CN103464873B

CN103464873B - 一种钛合金与镍基高温合金的电弧焊工艺

Info

Publication number: CN103464873B
Application number: CN201310451772.2A
Authority: CN
Inventors: 李亚江; 王娟; 张永兰
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: CN103464873A

Abstract

本发明公开了一种钛合金与镍基高温合金的电弧焊工艺，（1）清理钛合金和镍基合金表面；（2）坡口处理；（3）焊前预热并通惰性气体保护；（4）采用逆变直流电弧焊机进行焊接，焊接之前先对钛合金与镍基合金接头处进行点固焊；焊接过程中的焊接电弧偏向镍合金一侧，降低钛合金母材熔合比，减少焊缝中的脆性金属间化合物，提高焊接接头抗裂性能；整个焊接过程在惰性气体保护中进行，接头背面同时充氩气保护。本发明采用碱性低氢型Cr25-Ni13-Mo系焊条作为填充金属，通过严格的焊前和焊后温度控制，以及在整个焊接过程中良好的惰性气体保护，实现对钛合金与镍基高温合金的熔焊连接。该焊接工艺具有操作简单、方便灵活、成本低等特点。

Description

一种钛合金与镍基高温合金的电弧焊工艺

技术领域

本发明涉及一种异种金属的焊接方法，尤其涉及一种钛合金与高温镍合金的焊条电弧焊方法，属于材料焊接技术领域。

背景技术

钛及钛合金的比强度很高，是很好的热强材料，近年来在工程结构材料中的应用日益受到人们的关注。镍基高温合金在650～1000℃范围具有较高的强度以及良好的抗氧化性和抗腐蚀能力，在能源、动力、石油化工等工业部门得到广泛应用。实现钛合金与镍基高温合金异种金属的可靠焊接，将推动钛合金与镍基合金复合结构在航空、能源、动力等领域的广泛应用。

实现钛合金与镍基高温合金的熔焊技术难度很大。钛合金与镍基高温合金的线胀系数相差一倍多，熔焊时的热胀冷缩使接头处产生很大的焊接应力；钛合金在400℃以上大量吸氢，会引起脆化，因此钛合金与镍基合金熔焊极易导致焊缝开裂。目前主要是采用真空扩散焊、钎焊和电阻焊实现钛合金与镍基高温合金的焊接。但这种几种方法获得的钛合金与镍基合金接头强度较低，难以满足产品的技术要求，应用受到一定的限制。如果能用较简便的焊接方法获得钛合金与镍基高温合金的可靠连接，会有很好的应用前景。

发明内容

本发明的目的是针对现有钛合金与镍基高温合金熔焊技术的不足，如接头区脆化、抗拉强度低等，提出一种简便易行钛合金与镍基高温合金的焊条电弧焊方法，该项技术采用碱性低氢型Cr25-Ni13-Mo系焊条作为填充金属，通过严格的焊前和焊后温度控制，以及在整个焊接过程中良好的惰性气体保护，实现对钛合金与镍基高温合金的熔焊连接。该焊接工艺具有操作简单、方便灵活、成本低等特点。

本发明提出的钛合金与镍基高温合金异种金属的熔焊方法，是通过以下技术步骤实现的：

（1）钛合金和镍基合金表面清理；焊前清除钛合金、镍基合金表面的油污和氧化膜，使其表面尽可能光洁和无任何杂质，并且清洁干燥。

（2）坡口处理；厚度5mm以下的板材对接焊接头不开坡口；厚度6mm以上的板材对接焊接头处开单面50°～60°坡口，留钝边2mm。

（3）焊前预热并通惰性气体保护；焊前对待焊接的钛合金与镍基合金进行预热，预热温度为150℃～250℃；将预热后的钛合金和镍基高温合金工件放置在保护拖罩内，拖罩内通惰性气体Ar气保护；环境温度25℃以上。

（4）采用逆变直流电弧焊机进行焊接，焊接工艺参数为：直流反接，焊接电流60A～120A，焊接电压24V～25V，焊接热输入4kJ/cm～10kJ/cm。焊接之前先对钛合金与镍基合金接头处进行点固焊，所用点固焊参数与正式焊接时相同。

（5）采用碱性低氢型Cr25-Ni13-Mo焊条（焊条型号E309Mo-15），焊条直径2.5mm或3.2mm；焊接前经过350℃×2h烘干。

（6）焊接工艺要点：焊接过程中的焊接电弧偏向镍合金一侧，降低钛合金母材熔合比，减少焊缝中的脆性金属间化合物，提高焊接接头抗裂性能；整个焊接过程在Ar惰性气体保护拖罩中进行，接头背面同时充氩气保护，气体流量为12L/min～20L/min。

