CN106695173A - 一种焊接钛‑钢复合板近钛层的焊接材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊接钛‑钢复合板近钛层的焊接材料及其制造方法，所述焊接材料的成分按照质量百分比为：C≤0.02％，Si≤0.02％，Mn3.2‑3.38％，P≤0.02％，S≤0.01％，Cr 13‑15％，Cu 0.012‑0.014％，Fe≤0.7％，Ti 0.3‑0.52，Co 0.032‑0.038％，Nb+Ta 1.9‑3％，余量为Ni。使用该焊焊接材料焊接从钛层到钢层的过渡层，避免了金属间化合物的产生，可有效实现钛‑钢复合管的钛层和近钛层进行熔焊过渡；本发明焊丝直径小为1.2mm，不仅可以用手工钨极氩弧焊焊接和熔化极氩弧焊焊接，而且本发明焊丝的制造工艺简单，成本较低，便于大规模批量生产。

Description

一种焊接钛-钢复合板近钛层的焊接材料及其制备方法

技术领域:

本发明属于金属材料焊接技术领域，具体涉及一种焊接钛-钢复合板近钛层的焊接材料及其制备方法。

背景技术：

钛-钢双金属复合材料将强度、熔点、热膨胀系数差异较为悬殊的不同金属实现完美冶金结合，充分发挥了不同材料的特性，既解决了油气运输管道的耐腐蚀性需求，又解决了油气运输管道的高强韧性要求。

目前，钛-钢复合板的对接均采用先焊接钢板，然后钛板采用加盖板形式单独焊接，从而避免了两种材料的共熔池焊接，但此种焊接方法的接头结构复杂，强度不足，在管道上难以工程化应用。然而，由于钛与铁的结晶化学、热物理性质相差很大，若在同一熔池直接焊接极易形成金属间化合物，从而使焊缝产生裂纹，焊接接头的塑性和韧性变差，严重阻碍了钛-钢复合板大规模应用。对此，我们研究提出了采用不同的焊接材料、并按一定顺序焊接钛-钢复合板的焊接方法，其中，钛层和钢层的焊接材料已经比较成熟，但是，从钛到钢的过渡层焊接材料中近钛层焊材还不成熟。

2016年6月22日公告的授权公告号为103567660B的中国发明专利，该名称为用于焊接钛-管线钢复合板过渡层的焊接方法，近钛层焊接材料由以下组分组成：Ni52-58％，C≤0.04％，N≤0.007％，O≤0.035％，H≤0.001％，余量为Ti；近钢层焊接材料由以下组分组成：Mn3.15-3.35％，Cr18-27％，Cu0.01-0.015％，Ti0.35-0.55％，Co0.03-0.04％，Nb1.8-2.0％，Ta0.2-0.6％，C≤0.02％，Si≤0.025％，P≤0.002％，S≤0.002％，Fe≤0.75％，余量为Ni。该专利中Cr含量较高，将会降低焊接接头的强度和硬度，S、P属于含量过低，不利于生产控制，使生产成本提高。

2016年4月12日申请的申请号为201610224395.2的中国发明专利，该专利名称为一种高铁列车专用高纯铝硅合金SAL4043的TIG/MIG焊丝制备方法，该方法包括将Si、Fe、Mg、Cu、Sc和Al按一定的配比量采用真空感应炉进行熔炼；待各物料熔化后，加入晶粒细化剂搅拌，待化清后，加入精炼剂除气精炼，静置后，扒渣，出炉；去除铸锭表面及两头的杂物后，进行滚动式连续挤压制得合金盘条；将合金盘条经过粗拉、中拉、退火、精拉丝后，再进行刮削清洗处理即得所述焊丝，该制造方法中的具体工艺参数不适用于本发明焊接材料的制备。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种焊接钛-钢复合板近钛层的焊接材料及其制备方法，使用该焊接材料焊接从钛层到钢层的过渡层，避免了金属间化合物的产生，焊缝的结合较好。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种焊接钛-钢复合板近钛层的焊接材料，所述焊接材料的成分按照质量百分比为：C≤0.02％，Si≤0.02％，Mn3.2-3.38％，P≤0.02％，S≤0.01％，Cr 13-15％，Cu 0.012-0.014％，Fe≤0.7％，Ti 0.3-0.52，Co 0.032-0.038％，Nb+Ta 1.9-3％，余量为Ni。

