一種鈦合金與鎳基高溫合金的電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基高溫合金的電弧焊工藝，（1）清理鈦合金和鎳基合金表面；（2）坡口處理；（3）焊前預(yù)熱并通惰性氣體保護(hù)；（4）采用逆變直流電弧焊機(jī)進(jìn)行焊接，焊接之前先對鈦合金與鎳基合金接頭處進(jìn)行點(diǎn)固焊；焊接過程中的焊接電弧偏向鎳合金一側(cè)，降低鈦合金母材熔合比，減少焊縫中的脆性金屬間化合物，提高焊接接頭抗裂性能；整個焊接過程在惰性氣體保護(hù)中進(jìn)行，接頭背面同時充氬氣保護(hù)。本發(fā)明采用堿性低氫型Cr25-Ni13-Mo系焊條作為填充金屬，通過嚴(yán)格的焊前和焊后溫度控制，以及在整個焊接過程中良好的惰性氣體保護(hù)，實(shí)現(xiàn)對鈦合金與鎳基高溫合金的熔焊連接。該焊接工藝具有操作簡單、方便靈活、成本低等特點(diǎn)。
【專利說明】一種鈦合金與鏡基高溫合金的電弧焊工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種異種金屬的焊接方法，尤其涉及一種鈦合金與高溫鎳合金的焊條電弧焊方法，屬于材料焊接【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦及鈦合金的比強(qiáng)度很高，是很好的熱強(qiáng)材料，近年來在工程結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用日益受到人們的關(guān)注。鎳基高溫合金在650?1000°C范圍具有較高的強(qiáng)度以及良好的抗氧化性和抗腐蝕能力，在能源、動力、石油化工等工業(yè)部門得到廣泛應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)鈦合金與鎳基高溫合金異種金屬的可靠焊接，將推動鈦合金與鎳基合金復(fù)合結(jié)構(gòu)在航空、能源、動力等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
[0003]實(shí)現(xiàn)鈦合金與鎳基高溫合金的熔焊技術(shù)難度很大。鈦合金與鎳基高溫合金的線脹系數(shù)相差一倍多，熔焊時的熱脹冷縮使接頭處產(chǎn)生很大的焊接應(yīng)力；鈦合金在400°C以上大量吸氫，會引起脆化，因此鈦合金與鎳基合金熔焊極易導(dǎo)致焊縫開裂。目前主要是采用真空擴(kuò)散焊、釬焊和電阻焊實(shí)現(xiàn)鈦合金與鎳基高溫合金的焊接。但這種幾種方法獲得的鈦合金與鎳基合金接頭強(qiáng)度較低，難以滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求，應(yīng)用受到一定的限制。如果能用較簡便的焊接方法獲得鈦合金與鎳基高溫合金的可靠連接，會有很好的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有鈦合金與鎳基高溫合金熔焊技術(shù)的不足，如接頭區(qū)脆化、抗拉強(qiáng)度低等，提出一種簡便易行鈦合金與鎳基高溫合金的焊條電弧焊方法，該項(xiàng)技術(shù)采用堿性低氫型Cr25-Nil3-Mo系焊條作為填充金屬，通過嚴(yán)格的焊前和焊后溫度控制，以及在整個焊接過程中良好的惰性氣體保護(hù)，實(shí)現(xiàn)對鈦合金與鎳基高溫合金的熔焊連接。該焊接工藝具有操作簡單、方便靈活、成本低等特點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明提出的鈦合金與鎳基高溫合金異種金屬的熔焊方法，是通過以下技術(shù)步驟實(shí)現(xiàn)的:
[0006](I)鈦合金和鎳基合金表面清理；焊前清除鈦合金、鎳基合金表面的油污和氧化膜，使其表面盡可能光潔和無任何雜質(zhì)，并且清潔干燥。
[0007](2)坡口處理；厚度5mm以下的板材對接焊接頭不開坡口 ；厚度6mm以上的板材對接焊接頭處開單面50°?60°坡口，留鈍邊2mm。
[0008](3)焊前預(yù)熱并通惰性氣體保護(hù)；焊前對待焊接的鈦合金與鎳基合金進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150°C?250°C ;將預(yù)熱后的鈦合金和鎳基高溫合金工件放置在保護(hù)拖罩內(nèi)，拖罩內(nèi)通惰性氣體Ar氣保護(hù)；環(huán)境溫度25°C以上。
[0009](4)采用逆變直流電弧焊機(jī)進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)為:直流反接，焊接電流60A?120A，焊接電壓24V?25V，焊接熱輸入4kJ/cm?10kJ/cm。焊接之前先對鈦合金與鎳基合金接頭處進(jìn)行點(diǎn)固焊，所用點(diǎn)固焊參數(shù)與正式焊接時相同。
[0010](5)采用堿性低氫型Cr25-Ni 13-Mo焊條(焊條型號E309Mo_15)，焊條直徑2.5mm或3.2mm ;焊接前經(jīng)過350°C X2h烘干。
[0011](6)焊接工藝要點(diǎn):焊接過程中的焊接電弧偏向鎳合金一側(cè)，降低鈦合金母材熔合t匕，減少焊縫中的脆性金屬間化合物，提高焊接接頭抗裂性能；整個焊接過程在Ar惰性氣體保護(hù)拖罩中進(jìn)行，接頭背面同時充氬氣保護(hù)，氣體流量為12L/min?20L/min。
[0012](7)焊接完成后，立即將被焊接工件放直在溫度已保持在300 C的箱式供箱中，關(guān)閉烘箱電源，使焊接工件隨烘箱溫度緩慢冷卻，以防止焊接裂紋。
[0013](8)待被焊接工件冷卻至室溫后，可從烘箱中取出工件。
[0014]所述步驟(I)中，鈦合金和鎳基合金表面的清理方法是:用砂紙將鈦合金和鎳基合金表面打磨干凈，使其露出金屬光澤；或?qū)⒋腹ぜ糜谒嵯匆褐薪?5min?20min，然后以清水將待工件表面洗凈；所述酸洗液是指常規(guī)濃度的稀硫酸(體積分?jǐn)?shù)98%的濃硫酸與水以1:4的比例進(jìn)行稀釋)，或常規(guī)濃度的稀鹽酸(體積分?jǐn)?shù)36%的鹽酸與水以1:3的比例進(jìn)行稀釋)，或二者以體積比1: 2的比例相混合的混合溶液。
[0015]所述步驟(2)中的厚度6mm以上的板材對接焊接頭處開單面50°?60°坡口，是指鈦合金板和鎳基合金板接頭處分別開單面20°?30°坡口。
[0016]所述步驟(3)中的預(yù)熱是采用箱式烘箱對工件進(jìn)行預(yù)熱；將預(yù)熱后的鈦合金和鎳基合金工件放置在專用的保護(hù)拖罩內(nèi)，通惰性氣體Ar氣保護(hù)，是將流量為12L/min?20L/min的純Ar氣通入保護(hù)罩內(nèi)，以防止空氣中的氧、氮等對鈦合金與鎳基合金焊接接頭產(chǎn)生脆化的有害作用。
[0017]所述步驟(5)中的堿性低氫型焊條的熔覆金屬化學(xué)成分為:C0.08%?0.14%，Cr22% ?25%，Ni 12% ?14%，Mn0.5% ?2.5%, Si0.5% ?0.8%, Mo2.0% ?3.0%, Cu0.35% ?