（7）焊接完成后，立即将被焊接工件放置在温度已保持在300℃的箱式烘箱中，关闭烘箱电源，使焊接工件随烘箱温度缓慢冷却，以防止焊接裂纹。

（8）待被焊接工件冷却至室温后，可从烘箱中取出工件。

所述步骤（1）中，钛合金和镍基合金表面的清理方法是：用砂纸将钛合金和镍基合金表面打磨干净，使其露出金属光泽；或将待焊工件置于酸洗液中浸泡15min～20min，然后以清水将待工件表面洗净；所述酸洗液是指常规浓度的稀硫酸（体积分数98%的浓硫酸与水以1：4的比例进行稀释），或常规浓度的稀盐酸（体积分数36%的盐酸与水以1:3的比例进行稀释），或二者以体积比1∶2的比例相混合的混合溶液。

所述步骤（2）中的厚度6mm以上的板材对接焊接头处开单面50°～60°坡口，是指钛合金板和镍基合金板接头处分别开单面20°～30°坡口。

所述步骤（3）中的预热是采用箱式烘箱对工件进行预热；将预热后的钛合金和镍基合金工件放置在专用的保护拖罩内，通惰性气体Ar气保护，是将流量为12L/min～20L/min的纯Ar气通入保护罩内，以防止空气中的氧、氮等对钛合金与镍基合金焊接接头产生脆化的有害作用。

所述步骤（5）中的碱性低氢型焊条的熔覆金属化学成分为：C0.08%～0.14%，Cr22%～25%，Ni12%～14%，Mn0.5%～2.5%，Si0.5%～0.8%，Mo2.0%～3.0%，Cu0.35%～0.65%,余为Fe，以质量百分比计。

所述步骤（6）焊接工艺要点中，对焊接区的氩气保护是必不可少的。由于钛合金对空气中的氧、氮、氢有很强的亲和力，因此必须在焊接区采取良好的保护措施，以确保焊接熔池及温度超过350℃的热影响区与空气隔绝；保护拖罩的长度为300mm～500mm，宽度200mm～300mm，具体尺寸可根据焊接件形状、板厚等确定，但要使温度处于350℃以上的焊接区域得到充分的保护。保护拖罩的四角应圆滑过渡，尽量减少死角。

所述步骤（6）焊接工艺要点中，钛合金与镍基合金接头背面也要有氩气保护，平板对接焊采用接头背面带有通氩气槽的紫铜垫板，保护焊缝背面不受空气的侵害。

采用本发明提出的钛合金与镍基高温合金异种金属的焊条电弧焊方法，可以实现钛合金与镍基高温合金的可靠连接，获得没有气孔、裂纹等缺陷的焊接接头，接头质量稳定。本发明提出的钛合金与镍基高温合金的焊接方法具有工艺简单、成本低、便于推广应用等优点，能够满足钛合金与镍基高温合金异种金属结构对焊接接头质量的要求。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

TC4钛合金（Ti-6Al-4V合金）板材与GH3030镍基高温合金的焊条电弧焊。TC4钛合金板尺寸为200mm×120mm，厚度为4mm；GH3030镍合金试板尺寸为200mm×120mm，厚度为4mm，两板对接焊。

具体的钛合金与镍合金板材焊条电弧焊的工艺步骤如下：

（1）将TC4钛合金与GH3030镍合金对接接头处用砂纸打磨，使待焊接头表面露出金属光泽。

（2）采用直径为2.5mm的Cr25-Ni13-Mo焊条（焊条型号E309Mo-15），所用焊条的化学成分以质量百分比计为：C0.08%，Cr24.5%，Ni13.5%，Mn1.4%，Si0.6%%，Mo2.2%，Cu0.45%，余为Fe；焊前先对焊条进行预热350℃×2h烘干。

（3）焊前先对被焊钛合金与镍合金进行预热，预热温度约为150℃。

（4）将预热后的TC4钛合金、GH3030镍合金置于通Ar气的保护罩内，接头背面采用带有通气孔道的紫铜垫板同时充氩气保护，气体流量为15L/min；点固焊。

（5）采用逆变直流电弧焊机进行焊接，焊接工艺参数为：直流反接，焊接电压为24V，焊接电流为65～75A，焊接热输入4～6kJ/cm；焊接过程中，使焊接电弧偏向镍合金一侧，使接头两侧母材受热均匀。

（6）焊接完成后，立即将被焊接工件放置在300℃的箱式烘箱中，关闭烘箱电源，使焊接工件随烘箱温度缓慢冷却，待烘箱冷却至室温后取出。

采用上述焊接工艺获得的TC4钛合金与GH3030镍合金焊接接头成形良好。经过焊缝外观检查和金相显微镜观察没有发现裂纹、气孔等微观缺陷，满足被连接件的使用要求。

实施例2：

TA15钛合金与Inconel625镍基合金板材的角接头焊接，TA15钛合金与Inconel625镍基合金的厚度为6mm，尺寸分别为160mm×160mm。采用加纯Ar气拖罩保护的焊条电弧焊进行焊接。

