CN104476011B - 用于tig焊钛/低碳钢的高熵合金焊丝及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于TIG焊钛/低碳钢的高熵合金焊丝，由以下组分按原子百分比组成，总的百分比为100％，其中Ti为5％，Fe为2％-15％，Ni为25％-30％，Cu为23％-30％，V为25％-35％。本发明还公开了一种高熵合金焊丝对钛/低碳钢实施TIG焊的方法。本发明的焊接材料成本低，制备简单，焊接方法方便易行，适应性广，得到的钛/低碳钢焊接接头焊缝成形性好、无裂纹、强度高、韧性好。

Description

用于TIG焊钛/低碳钢的高熵合金焊丝及应用

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种用于TIG焊钛/低碳钢的高熵合金焊丝，本发明还涉及应用该高熵合金焊丝对钛/低碳钢实施TIG焊的方法。

背景技术

金属钛在地球上的储量非常丰富，具有比强度高、密度低、耐腐蚀等优点，广泛应用于宇航、船舶、石油化工、娱乐及医疗等领域。但由于其冶金技术复杂、价格昂贵，限制了钛大规模的推广应用。钛与低碳钢的复合结构，能充分发挥两种材料在性能与经济上的互补优势，在众多领域有广泛的应用前景。

制备钛/低碳钢复合结构件的关键是要解决钛与低碳钢的焊接问题。因为异种金属之间物理化学性能的差异增加了焊接的难度，特别是焊缝中易形成大量脆性金属间化合物(TiFe、TiFe2、TiC等)，接头强度较低。目前，用于钛与低碳钢焊接的主要方法是压力焊(包括扩散焊、摩擦焊和***焊)，对钛-低碳钢钎焊也有所研究，但实现真正意义上的钛/钢高强度焊接则当属熔化焊。钛/钢的熔化焊接属异种金属之间的焊接，其施工难度远远大于钛/钛、钢/钢同质材料，而且脆性金属间化合物导致接头性能不佳尤其严重。欲从源头杜绝脆性金属间化合物产生，使用合适焊接材料是解决问题的关键，也是提高钛/钢焊接接头质量的根本出路。

高熵合金突破了传统合金的设计模式，借助高熵效应，使合金的结构组织趋于单一bcc或fcc固溶体，可有效抑制金属间化合物的产生，为实现钛/钢的高性能熔接提供了全新的技术思路。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于TIG焊钛/低碳钢的高熵合金焊丝，解决了现有技术中存在的钛与低碳钢直接熔焊时，焊缝中易形成脆性金属间化合物而导致开裂，接头强度较低的问题。

本发明的另一目的是提供一种应用该高熵合金焊丝对钛/低碳钢实施TIG焊的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种用于TIG焊钛/低碳钢的高熵合金焊丝，由以下组分按原子百分比组成，总的百分比为100％，其中Ti含量固定为5％，Fe为2％-15％，Ni为25％-30％，Cu为23％-30％，V为25％-35％。

本发明采用的另一技术方案是，一种应用该高熵合金焊丝对钛/低碳钢实施TIG焊的方法，按照以下步骤实施：

步骤1)对钛与低碳钢的母材分别开坡口处理；

步骤2)认真清理、打磨坡口，去除两种母材表面的油污和杂质；

步骤3)在钛与低碳钢下表面安装垫板，垫板上表面横向设置有Ar气导流槽，将钛与低碳钢同时与垫板固定牢靠，并使得钛与低碳钢的缝隙位于垫板上表面的Ar气导流槽中心线正上方；

步骤4)对钛与低碳钢的坡口位置实施双面通Ar气保护，焊前预先通入氩气3-5s；

步骤5)实施TIG焊，在焊接过程中，控制电弧应略微偏向低碳钢一侧，使两侧母材熔化的更加均匀；

步骤6)焊后继续通入Ar气3-5s，再迅速松开固定装置及垫板，即成。

本发明的有益效果是，该高熵合金焊丝具有优良的强度、韧性及耐蚀性能，不易形成脆性金属间化合相，易于获得高性能的钛与低碳钢焊接接头；使用该高熵合金焊丝的焊接工艺简单，不需事先在钛侧熔敷过渡层，焊接过程中无需频繁更换焊丝和变换焊接参数，方便高效，高熵合金成分范围宽泛，对不同牌号母材金属适应性好，便于推广。

