni粉15％～25％，純度99.99％％，ag粉15％～25％，純度99.99％，以上組分質量百分比之和為100％，藥芯焊絲的填充量控制在15％～20％。焊皮為紫銅帶，紫銅帶厚度0.3mm，寬度7mm。
該藥芯焊絲中各組分的作用和功能如下：
cu元素在藥芯焊絲中做過渡層時，由於cu元素不與基層鋼形成金屬間化合物脆性相，並且可以改變鈦鋼複合板過渡層組織形貌。cu做為中間層，對鈦和鐵元素形成金屬間化合物有一定的隔離作用，在焊縫中，鈦和鐵的金屬間化合物層被鈦和銅的金屬間化合物代替，使焊縫的塑性和韌性有一定的提高，由於鈦和銅的金屬間化合物相對較軟，使的焊縫中的熱應力相對減少這對避免焊後裂紋有一定的好處。cu的固溶體可以打斷鈦和鐵的金屬間化合物，並且可以減少焊縫的硬度；
v元素作為藥芯焊絲中藥粉主要組元，由於v元素和ti元素可以形成連續固溶體，可減少焊縫中硬脆的ti-fe金屬間化合物；
ag元素能與ti元素形成有限固溶體，微量ag元素的加入既可以優化過渡層組織，提高焊縫的強韌性；
ni元素的加入可以改變焊接材料對母材的潤溼性，提高焊縫的成形質量，並且ni的加入有利於降低藥芯焊絲的熔點。
上述鈦-銅-鋼複合板焊接用藥芯焊絲的製備方法，具體步驟如下：
步驟1：按質量百分比分別稱取v粉55％～65％，ni粉15％～25％，ag粉15％～25％，以上組分質量百分比之和為100％；
步驟2：將步驟1稱取的v粉、ni粉和ag放到球磨機中，球磨10h後得到混合均勻的藥芯粉末；將其置於真空加熱爐內加熱，加熱溫度150-200℃，保溫時間2.5-3.5h，去除藥粉中的結晶水得到藥芯粉末；
步驟3：通過藥芯焊絲製絲機把把步驟2製備得到的藥芯粉末包裹在紫銅帶內，第一道拉拔磨具孔徑為2.6mm，拉拔藥芯焊絲第一道工序前，紫銅帶用丙酮擦拭乾淨；
步驟4：第一道工序拉拔完畢後，磨具孔徑依次換至2.3mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm、1.42mm、1.34mm、1.28mm、1.24mm，最終拉拔藥芯焊絲至直徑為1.2mm；
步驟5：焊絲拉拔完畢後，藥芯焊絲用蘸有丙酮的棉布擦拭上邊的油汙，最終經繞絲機把藥芯焊絲纏繞在焊絲盤上待用。
採用上述藥芯焊絲焊接鈦-銅-鋼複合板時的坡口形式，其特徵在於，坡口形式為不對稱的雙v型，鋼側坡口角度為55～65°，鈦側坡口角度為90～95°，且鈦側坡口根部位置位於鈦-鋼複合界面偏向鋼側0.5mm處，坡口裝配間隙控制在2～5mm。
實施例1
步驟1：按所需分別稱取質量百分比為55％的v粉、25％的ni粉和20％的ag粉，上述組分質量百分比之和為100％；
步驟2：將步驟1稱取的v粉、ni粉和ag粉放到球磨機中，球磨10h得到混合均勻的藥芯粉末；將其置於真空加熱爐內加熱，加熱溫度190℃，保溫時間2.5h，目的去除藥粉中的結晶水，得到藥芯粉末；
步驟3：通過藥芯焊絲製絲機把步驟2製備得到的藥芯粉末包裹在紫銅帶內，填充量控制在15％，第一道拉拔磨具孔徑為2.6mm，拉拔藥芯焊絲第一道工序前，紫銅帶用丙酮擦拭乾淨；
步驟4：第一道工序拉拔完畢後，磨具孔徑依次換至2.3mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm、1.42mm、1.34mm、1.28mm、1.24mm，最終拉拔藥芯焊絲至直徑為1.2mm；
步驟5：焊絲拉拔完畢後，藥芯焊絲用蘸有丙酮的棉布擦拭上邊的油汙，最終經繞絲機把藥芯焊絲纏繞在焊絲盤上待用。
用實施例1製備的鈦-銅-管線鋼複合板過渡層用藥芯焊絲，配合純鈦焊絲(鈦層)，及er50-6鋼焊絲(鋼層)焊接ta1/cu/x65複合板，ta1/cu/x65爆炸複合板微觀形貌如附圖說明圖1所示。焊接工藝為：ta1/cu/x65複合板開不對稱的雙v形坡口(鋼層在下、鈦層在上)，鋼側坡口角度為65°，鈦側坡口角度為95°，且鈦側坡口根部位置位於鈦-鋼複合界面偏向鋼側0.5mm處，坡口裝配間隙控制在2～5mm。ta1/cu/x65爆炸複合板坡口尺寸示意圖如圖2所示，焊材填充示意圖如圖3所示。焊接順序為：鋼層-過渡層-鈦層；鋼層採用co2氣體保護焊，焊接電流為180-220a，過渡層採用手工tig焊，焊接電流為100-130a，鈦層採用自動鎢極氬弧焊，焊接電流分別為：110-125a。
