CN107008985A - 一种基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊方法，包括以下步骤：1)对待焊接工件的待焊结合区域进行预处理，其中，所述待焊接工件的材质为钼或钼合金；2)在待焊接工件的待焊结合面处填充中间层金属，再完成待焊接工件的对接；3)将待焊接工件置于惰性气体保护的气氛中或真空环境中，再对待焊接工件的待焊结合区域进行预热；4)完成待焊接工件的熔焊焊接，得焊接后的工件；5)将焊接后工件的焊接接头进行保温，再将焊接后工件的焊接接头置于惰性气体保护气氛中或真空环境中冷却至室温，完成基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊，该方法能够有效提高焊接后工件焊接接头的力学性能。

Description

一种基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊方法。
背景技术
钼，熔点高达2610℃，中子吸收截面小，热膨胀系数低，热传导性能优异，高温力学性能好，可加工性好，当温度低于500℃时，钼在空气或水中有良好的稳定性。上述优点使得钼及钼合金，尤其是高性能钼合金在冶金、航空、航天、核能、军事等领域有着重要应用。高性能钼合金自身强韧性优异，但一旦进行熔焊，其强韧性优势将完全丧失。不仅如此，由于钼的熔点太高，一般须采用粉末冶金的方式加工制备，一方面导致材料致密度无法和熔铸冶金材料相比、含气量较高，焊接气孔缺陷严重；另一方面，易将O、N等杂质引入材料中，而室温下O、N等杂质元素在钼中的溶解度极低，熔池凝固时O、N等杂质元素易在晶界处偏析，使晶界严重弱化，焊缝的力学性能极差，上述问题严重制约了钼及钼合金作为结构材料在核电等关键场合的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊方法，该方法能够有效提高焊接后工件焊接接头的力学性能。
为达到上述目的，本发明所述的基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊方法包括以下步骤：
1)对待焊接工件的待焊结合区域进行预处理，其中，所述待焊接工件的材质为钼或钼合金；
2)在待焊接工件的待焊结合面处填充中间层金属，再完成待焊接工件的对接，其中，中间层金属的熔点低于待焊接工件的熔点，中间层金属的填充区域范围覆盖焊接过程中待焊接工件熔焊焊缝区域及熔焊的热影响区域；
3)将待焊接工件置于惰性气体保护的气氛中或真空环境中，再对待焊接工件的待焊结合区域进行预热；
4)完成待焊接工件的熔焊焊接，在熔焊焊接过程中，待焊接工件的接头位置及其附近区域的中间层金属发生融化，使中间层金属与待焊接工件的接头位置形成熔钎焊冶金结合；
5)将焊接后工件的焊接接头进行保温，再将焊接后工件的焊接接头置于惰性气体保护气氛中或真空环境中冷却至室温，完成基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊。
步骤1)中对待焊接工件的待焊结合区域进行预处理的具体操作为：将待焊接工件的待焊结合区域依次进行打磨、碱洗、丙酮清洗及烘干；
待焊接工件的材质为纯钼、合金元素含量小于等于2wt％的钼合金或第二相掺杂物含量小于等于2wt％的钼合金。
步骤4)中采用激光焊、电子束焊、等离子束焊或氩弧焊的方法完成待焊接工件的熔焊焊接；
焊接后工件的焊接接头形式为管/棒套管接头、搭接接头、带垫板的对接接头、封底对接接头、不完全焊透的T型接头或不完全焊透的十字接头。
中间层金属的材质为Ti、Ni、Zr或Al。
步骤2)中通过直接填充金属箔材、溅射镀膜、电镀、冷喷涂或激光熔覆的方式在待焊接工件的待焊结合面处填充中间层金属。
中间层金属的纯度大于等于99.99％。
步骤3)中预热的温度为400℃-500℃。
步骤2)中待焊接工件的对接完成后，待焊接工件的对接间隙小于等于0.1mm，待焊接工件接合处的错边量小于等于待焊接工件厚度的10％，且待焊接工件接合处的错边量小于0.5mm；