附图说明

图1是本发明中钛与低碳钢焊接接头形式及坡口形状图；

图2是本发明方法中的焊接接头装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的用于TIG焊钛/低碳钢的高熵合金焊丝，由以下组分按原子百分比组成，总的百分比为100％，其中Ti含量固定为5％，Fe为2％-15％，Ni为25％-30％，Cu为23％-30％，V为25％-35％。

在本发明的高熵合金焊丝成分中，对各化学元素组成及含量限定理由分别叙述如下：

为了提高钛/低碳钢焊接接头的综合力学性能，需要获得焊缝金属化学成分处在形成高熵合金的主元含量范围。针对待焊母材钛和低碳钢的成分特点，焊丝选择Ti-Fe-Ni-Cu-V五主元高熵合金。主要原因有三点：①焊接过程中母材的熔化以及近缝区母材向熔池中的溶解不可避免，为防止焊缝产生脆性金属间化合物，焊缝目标成分中须含有Ti、Fe主元，而且这两种元素在焊丝中的含量要低于其它主元；由于Ti元素在焊缝中的溶解能力大于Fe，所以焊丝中Ti的含量较低，而Fe的含量则相对较高。②Ni元素既可以与Fe无限固溶，又可以与Cu、V互溶。③Cu偏析于枝晶间，可提高接头塑性，V与Ti和Fe均可无限固溶，可有效抑制脆性金属间化合物产生。这样，应用选择的焊丝经过焊接过程，形成的焊缝金属任然属于高熵合金范围，基本上消除了脆性金属间化合物，得到的接头性能较高。

将焊丝组分由原子百分比换算成质量百分比。根据所含元素的质量百分比称取相应的高纯金属。将称量好了的上述组分金属放入超真空电弧炉中进行熔配，制得母合金。应用金属纺绩技术，将得到的母合金重新熔化，经过纺绩轮的急冷快速凝固制备成高熵合金金焊丝。

本发明应用该高熵合金焊丝对钛/低碳钢实施TIG焊的方法，按照以下步骤实施：

步骤1)对钛与低碳钢的母材分别开坡口处理，图1所示实施例的钛与低碳钢焊接处坡口的总开口角度为60°，钛母材坡口的底端厚度为1mm；

步骤2)认真清理、打磨坡口，去除两种母材表面、尤其是坡口部位的油污和杂质；

步骤3)依照图2装配母材，在钛与低碳钢下表面安装垫板，垫板上表面横向设置有Ar气导流槽，将钛与低碳钢同时与垫板固定牢靠，钛-低碳钢的母材之间的缝隙为1mm，并使得钛与低碳钢的缝隙位于垫板上表面的Ar气导流槽中心线正上方；

步骤4)对钛与低碳钢的坡口位置实施双面通Ar气保护(Ar气纯度>99.9％)，即下面在Ar气导流槽中通Ar气，上面在坡口上口位置通Ar气，焊前预先通入氩气3-5s；

步骤5)实施TIG焊，工艺参数是：焊前对低碳钢母材进行预热处理，温度为180℃-210℃；Ar气流量为9-11L/min，焊接电流为65-80A，焊接速度50-60mm/min；另外，在焊接过程中，控制电弧应略微偏向低碳钢一侧，使两侧母材熔化的更加均匀；

步骤6)焊后继续通入Ar气3-5s，即在焊缝上下位置继续通Ar气，实现后滞保护，再迅速松开固定装置及垫板，防止焊缝产生应力裂纹，即成。

实施例1

依照总的原子百分比为100％，按照Ti为5％、Fe为7％、Ni为28％、Cu为25％、V为35％的数据选取各组分含量，并按照上述实施方式制备出直径为1.2mm的Ti5Fe7Ni28Cu25V35高熵合金焊丝。应用TIG焊对5mm厚的TC4钛与Q235低碳钢进行焊接，焊接工艺过程如上所述，具体焊接工艺参数为：焊前将母材预热到200℃，Ar气流量9L/min，焊接电流80A，焊接速度50mm/min，Ar气后滞4s。

检测发现：得到的接头焊缝金属融合性好，熔合区无裂纹，焊缝组织从中心到两侧母材熔合线呈现梯度层状分布，相结构由单一的fcc和bcc组成，获得焊接接头的抗拉强度为170Mpa。

实施例2

依照总的原子百分比为100％，按照Ti为5％、Fe为10％、Ni为27％、Cu为28％、V为30％的数据选取各组分含量，并按照上述实施方式制备出直径为1.4mm的Ti5Fe10Ni27Cu28V30高熵合金焊丝。应用TIG焊对5mm厚的TA2钛与R20钢进行焊接，焊接工艺过程如上所述，具体焊接工艺参数为：焊前将母材预热到200℃，Ar气流量10L/min，焊接电流75A，焊接速度55mm/min，Ar气后滞3s。