經測試，焊接接頭力學性能為：抗拉強度495mpa，屈服強度412mpa，斷後延伸率8％，斷面收縮率22％，室溫衝擊功60j。
實施例2
步驟1：按所需分別稱取質量百分比為65％的v粉、20％的ni粉和15％的ag粉，上述組分質量百分比之和為100％；
步驟2：將步驟1稱取的v粉、ni粉和ag粉放到球磨機中，球磨10h得到混合均勻的藥芯粉末；將其置於真空加熱爐內加熱，加熱溫度150℃，保溫時間2.5h，目的去除藥粉中的結晶水，得到藥芯粉末；
步驟3：通過藥芯焊絲製絲機把步驟2製備得到的藥芯粉末包裹在紫銅帶內，填充量控制在20％，第一道拉拔磨具孔徑為2.6mm，拉拔藥芯焊絲第一道工序前，紫銅帶用丙酮擦拭乾淨；
步驟4：第一道工序拉拔完畢後，磨具孔徑依次換至2.3mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm、1.42mm、1.34mm、1.28mm、1.24mm，最終拉拔藥芯焊絲至直徑為1.2mm；
步驟5：焊絲拉拔完畢後，藥芯焊絲用蘸有丙酮的棉布擦拭上邊的油汙，最終經繞絲機把藥芯焊絲纏繞在焊絲盤上待用。
用實施例2製備的藥芯焊絲(過渡層)，配合純鈦焊絲(鈦層)，及er50-6鋼焊絲(鋼層)焊接ta1/cu/x65複合板；焊接工藝為：ta1/cu/x65複合板開不對稱的雙v形坡口(鋼層在下、鈦層在上)，鋼側坡口角度為55°，鈦側坡口角度為90°，且鈦側坡口根部位置位於鈦-鋼複合界面偏向鋼側0.5mm處，坡口裝配間隙控制在5mm；焊接順序為：鋼層-過渡層-鈦層；鋼層採用co2氣體保護焊，焊接電流為180-220a，過渡層採用手工tig焊，焊接電流為100-130a，鈦層採用自動鎢極氬弧焊，焊接電流分別為：110-125a。
經測試，焊接接頭力學性能為：抗拉強度516mpa，屈服強度438mpa，斷後延伸率9％，斷面收縮率27％，室溫衝擊功80j。
實施例2製備得到的cu-v-ni-ag藥芯焊絲配合純鈦焊絲及er50-6鋼焊絲焊接鈦-銅-鋼複合板的熔敷金屬微觀組織見圖4和圖5，圖6是焊接接頭整體形貌。從金相圖片上可以看出，焊縫各層填充金屬之間銜接良好，無宏觀裂紋等缺陷。從微觀組織形貌觀察，不同區域組織與組織間以熔合線隔開，熔合線清晰，熔合線附近未發現裂紋、氣孔等常見裂紋。
實施例3
步驟1：按所需分別稱取質量百分比為55％的v粉、20％的ni粉和25％的ag粉，上述組分質量百分比之和為100％；
步驟2：將步驟1稱取的v粉、ni粉和ag粉放到球磨機中，球磨10h得到混合均勻的藥芯粉末；將其置於真空加熱爐內加熱，加熱溫度180℃，保溫時間3.5h，目的去除藥粉中的結晶水，得到藥芯粉末；
步驟3：通過藥芯焊絲製絲機把步驟2製備得到的藥芯粉末包裹在紫銅帶內，填充量控制在20％，第一道拉拔磨具孔徑為2.6mm，拉拔藥芯焊絲第一道工序前，紫銅帶用丙酮擦拭乾淨；
步驟4：第一道工序拉拔完畢後，磨具孔徑依次換至2.3mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm、1.42mm、1.34mm、1.28mm、1.24mm，最終拉拔藥芯焊絲至直徑為1.2mm；
步驟5：焊絲拉拔完畢後，藥芯焊絲用蘸有丙酮的棉布擦拭上邊的油汙，最終經繞絲機把藥芯焊絲纏繞在焊絲盤上待用。
用實施例3製備的藥芯焊絲(過渡層)，配合純鈦焊絲(鈦層)，及er50-6鋼焊絲(鋼層)焊接ta1/cu/x65複合板；焊接工藝為：ta1/cu/x65複合板開不對稱的雙v形坡口(鋼層在下、鈦層在上)，鋼側坡口角度為60°，鈦側坡口角度為93°，且鈦側坡口根部位置位於鈦-鋼複合界面偏向鋼側0.5mm處，坡口裝配間隙控制在3mm；焊接順序為：鋼層-過渡層-鈦層；鋼層採用co2氣體保護焊，焊接電流為180-220a，過渡層採用手工tig焊，焊接電流為100-130a，鈦層採用自動鎢極氬弧焊，焊接電流分別為：110-125a。