填充有中间层金属的待焊接工件的搭接区域的间隙小于等于0.05mm。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊方法在具体操作时，在待焊接工件的待焊结合面处填充中间层金属，其中，中间层金属的熔点低于待焊接工件的熔点，从而在熔焊过程中将部分中间层金属进入到熔池中，实现熔焊焊缝的微合金化，同时由于钼和钼合金的导热率较高，使距焊缝熔合线一定距离范围内的中间层金属发生熔化，从而形成寄生于熔焊热影响区的钎焊界面，通过该钎焊界面实现待焊工件之间的冶金结合，具有明显的辅助承载作用。需要说明的是，本发明一方面通过微合金化有效改善熔焊焊缝的力学性能，另一方面通过同步寄生钎焊实现对焊接接头的辅助承载，并在两种机制的共同作用下，显著的改善钼及钼合金的熔焊接头的总体力学性能。
附图说明
图1为Ti-Mo二元平衡相图；
图2a为实施例一中不加Ti箔时的结构示意图；
图2b为实施例一中只在对接处加Ti时的结构示意图；
图2c为实施例一中在对接处和搭接处均加Ti箔时的结构示意图；
图3a为实施例一中钼管1的尺寸图；
图3b为实施例一中钼合金端塞2的尺寸图；
图3c为实施例一中只在对接处加Ti时中间层金属3的尺寸图；
图3d为实施例一中在对接处和搭接处均加Ti箔时中间层金属3的尺寸图；
图4为实施例一中焊接接头横截面形貌与钎焊界面成分分析图；
图5a为实施例一中不加Ti箔时焊接接头显微硬度分布图；
图5b为实施例一中在对接处及搭接处均加Ti箔时焊接接头显微硬度分布图；
图6是本发明实施例一中拉伸曲线图；
图7a为实施例一中不加Ti箔时焊接接头拉伸断裂后的形貌图；
图7b为实施例一中在对接处及搭接处均加Ti箔时焊接接头拉伸断裂后的形貌图；
图8a为实施例一中不加Ti箔时焊接接头拉伸断口的显微形貌图；
图8b为实施例一中在对接处及搭接处均加Ti箔时焊接接头拉伸断口的显微形貌图；
图9为实施例二中焊接接头的横截面形貌图；
图10为实施例二中的拉伸曲线图；
图11为实施例三中焊接接头的横截面形貌图；
图12为实施例三中的拉伸曲线图；
图13为实施例四中的拉伸曲线图；
图14为实施例四中焊接接头拉伸断口的显微形貌图。
其中，1为钼管、2为端塞、3为中间层金属。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述的基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊方法包括以下步骤：
1)对待焊接工件的待焊结合区域进行预处理，其中，所述待焊接工件的材质为钼或钼合金；
2)在待焊接工件的待焊结合面处填充中间层金属3，再完成待焊接工件的对接，其中，中间层金属3的熔点低于待焊接工件的熔点，中间层金属3的填充区域范围覆盖焊接过程中待焊接工件熔焊焊缝区域及熔焊的热影响区域；
3)将待焊接工件置于惰性气体保护的气氛中或真空环境中，再对待焊接工件的待焊结合区域进行预热；
4)完成待焊接工件的熔焊焊接，在熔焊焊接过程中，待焊接工件的接头位置及其附近区域的中间层金属3发生融化，使中间层金属3与待焊接工件的接头位置形成熔钎焊冶金结合；
5)将焊接后工件的焊接接头进行保温，再将焊接后工件的焊接接头置于惰性气体保护气氛中或真空环境中冷却至室温，完成基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊。
步骤1)中对待焊接工件的待焊结合区域进行预处理的具体操作为：将待焊接工件的待焊结合区域依次进行打磨、碱洗、丙酮清洗及烘干。
待焊接工件的材质为纯钼、合金元素含量小于等于2wt％的钼合金或第二相掺杂物含量小于等于2wt％的钼合金。
步骤4)中采用激光焊、电子束焊、等离子束焊或氩弧焊的方法完成待焊接工件的熔焊焊接。
焊接后工件的焊接接头形式为管/棒套管接头、搭接接头、带垫板的对接接头、封底对接接头、不完全焊透的T型接头或不完全焊透的十字接头。