检测发现：焊接接头饱满，母材没有损坏，焊缝金属熔合性好，熔合区无裂纹，熔合线附近的组织为致密的等轴晶，然后向焊缝中心以树枝晶方式生长，相结构由单一的fcc和bcc组成，获得焊接接头的抗拉强度为200Mpa。

实施例3

依照总的原子百分比为100％，按照Ti为5％、Fe为15％、Ni为25％、Cu为23％、V为32％的数据选取各组分含量，并按照上述实施方式制备出直径为1.2mm的Ti5Fe15Ni25Cu23V32高熵合金焊丝。应用TIG焊对6mm厚的TA2钛与20钢进行焊接，焊接工艺过程如上所述，具体焊接工艺参数为：焊前将母材预热到190℃，Ar气流量11L/min，焊接电流80A，焊接速度55mm/min，Ar气后滞4s。

检测发现：所得接头焊缝金属融合性好，熔合区无裂纹，焊缝组织基本为均匀致密的等轴晶和树枝晶，相结构由单一的fcc和bcc组成，获得焊接接头的抗拉强度为185Mpa。

实施例4

依照总的原子百分比为100％，按照Ti为5％、Fe为2％、Ni为30％、Cu为28％、V为35％的数据选取各组分含量，并按照上述实施方式制备出直径为1.2mm的Ti5Fe2Ni30Cu28V35高熵合金焊丝。应用TIG焊对6mm厚的TA2钛与Q285B钢进行焊接，焊接工艺过程如上所述，具体焊接工艺参数为：焊前将母材预热到200℃，Ar气流量11L/min，焊接电流70A，焊接速度54mm/min，Ar气后滞4s。

检测发现：接头焊缝表面无气孔、和夹杂，焊缝金属融合性好，熔合区无裂纹，焊缝组织从中心到两侧母材熔合线呈现梯度层状分布，相结构由单一的fcc和bcc组成，获得焊接接头的抗拉强度为160Mpa。

实施例5

依照总的原子百分比为100％，按照Ti为5％、Fe为9％、Ni为28％、Cu为30％、V为28％的数据选取各组分含量，并按照上述实施方式制备出直径为1.2mm的Ti5Fe9Ni28Cu30V28高熵合金焊丝。应用TIG焊对6mm厚的TB5钛与A3钢进行焊接，焊接工艺过程如上所述，具体焊接工艺参数为：焊前将母材预热到210℃，Ar气流量10L/min，焊接电流75A，焊接速度60mm/min，Ar气后滞4s。

检测发现：焊缝金属融合性好，熔合区无裂纹，焊缝组织从中心到两侧母材熔合线呈现梯度层状分布，无明显金属间化合物生成，相结构由单一的fcc和bcc组成，获得焊接接头的抗拉强度为182Mpa。

综上所述，本发明的高熵合金，应用真空电弧熔炼制作，配比宽泛，急冷快速凝固得到的高熵合金焊丝成分均匀，应用在TIG焊中施焊工艺简单，焊后的接缝性能符合要求。

Claims (2)

1.一种用于TIG焊钛/低碳钢的高熵合金焊丝，其特征在于：由以下组分按原子百分比组成，总的百分比为100％，其中Ti含量固定为5％，Fe为7％-15％，Ni为25％-28％，Cu为23％-28％，V为30％-35％。

2.一种应用权利要求1所述的高熵合金焊丝对钛/低碳钢实施TIG焊的方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1)对钛与低碳钢的母材分别开坡口处理，钛与低碳钢焊接处坡口的总开口角度为60°；

步骤2)认真清理、打磨坡口，去除两种母材表面的油污和杂质；

步骤3)在钛与低碳钢下表面安装垫板，垫板上表面横向设置有Ar气导流槽，将钛与低碳钢同时与垫板固定牢靠，并使得钛与低碳钢的缝隙位于垫板上表面的Ar气导流槽中心线正上方；

步骤4)对钛与低碳钢的坡口位置实施双面通Ar气保护，焊前预先通入氩气3-5s；

步骤5)实施TIG焊，在焊接过程中，控制电弧应略微偏向低碳钢一侧，使两侧母材熔化的更加均匀，

工艺参数是：焊前将母材预热到190-210℃，焊接电流为65-80A，焊接速度50-60mm/min；

步骤6)焊后继续通入Ar气3-5s，再迅速松开固定装置及垫板，即成。