0.65%,余為Fe，以質(zhì)量百分比計。
[0018]所述步驟(6)焊接工藝要點(diǎn)中，對焊接區(qū)的氬氣保護(hù)是必不可少的。由于鈦合金對空氣中的氧、氮、氫有很強(qiáng)的親和力，因此必須在焊接區(qū)采取良好的保護(hù)措施，以確保焊接熔池及溫度超過350°C的熱影響區(qū)與空氣隔絕；保護(hù)拖罩的長度為300mm?500mm，寬度200mm?300mm，具體尺寸可根據(jù)焊接件形狀、板厚等確定，但要使溫度處于350°C以上的焊接區(qū)域得到充分的保護(hù)。保護(hù)拖罩的四角應(yīng)圓滑過渡，盡量減少死角。
[0019]所述步驟(6 )焊接工藝要點(diǎn)中，鈦合金與鎳基合金接頭背面也要有氬氣保護(hù)，平板對接焊采用接頭背面帶有通氬氣槽的紫銅墊板，保護(hù)焊縫背面不受空氣的侵害。
[0020]采用本發(fā)明提出的鈦合金與鎳基高溫合金異種金屬的焊條電弧焊方法，可以實(shí)現(xiàn)鈦合金與鎳基高溫合金的可靠連接，獲得沒有氣孔、裂紋等缺陷的焊接接頭，接頭質(zhì)量穩(wěn)定。本發(fā)明提出的鈦合金與鎳基高溫合金的焊接方法具有工藝簡單、成本低、便于推廣應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足鈦合金與鎳基高溫合金異種金屬結(jié)構(gòu)對焊接接頭質(zhì)量的要求。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0022]實(shí)施例1:
[0023]TC4鈦合金(T1-6A1_4V合金)板材與GH3030鎳基高溫合金的焊條電弧焊。TC4鈦合金板尺寸為200mmX 120mm,厚度為4mm ；GH3030鎳合金試板尺寸為200mmX 120mm,厚度為4mm，兩板對接焊。[0024]具體的鈦合金與鎳合金板材焊條電弧焊的工藝步驟如下:
[0025](I)將TC4鈦合金與GH3030鎳合金對接接頭處用砂紙打磨，使待焊接頭表面露出金屬光澤。
[0026](2)采用直徑為2.5mm的Cr25-Nil3-Mo焊條(焊條型號E309MO-15)，所用焊條的化學(xué)成分以質(zhì)量百分比計為:C0.08%, Cr24.5%, Ni 13.5%, Mnl.4%, Si0.6%%, Μο2.2%, Cu0.45%,余為Fe ;焊前先對焊條進(jìn)行預(yù)熱350°C X2h烘干。
[0027](3)焊前先對被焊鈦合金與鎳合金進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度約為150°C。
[0028](4)將預(yù)熱后的TC4鈦合金、GH3030鎳合金置于通Ar氣的保護(hù)罩內(nèi)，接頭背面采用帶有通氣孔道的紫銅墊板同時充氬氣保護(hù)，氣體流量為15L/min ;點(diǎn)固焊。
[0029](5)采用逆變直流電弧焊機(jī)進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)為:直流反接，焊接電壓為24V，焊接電流為65?75A，焊接熱輸入4?6kJ/cm ;焊接過程中，使焊接電弧偏向鎳合金一側(cè)，使接頭兩側(cè)母材受熱均勻。
[0030](6)焊接完成后，立即將被焊接工件放置在300°C的箱式烘箱中，關(guān)閉烘箱電源，使焊接工件隨烘箱溫度緩慢冷卻，待烘箱冷卻至室溫后取出。
[0031]采用上述焊接工藝獲得的TC4鈦合金與GH3030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。
[0032]實(shí)施例2:
[0033]TA15鈦合金與InConel625鎳基合金板材的角接頭焊接，TA15鈦合金與Inconel625鎳基合金的厚度為6mm,尺寸分別為160mmX 160mm。米用加純Ar氣拖罩保護(hù)的焊條電弧焊進(jìn)行焊接。
[0034]TA15鈦合金與Inconel625鎳基合金焊條電弧焊的工藝步驟如下:
[0035](I)對TA15鈦合金與Inconel625鎳基合金角接頭處用砂紙打磨，使待焊接頭表面露出金屬光澤，鈦合金和鎳基合金管角接頭處用砂輪打磨1_倒角。
[0036](2)采用直徑為3.2mm的Cr25-Nil3-Mo焊條(焊條型號E309MO-15)，所用焊條的化學(xué)成分以質(zhì)量百分比計為:C0.08%, Cr25.0%，Nil3.6%, Mnl.4%, Si0.5%%，Μο2.45%, Cu0.35%,余為Fe ;焊前先對焊條進(jìn)行預(yù)熱350°C X2h烘干。
[0037](3)焊前先對被焊TA15鈦合金和InConel625鎳基合金板材進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度約為 180 0C ο