中间层金属3的材质为Ti、Ni、Zr或Al。
步骤2)中通过直接填充金属箔材、溅射镀膜、电镀、冷喷涂或激光熔覆的方式在待焊接工件的待焊结合面处填充中间层金属3。
中间层金属3的纯度大于等于99.99％。
步骤3)中预热的温度为400℃-500℃。
步骤2)中待焊接工件的对接完成后，待焊接工件的对接间隙小于等于0.1mm，待焊接工件接合处的错边量小于等于待焊接工件厚度的10％，且待焊接工件接合处的错边量小于0.5mm；
填充有中间层金属3的待焊接工件的搭接区域的间隙小于等于0.05mm。
实施例一
选用钛作为中间层金属3的材料，因为Ti与Mo在从液相到固相的转变过程中发生匀晶反应，如图1所示，从而使Ti与Mo无限互溶，且不会生成脆性相；Mo-Ti固溶体的熔点较高，并且有良好的高温力学性能；高温下Ti对O等元素有极强的亲和力，焊接熔池中的微量Ti元素与O及Mo发生反应，生成MoxTiyOz复合氧化物的第二相粒子，在消除杂质元素晶界偏析的同时，能对焊缝金属起到第二相粒子强化的作用。
如图2a、图2b及图2c所示，采用激光焊焊接三组钼合金薄壁管-端塞2套管接头，其中，第一组为钼管1和端塞2直接装配，第二组为在钼管1与端塞2的对接处填充钛箔，第三组为在钼管1与端塞2的对接处和搭接处都填充钛箔。试验材料为掺有0.25wt％La2O3弥散强化相的高性能钼合金，试验所用高性能钼合金薄壁管、端塞2及钛箔的尺寸如图3a、图3b、图3c及图3d所示；具体操作为：先将钼管1及端塞2的接触部位用砂纸打磨，然后用稀氢氧化钠水溶液进行碱洗，再依次用清水和丙酮洗净后吹干；将厚度为0.05mm的TA1钛箔加工成如图3d所示尺寸，用由12mL的HNO3、6mL的HF及82mL的H2O配制而成的溶液进行酸洗，再依次用清水及丙酮洗净后吹干；将三组试样装配好，然后再依次焊接，焊接时将试样置于高纯氩气保护气氛中，再对接头进行预热，当接头温度达到500℃后，使用IPG-4000型光纤激光器以焊接功率P为1200W、离焦量f为+1mm、旋转线速度v为0.2m/min的焊接参数完成对钼管1和端塞2的激光焊环焊，焊后将焊接接头在500℃以上保温30s，之后再缓慢冷却至室温。
观察在对接处和搭接处都填充了钛箔的试样的焊接接头横截面(如图4所示)。从图4中可以看出，在激光焊接头的热影响区，钼管1与端塞2之间填充的钛箔熔化发生熔钎焊，钛箔与钼管1、钛箔与端塞2之间都形成了寄生钎焊冶金结合，Mo与Ti在钎焊界面处发生互溶。
选取不加钛箔的试样与在对接处和搭接处都填充了钛箔的试样，分别测量二者焊缝熔化区的显微硬度，测量结果如图5a及图5b所示。经测量，试验所用钼合金母材的显微硬度约为235HV，从图5a及图5b可以看出，不加钛箔试样焊缝熔化区的显微硬度相较于母材下降明显，降幅约为30HV；在对接处和搭接处都填充有钛箔的试样焊缝的显微硬度相较于母材只下降了约15HV，因此说明通过向焊缝中掺入Ti作为合金元素确能提高焊缝强度。
分别测量钼管1母材与三组焊接接头试样的拉伸力学性能，拉伸曲线如图6所示，钼管1母材的抗拉强度为720MPa，断裂时伸长量达到10.6mm；不加钛箔的焊接接头的抗拉强度仅有124MPa，断裂时伸长量仅为0.6mm；在钼管1与端塞2对接处加钛箔的焊接接头的抗拉强度为606MPa，达到母材抗拉强度的84.2％，断裂时伸长量为3.1mm，说明向焊缝中掺入Ti作为微合金化元素可以显著提高焊缝的抗拉强度；同时在钼管1和端塞2对接处和搭接处都加钛箔的焊接接头的抗拉强达到688MPa，高达母材抗拉强度的95.6％，断裂时伸长量达到9.8mm，说明在加Ti使焊缝微合金化的同时，寄生于熔焊接头热影响区的熔钎焊结合区起到了辅助承载作用，在进一步提高焊接接头抗拉强度的同时，显著改善焊接接头的延伸率。
由图7a及图7b可以看出，前者断在焊缝，而后者钼管1颈缩明显且从钼管1开始断裂；由图8a及图8b可以看出，不加钛箔时焊接接头全部断在焊缝，断裂模式主要表现为沿晶断裂；在对接处和搭接处都填充钛箔的焊接接头主要断在母材，只有一小部分断口在焊缝，且位于焊接的断口上的断裂形貌主要表现为穿晶解理断裂。