上述焊接材料为直径为1.2mm的丝焊。

以下对本发明的焊接钛-钢复合板近钛层的焊接材料中所含基本元素的作用及其用量的选择具体分析说明:

碳(C)：焊接材料成分中C含量过高会跟钛形成硬而脆的TiC，容易产生裂纹，因此，C含量优选的为≤0.02％。

铁(Fe)：Fe能够降低相变点，稳定β相，显著增强焊缝的强度，控制合适的Fe元素含量，不会在焊缝组织中形成Ti Fe相，因此Fe含量优选的为≤0.7％。

钴(Co)：Co元素的加入，有助于抑制和减少Cu、Ni元素向母材的扩散，提高接头性能，因此Co含量优选的为0.032-0.038％。

铬(Cr)：Cr含量过高会降低材料的强度和硬度，Cr含量超过15％时，将会跟铁形成金属间化合物(σ相)，使得在固溶体内产生巨大体积改变造成大的应力，故极脆；C和Cr易形成游离的铁素体(δ)，它会使材料的耐热性降低，合理的控制Cr含量可以使δ相降低，故Cr含量优选的为13-15％。

硅(Si)、锰(Mn)：Si、Mn是强脱氧剂，因此含量均较高，熔池中的氧与Si、Mn形成化合物，避免CO生成，焊缝气孔小，而且Mn与S形成MnS,消除S的有害作用，因此Si含量优选的为≤0.025％，Mn含量优选的为3.2-3.38％。

Nb+Ta：Nb+Ta元素可起到固溶强化的作用，含量选择1.9-3％；

磷(P)、硫(S)：S在0.007％～0.04％范围内变化时，组织的变化与夹杂物表面上生成的MnS层有关，焊缝金属的硬度和强度降低，冲击韧性严重恶化。P在0.007％～0.04％范围内变化时，对焊缝组织无明显影响。当焊缝金属中S和P的含量低于0.005％时，再降低S和P的含量，收效不大。S和P属于限制性杂质元素，但无限度地降低S和P的含量，必然会引起生产成本的提高，故控制S、P的含量为S≤0.01％，P≤0.02％。

上述焊接钛-钢复合板近钛层的焊接材料的制造方法，包括以下步骤：

步骤一：按照所述焊接材料成分的质量百分比分别称取各个元素，将称取好的Ni、Cr、Nb、Ta、Fe元素放入真空感应熔炼炉内依次进行熔化、精炼，形成钢液，所述精炼的温度为1400-1600℃，时间为25min；

步骤二：精炼后给真空感应熔炼炉内冲入氩气，充入氩气的含量为300-350mmHg，氩气冲入完成后将剩余的金属元素加入钢液中进行搅拌，最后浇铸，形成铸锭，浇铸时钢液的温度为1500℃；

步骤三：对铸锭依次进行锻造、轧制和拉拔，形成所述焊接钛-钢复合板近钛层的焊接材料。

上述步骤三中对铸锭依次进行锻造、轧制和拉拔的具体工艺为：首先采用双臂式电动空气锤，在1100-1150℃下将铸锭锻造成50mm×50mm的方坯料；其次采用200型五架横列三辊式轧机，在1000-1200℃下将方坯料轧制成Φ6.5mm盘条；最后对Φ6.5-Φ7.0mm盘条依次进行机械剥壳-酸洗-烘干-干法拔丝-卷取-热处理-干法拉丝-卷取-抛光-卷取-缠绕等逐级拉拔，形成用于焊接钛-钢复合板近钛层的焊接材料。