[0038](4)將預(yù)熱后的TA15鈦合金與Inconel625鎳基合金按船形位置組裝成90°角的角接頭，不留間隙，將工件放置于通Ar氣的保護(hù)罩內(nèi)，角接頭正面和背面同時充氬氣保護(hù)，氣體流量為20L/min ;點(diǎn)固焊。
[0039](5)采用逆變直流電弧焊機(jī)進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)為:直流反接，焊接電壓為24V，焊接電流為90?110A，焊接熱輸入7?9kJ/cm ;焊接過程中，使焊接電弧稍偏向鎳基合金一側(cè)，使角接頭兩側(cè)母材受熱均勻。
[0040](6)焊接完成后，立即將被焊接工件放置在300°C的箱式烘箱中，關(guān)閉烘箱電源，使角接頭工件隨烘箱溫度緩慢冷卻，待烘箱冷卻至室溫后取出焊接件。
[0041]采用上述焊接工藝焊制的TA15鈦合金與Inconel625鎳基合金角接頭成形良好。經(jīng)過焊縫外觀檢查和金相顯微鏡觀察沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷，滿足被連接件的使用要求。[0042]上述雖然對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種鈦合金與鎳基高溫合金的電弧焊工藝，其特征是，包括如下步驟: (1)清理鈦合金和鎳基合金表面； (2)坡口處理； (3)焊前預(yù)熱并通惰性氣體保護(hù)； (4)采用逆變直流電弧焊機(jī)進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)為:直流反接，焊接電流60A?120A，焊接電壓24V?25V，焊接熱輸入4kJ/cm?lOkJ/cm ;焊接之前先對鈦合金與鎳基合金接頭處進(jìn)行點(diǎn)固焊，所用點(diǎn)固焊參數(shù)與正式焊接時相同； 采用堿性低氫型Cr25-Ni 13-Mo焊條； 焊接過程中的焊接電弧偏向鎳合金一側(cè)，降低鈦合金母材熔合比，減少焊縫中的脆性金屬間化合物，提高焊接接頭抗裂性能；整個焊接過程在惰性氣體保護(hù)中進(jìn)行，接頭背面同時充氬氣保護(hù)； (5)焊接完成后，將被焊接工件放置在溫度保持在300°C的箱式烘箱中，緩慢冷卻。
2.如權(quán)利要求1所述的鈦合金與鎳基高溫合金的電弧焊工藝，其特征是，所述步驟(I)中，鈦合金和鎳基合金表面的清理方法是:用砂紙將鈦合金和鎳基合金表面打磨干凈，使其露出金屬光澤；或?qū)⒋腹ぜ糜谒嵯匆褐薪?5min?20min，然后以清水將待工件表面洗凈；所述酸洗液是指常規(guī)濃度的稀硫酸，或常規(guī)濃度的稀鹽酸，或二者以體積比1: 2的比例相混合的混合溶液；所述常規(guī)濃度的稀硫酸為體積分?jǐn)?shù)98%的濃硫酸與水以1:4體積比混合，所述常規(guī)濃度的稀鹽酸為體積分?jǐn)?shù)36%的鹽酸與水以1:3的體積比混合。
3.如權(quán)利要求1所述的鈦合金與鎳基高溫合金的電弧焊工藝，其特征是，所述步驟(2)中的厚度6mm以上的板材對接焊接頭處開單面50°?60°坡口，是指鈦合金板和鎳基合金板接頭處分別開單面20°?30°坡口。
4.如權(quán)利要求1所述的鈦合金與鎳基高溫合金的電弧焊工藝，其特征是，所述步驟(3)中的預(yù)熱是采用箱式烘箱對工件進(jìn)行預(yù)熱；將預(yù)熱后的鈦合金和鎳基合金工件放置在保護(hù)拖罩內(nèi)，通惰性氣體Ar氣保護(hù)，是將流量為12L/min?20L/min的純Ar氣通入保護(hù)罩內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的鈦合金與鎳基高溫合金的電弧焊工藝，其特征是，所述步驟(4)中，所述堿性低氫型焊條的熔覆金屬化學(xué)成分為:C0.08%?0.14%，Cr22%?25%，Ni 12%?14%, Mn0.5% ?2.5%, Si0.5% ?0.8%, Μο2.0% ?3.0%, Cu0.35% ?0.65%,余為 Fe,以質(zhì)量百分比計。
6.如權(quán)利要求1所述的鈦合金與鎳基高溫合金的電弧焊工藝，其特征是，所述步驟(4)中；焊接過程在Ar惰性氣體保護(hù)拖罩中進(jìn)行，保護(hù)拖罩的長度為300mm?500mm，寬度200mm?300mm,保護(hù)拖罩的四角圓滑過渡。
7.如權(quán)利要求1所述的鈦合金與鎳基高溫合金的電弧焊工藝，其特征是，所述步驟(4)中，采用接頭背面帶有通氬氣槽的紫銅墊板。
【文檔編號】B23K9/10GK103464873SQ201310451772
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】李亞江, 王娟, 張永蘭 申請人:山東大學(xué)