实施例二
选用镍作为中间层金属3的材料，两组钼合金薄壁管-端塞2套管接头与实施例一相同，其中，第一组是钼管1与端塞2直接装配，第二组在钼管1与端塞2的接合面填充镍箔。试验材料为掺有0.25wt％La2O3弥散强化相的高性能钼合金；具体熔焊焊接过程为：先将钼管1与端塞2的接触部位用砂纸打磨，然后用稀氢氧化钠水溶液进行碱洗，再依次用清水和丙酮洗净并吹干；将厚度为0.05mm的镍箔加工成如图3d所示尺寸，用由配比为HF:HNO3:H2O＝2:1:4.5的混合酸液进行酸洗，再依次用清水和丙酮洗净后吹干；将两组试样装配好，再依次进行熔焊焊接。焊接时将试样置于高纯氩气保护气氛中，再对对接头进行预热，当对接头温度达到500℃后，使用IPG-4000型光纤激光器以焊接功率P为1200W、离焦量f为+1mm、旋转线速度v为0.2m/min的焊接参数完成对钼管1与端塞2的激光焊环焊，焊后将焊接接头在500℃以上保温30s，然后再缓慢冷却至室温。
填充有镍箔的试样的焊接接头横截面如图9所示，从图9中可以看出，在激光焊接头的热影响区，钼管1与端塞2间填充的镍箔熔化发生熔钎焊，镍箔与钼管1、镍箔与端塞2之间都形成寄生钎焊冶金结合。
对比不加镍箔和加镍箔两组焊接接头的拉伸力学性能，拉伸曲线如图10所示，不加镍箔的焊接接头的抗拉强度仅有124MPa，断裂时伸长量仅为0.6mm；在钼管1和端塞2接合面处填充有镍箔的焊接接头的抗拉强度为624MPa，达到母材抗拉强度(约720MPa)的86.7％，且断裂时伸长量为2.55mm，说明在采用激光焊焊接掺有0.25wt％La2O3弥散强化相的高性能钼合金时，通过填充镍箔，在焊缝金属微合金化和形成同步寄生钎焊两种机制的共同作用下，焊接接头的强度和延伸率可以得到显著改善。
实施例三
选用锆作为中间层填充金属材料，钼合金薄壁管-端塞2套管接头的尺寸与实施例一相同，其中，第一组是将钼管1和端塞2直接装配，第二组在钼管1和端塞2的接合面处填充锆箔，试验材料为掺有0.25wt％La2O3弥散强化相的高性能钼合金，试验所用高性能钼合金薄壁管及端塞2尺寸如图3a及图3b所示，具体焊接过程为：将钼管1和端塞2的接触部位用砂纸打磨，然后用稀氢氧化钠水溶液进行碱洗，再依次用清水和丙酮洗净并吹干；将厚度为0.05mm的锆箔加工成如图3d所示尺寸，再用由配比为HF:HNO3:H2O＝3:45:52的混合酸液进行酸洗，然后再依次用清水和丙酮洗净后吹干；将两组试样装配好，依次进行焊接，焊接时将试样置于高纯氩气保护气氛中，再对接头进行预热，当接头温度达到500℃后，使用IPG-4000型光纤激光器以焊接功率P为1200W、离焦量f为+1mm、旋转线速度v为0.2m/min的焊接参数完成对钼管1和端塞2的激光焊环焊，焊后将焊接接头在500℃以上保温30s，然后再缓慢冷却至室温。
如图11所示，观察填充有锆箔的试样的焊接接头横截面；从图11中可以看出，在激光焊接头的热影响区，钼管1和端塞2间填充的锆箔熔化，Zr与Mo相互扩散生成金属间化合物，锆箔与钼管1、锆箔与端塞2之间都形成冶金结合。
对比不加锆箔和加锆箔的两组焊接接头的拉伸力学性能，拉伸曲线如图12所示，不加锆箔焊接接头的抗拉强度为124MPa，仅为母材抗拉强度(约720MPa)的17.2％，断裂时伸长量仅为0.6mm；在钼管1和端塞2接合面处填充有锆箔的焊接接头的抗拉强度为480MPa，达到母材抗拉强度的66.7％，断裂时伸长量为1.55mm，说明在采用激光焊焊接掺有0.25wt％La2O3弥散强化相的高性能钼合金时，通过填充锆箔，在焊缝金属微合金化和形成同步寄生钎焊两种机制的共同作用下，焊接接头的强度和延伸率可以得到显著改善。
实施例四