本发明的有益效果：

采用本发明的焊接材料对钛-钢复合板的V形坡口进行焊接，先用钛焊接材料焊接钛层，再用本发明的焊接材料焊接近钛层过渡，可有效实现钛-钢复合管的钛层和近钛层进行熔焊过渡；本发明焊接材料直径小，不仅可以用手工钨极氩弧焊焊接和熔化极氩弧焊焊接，而且本发明焊接材料的制造工艺简单，成本较低，便于大规模批量生产。

附图说明:

下面结合具体实施方式对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明实施例1的熔敷金属金相图。

图2是本发明实施例1的熔敷金属SEM图。

图3是本发明实施例2的熔敷金属金相图。

图4是本发明实施例2的熔敷金属SEM图。

具体实施方式:

实施例1：

首先对各种高纯金属进行净化处理，按照各元素的重量百分比：C 0.02％，Si0.18％，Mn 3.25％，P 0.005％，S 0.005％，Cr 13％，Cu 0.013％，Fe 0.5％，Ti 0.51％，Co0.035％，Nb+Ta 2.4％，余量为Ni，分别称取各个金属元素，将称取好的Ni、Cr、Fe、Nb、Ta材料放入真空感应熔炼炉内的MgO坩埚内进行熔化，待炉内金属全部融化后且熔池表面平静无气泡逸出时转入精炼，精炼温度为1400-1600℃，精炼时间为25min；精炼后，待钢液温度降至1500℃，充入氩气使炉内达到300-350mmHg，再将预先称量好的Mn、Cu、Ti、Co的金属材料加入钢液，搅拌2min后浇铸，浇铸时出钢温度为1500℃；浇注用较小的功率进行加热，浇注过程钢液表面平静，浇注均匀，浇注完毕后，铸锭模在真空室保存半小时，取出铸锭并冷却至室温。在冶炼过程中控制C、Si、P、S的含量为：C≤0.02％，Si≤0.02％，P≤0.02％，S≤0.01％。

采用双臂式电动空气锤(750Kg)在1100-1150℃下将铸锭先锻造成50mm×50mm的方坯料，再在1000-1200℃下采用200型五架横列三辊式轧机将坯料轧制成Φ6.5mm盘条；将盘条经过机械剥壳-酸洗-烘干-干法拔丝-卷取-热处理-干法拉丝-卷取-抛光-卷取-缠绕等逐级拉拔，最终形成Φ1.2mm的焊丝。

切取规格为160×180×16mm的钛-钢复合板，单边双面开V形60°坡口，采用TC4钛丝和本发明的焊丝分别对钛层和近钛层进行焊接，先焊钛层，再焊近钛层、近钢层，后焊钢层；焊接方法和焊接工艺如表1所示。焊接接头力学性能如表2所示，对焊接接头进行SEM试验和金相实验，焊缝中心的金相组织如图1所示，SEM图如图2所示。

表1焊接方法和焊接工艺参数

	钛层	过渡层	钢层
				焊接方法	手工钨极氩弧焊	熔化极氩弧焊	CO2气体保护焊
焊接电流	85～110A	90～125A	150～175A
				焊接电压	14～15V	12～14V	14～18V

表2焊接接头力学性能

由图1可知，钛层的TC4焊丝与本发明的近钛层的焊丝组织结合良好，焊缝多呈不规则的五边形等轴组织，晶界边长较小切较为均匀，晶界边长均在50μm左右；近钛层在靠近TC4一侧组织为较小的等轴晶粒，晶粒大小与TC4组织晶粒大小基本相同；钛层-近钛层界面结合区过渡平缓，没有出现过渡带或界面线，可见两层焊缝实现了较好的冶金结合。

由图1可看出，试样近钛层与近钢层组织发生了延伸与扩展，近钛层与近钢层Ni-Cr合金结晶后组织错综交织，可明显看出近钛层组织已由靠近TC4层的等轴组织变为细条和小块状的铁素体组织，镍基合金层Ni-Cr在靠近近钛层一侧组织呈发散的树枝状晶粒。