經測試，焊接接頭力學性能為：抗拉強度465mpa，屈服強度402mpa，斷後延伸率6.8％，斷面收縮率18％，室溫衝擊功58j。
實施例4
步驟1：按所需分別稱取質量百分比為60％的v粉、15％的ni粉和25％的ag粉，上述組分質量百分比之和為100％；
步驟2：將步驟1稱取的v粉、ni粉和ag粉放到球磨機中，球磨10h得到混合均勻的藥芯粉末；將其置於真空加熱爐內加熱，加熱溫度180℃，保溫時間3h，目的去除藥粉中的結晶水，得到藥芯粉末；
步驟3：通過藥芯焊絲製絲機把步驟2製備得到的藥芯粉末包裹在紫銅帶內，填充量控制在17％，第一道拉拔磨具孔徑為2.6mm，拉拔藥芯焊絲第一道工序前，紫銅帶用丙酮擦拭乾淨；
步驟4：第一道工序拉拔完畢後，磨具孔徑依次換至2.3mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm、1.42mm、1.34mm、1.28mm、1.24mm，最終拉拔藥芯焊絲至直徑為1.2mm；
步驟5：焊絲拉拔完畢後，藥芯焊絲用蘸有丙酮的棉布擦拭上邊的油汙，最終經繞絲機把藥芯焊絲纏繞在焊絲盤上待用。
用實施例4製備的藥芯焊絲(過渡層)，配合純鈦焊絲(鈦層)，及er50-6鋼焊絲(鋼層)焊接ta1/cu/x65複合板；焊接工藝為：ta1/cu/x65複合板開不對稱的雙v形坡口(鋼層在下、鈦層在上)，鋼側坡口角度為65°，鈦側坡口角度為92°，且鈦側坡口根部位置位於鈦-鋼複合界面偏向鋼側0.5mm處，坡口裝配間隙控制在2mm；焊接順序為：鋼層-過渡層-鈦層；鋼層採用co2氣體保護焊，焊接電流為180-220a，過渡層採用手工tig焊，焊接電流為100-130a，鈦層採用自動鎢極氬弧焊，焊接電流分別為：110-125a。
經測試，焊接接頭力學性能為：抗拉強度470mpa，屈服強度411mpa，斷後延伸率7.2％，斷面收縮率19％，室溫衝擊功63j。
實施例5
步驟1：按所需分別稱取質量百分比為65％的v粉、15％的ni粉和20％的ag粉，上述組分質量百分比之和為100％；
步驟2：將步驟1稱取的v粉、ni粉和ag粉放到球磨機中，球磨10h得到混合均勻的藥芯粉末；將其置於真空加熱爐內加熱，加熱溫度200℃，保溫時間3.5h，目的去除藥粉中的結晶水，得到藥芯粉末；
步驟3：通過藥芯焊絲製絲機把步驟2製備得到的藥芯粉末包裹在紫銅帶內，填充量控制在20％，第一道拉拔磨具孔徑為2.6mm，拉拔藥芯焊絲第一道工序前，紫銅帶用丙酮擦拭乾淨；
步驟4：第一道工序拉拔完畢後，磨具孔徑依次換至2.3mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm、1.42mm、1.34mm、1.28mm、1.24mm，最終拉拔藥芯焊絲至直徑為1.2mm；
步驟5：焊絲拉拔完畢後，藥芯焊絲用蘸有丙酮的棉布擦拭上邊的油汙，最終經繞絲機把藥芯焊絲纏繞在焊絲盤上待用。
用實施例5製備的藥芯焊絲(過渡層)，配合純鈦焊絲(鈦層)，及er50-6鋼焊絲(鋼層)焊接ta1/cu/x65複合板；焊接工藝為：ta1/cu/x65複合板開不對稱的雙v形坡口(鋼層在下、鈦層在上)，鋼側坡口角度為65°，鈦側坡口角度為95°，且鈦側坡口根部位置位於鈦-鋼複合界面偏向鋼側0.5mm處，坡口裝配間隙控制在5mm；焊接順序為：鋼層-過渡層-鈦層；鋼層採用co2氣體保護焊，焊接電流為180-220a，過渡層採用手工tig焊，焊接電流為100-130a，鈦層採用自動鎢極氬弧焊，焊接電流分別為：110-125a。
經測試，焊接接頭力學性能為：抗拉強度465mpa，屈服強度402mpa，斷後延伸率7.9％，斷面收縮率21％，室溫衝擊功61j。
經優化在藥芯焊絲藥粉填充量控制在15％～20％時，質量百分比為65％的v粉、25％的ni粉和10％的ag粉的情況下，焊接鈦-銅-鋼層狀複合板可以得到成型效果最好、缺陷最少及力學性能較好的焊縫；ta1/cu/x65複合板開不對稱雙v形坡口，鋼側坡口角度為65°，鈦側坡口角度為90°，且鈦側坡口根部位置位於鈦-鋼複合界面偏向鋼側0.5mm處，坡口裝配間隙控制在5mm，所得焊接接頭具有優良的強韌性。