TA15钛合金与Inconel625镍基合金焊条电弧焊的工艺步骤如下：

（1）对TA15钛合金与Inconel625镍基合金角接头处用砂纸打磨，使待焊接头表面露出金属光泽，钛合金和镍基合金管角接头处用砂轮打磨1mm倒角。

（2）采用直径为3.2mm的Cr25-Ni13-Mo焊条（焊条型号E309Mo-15），所用焊条的化学成分以质量百分比计为：C0.08%，Cr25.0%，Ni13.6%，Mn1.4%，Si0.5%%，Mo2.45%，Cu0.35%，余为Fe；焊前先对焊条进行预热350℃×2h烘干。

（3）焊前先对被焊TA15钛合金和Inconel625镍基合金板材进行预热，预热温度约为180℃。

（4）将预热后的TA15钛合金与Inconel625镍基合金按船形位置组装成90°角的角接头，不留间隙，将工件放置于通Ar气的保护罩内，角接头正面和背面同时充氩气保护，气体流量为20L/min；点固焊。

（5）采用逆变直流电弧焊机进行焊接，焊接工艺参数为：直流反接，焊接电压为24V，焊接电流为90～110A，焊接热输入7～9kJ/cm；焊接过程中，使焊接电弧稍偏向镍基合金一侧，使角接头两侧母材受热均匀。

（6）焊接完成后，立即将被焊接工件放置在300℃的箱式烘箱中，关闭烘箱电源，使角接头工件随烘箱温度缓慢冷却，待烘箱冷却至室温后取出焊接件。

采用上述焊接工艺焊制的TA15钛合金与Inconel625镍基合金角接头成形良好。经过焊缝外观检查和金相显微镜观察没有发现裂纹、气孔等缺陷，满足被连接件的使用要求。

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种钛合金与镍基高温合金的电弧焊工艺，其特征是，包括如下步骤：

(1)清理钛合金和镍基合金表面；

(2)坡口处理，厚度6mm以上的板材对接焊接头处开单面50°～60°坡口；

(3)焊前预热并通惰性气体保护；

(4)采用逆变直流电弧焊机进行焊接，焊接工艺参数为：直流反接，焊接电流60A～120A，焊接电压24V～25V，焊接热输入4kJ/cm～10kJ/cm；焊接之前先对钛合金与镍基合金接头处进行点固焊，所用点固焊参数与正式焊接时相同；

采用碱性低氢型Cr25-Ni13-Mo焊条；

焊接过程中的焊接电弧偏向镍合金一侧，降低钛合金母材熔合比，减少焊缝中的脆性金属间化合物，提高焊接接头抗裂性能；整个焊接过程在惰性气体保护中进行，接头背面同时充氩气保护；

(5)焊接完成后，将被焊接工件放置在温度保持在300℃的箱式烘箱中，缓慢冷却。

2.如权利要求1所述的钛合金与镍基高温合金的电弧焊工艺，其特征是，所述步骤(1)中，钛合金和镍基合金表面的清理方法是：用砂纸将钛合金和镍基合金表面打磨干净，使其露出金属光泽；或将待焊工件置于酸洗液中浸泡15min～20min，然后以清水将待工件表面洗净；所述酸洗液是指常规浓度的稀硫酸，或常规浓度的稀盐酸，或二者以体积比1∶2的比例相混合的混合溶液；所述常规浓度的稀硫酸为体积分数98％的浓硫酸与水以1：4体积比混合，所述常规浓度的稀盐酸为体积分数36％的盐酸与水以1:3的体积比混合。

3.如权利要求1所述的钛合金与镍基高温合金的电弧焊工艺，其特征是，所述步骤(2)中的厚度6mm以上的板材对接焊接头处开单面50°～60°坡口，是指钛合金板和镍基合金板接头处分别开单面20°～30°坡口。

4.如权利要求1所述的钛合金与镍基高温合金的电弧焊工艺，其特征是，所述步骤(3)中的预热是采用箱式烘箱对工件进行预热；将预热后的钛合金和镍基合金工件放置在保护拖罩内，通惰性气体Ar气保护，是将流量为12L/min～20L/min的纯Ar气通入保护拖罩内。

5.如权利要求1所述的钛合金与镍基高温合金的电弧焊工艺，其特征是，所述步骤(4)中，所述碱性低氢型Cr25-Ni13-Mo焊条的熔覆金属化学成分为：C0.08％～0.14％，Cr 22％～25％，Ni 12％～14％，Mn 0.5％～2.5％，Si 0.5％～0.8％，Mo 2.0％～3.0％，Cu 0.35％～0.65％,余为Fe，以质量百分比计。

6.如权利要求1所述的钛合金与镍基高温合金的电弧焊工艺，其特征是，所述步骤(4)中，焊接过程在Ar惰性气体保护拖罩中进行，保护拖罩的长度为300mm～500mm，宽度200mm～300mm，保护拖罩的四角圆滑过渡。

7.如权利要求1所述的钛合金与镍基高温合金的电弧焊工艺，其特征是，所述步骤(4)中，采用接头背面带有通氩气槽的紫铜垫板。