由图2扫描电镜中可以看出，近钛层与Ni-Cr层结合良好，未出现裂纹、夹杂等缺陷。

实施例2：

首先对各种高纯金属进行净化处理，按照重量百分比分别称量，然后按照各元素的重量百分比：C 0.02％，Si 0.15％，Mn 3.3％，P 0.001％，S 0.002％，Cr 14％，Cu0.012％，Fe 0.6％，Ti 0.38％，Co 0.037％，Nb+Ta 2.2％，余量为Ni，分别称取各个金属元素；然后按照实施例1的方法制造直径为1.2mm的焊丝。

切取规格为160×180×16mm的钛-钢复合板，单边双面开V形60°坡口，采用TC4钛丝和本发明的焊丝分别对钛层和近钛层进行焊接，先焊钛层，再焊近钛层、近钢层，后焊钢层；焊接方法和焊接工艺如表3所示。焊接接头力学性能如表4所示，对焊接接头进行金相实验，焊缝中心的金相组织如图3所示，SEM图如图4所示。

表3焊接方法和焊接工艺参数

表4焊接接头力学性能

由图3可知：钛层的TC4焊丝与本发明近钛层的焊接材料界面结合较好，两层组织均为不规则的等轴晶，这也是由于两层的热过程相同、成分近似所致；近钛层结晶后形成了多为五边形的等轴组织。

由图3可以看出：试样近钛层与近钢层组织结合相貌较为相似，近钛层与近钢层Ni-Cr合金结晶后组织错综交错，近钛层组织已由靠近钛层的等轴组织变为细条状的树枝晶，枝晶周围分布着宽约长短、宽窄不一的树叶状晶粒，且树枝较深入的延伸到了镍基合金层与镍基合金层形成了一个较宽的过渡带。

由图4扫描电镜中可以看出，近钛层与Ni-Cr层结合良好，未出现裂纹、夹杂等缺陷。

Claims (4)

1.一种焊接钛-钢复合板近钛层的焊接材料，其特征在于：所述焊接材料的成分按照质量百分比为：C≤0.02％，Si≤0.02％，Mn3.2-3.38％，P≤0.02％，S≤0.01％，Cr 13-15％，Cu 0.012-0.014％，Fe≤0.7％，Ti 0.3-0.52，Co 0.032-0.038％，Nb+Ta 1.9-3％，余量为Ni。

2.根据权利要求1所述的焊接钛-钢复合板近钛层的焊接材料，其特征在于：所述焊接材料为直径为1.2mm的丝焊。

3.根据权利要求1或2所述的焊接钛-钢复合板近钛层的焊接材料的制造方法，其特征在于：所述制造方法包括以下步骤：

步骤一：按照所述焊接材料成分的质量百分比分别称取各个元素，将称取好的Ni、Cr、Nb、Ta、Fe元素放入真空感应熔炼炉内依次进行熔化、精炼，形成钢液，所述精炼的温度为1400-1600℃，时间为25min；

步骤二：精炼后给真空感应熔炼炉内冲入氩气，充入氩气的含量为300-350mmHg，氩气冲入完成后将剩余的元素加入钢液中进行搅拌，最后浇铸，形成铸锭，浇铸时钢液的温度为1500℃；

步骤三：对铸锭依次进行锻造、轧制和拉拔，形成所述焊接钛-钢复合板近钛层的焊接材料。

4.根据权利要求3所述的焊接钛-钢复合板近钛层的焊接材料的制造方法，其特征在于：所述步骤三中对铸锭依次进行锻造、轧制和拉拔的具体工艺为：首先采用双臂式电动空气锤，在1100-1150℃下将铸锭锻造成50mm×50mm的方坯料；其次采用200型五架横列三辊式轧机，在1000-1200℃下将方坯料轧制成Φ6.5mm盘条；最后对Φ6.5-Φ7.0mm盘条依次进行机械剥壳-酸洗-烘干-干法拔丝-卷取-热处理-干法拉丝-卷取-抛光-卷取-缠绕等逐级拉拔，形成用于焊接钛-钢复合板近钛层的焊接材料。