选用铝为中间层金属3的材料，钼合金薄壁管-端塞2套管接头尺寸与实施例一相同，其中，第一组为将钼管1与端塞2直接装配，第二组为在钼管1与端塞2的接合面处填充铝箔；试验材料为掺有0.25wt％La2O3弥散强化相的高性能钼合金，试验所用高性能钼合金薄壁管及端塞2尺寸如图3a及图3b所示，具体焊接过程为：先将钼管1与端塞2的接触部位用砂纸打磨，然后用稀氢氧化钠水溶液进行碱洗，再依次用清水和丙酮洗净后吹干；将厚度为0.05mm的铝箔加工成如图3d所示尺寸，用稀氢氧化钠水溶液对其进行碱洗，再依次用清水和丙酮洗净后吹干；将两组试样装配好，再依次进行焊接，焊接时将试样置于高纯氩气保护气氛中，再对接头进行预热，当接头温度达到500℃后，使用IPG-4000型光纤激光器以焊接功率P为1200W、离焦量f为+1mm、旋转线速度v为0.2m/min的焊接参数完成钼管1和端塞2的激光焊环焊；焊后让焊接接头在500℃以上保温30s，然后再缓慢冷却至室温。
对比不加铝箔和加铝箔两组焊接接头的拉伸力学性能，拉伸曲线如图13所示，不加铝箔焊接接头的抗拉强度为124MPa，仅为母材抗拉强度(约720MPa)的17.2％，断裂时伸长量仅为0.6mm；在钼管1和端塞2接合面处填充铝箔的焊接接头的抗拉强度为557MPa，达到母材抗拉强度的77.4％，断裂时伸长量为1.8mm。图14为加铝箔试样拉伸断口形貌，整个断口断裂模式以穿晶断裂为主，说明在采用激光焊焊接掺有0.25wt％La2O3弥散强化相的高性能钼合金时，通过填充铝箔，在焊缝金属微合金化和形成同步寄生钎焊两种机制的共同作用下，焊接接头的强度和延伸率可以得到显著改善。

Claims (10)

1.一种基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对待焊接工件的待焊结合区域进行预处理，其中，所述待焊接工件的材质为钼或钼合金；
2)在待焊接工件的待焊结合面处填充中间层金属(3)，再完成待焊接工件的对接，其中，中间层金属(3)的熔点低于待焊接工件的熔点，中间层金属(3)的填充区域范围覆盖焊接过程中待焊接工件熔焊焊缝区域及熔焊的热影响区；
3)将待焊接工件置于惰性气体保护的气氛中或真空环境中，再对待焊接工件的待焊结合区域进行预热；
4)完成待焊接工件的熔焊焊接，在熔焊焊接过程中，待焊接工件的接头位置及其附近区域的中间层金属(3)发生融化，使中间层金属(3)与待焊接工件的接头位置形成熔钎焊冶金结合；
5)将焊接后工件的焊接接头进行保温，再将焊接后工件的焊接接头置于惰性气体保护气氛中或真空环境中冷却至室温，完成基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊。
2.根据权利要求1所述的基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊方法，其特征在于，步骤1)中对待焊接工件的待焊结合区域进行预处理的具体操作为：将待焊接工件的待焊结合区域依次进行打磨、碱洗、丙酮清洗及烘干。
3.根据权利要求1所述的基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊方法，其特征在于，待焊接工件的材质为纯钼、合金元素含量小于等于2wt％的钼合金或第二相掺杂物含量小于等于2wt％的钼合金。
4.根据权利要求1所述的基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊方法，其特征在于，步骤4)中采用激光焊、电子束焊、等离子束焊或氩弧焊的方法完成待焊接工件的熔焊焊接。
5.根据权利要求1所述的基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊方法，其特征在于，焊接后工件的焊接接头形式为管/棒套管接头、搭接接头、带垫板的对接接头、封底对接接头、不完全焊透的T型接头或不完全焊透的十字接头。
6.根据权利要求1所述的基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊方法，其特征在于，中间层金属(3)的材质为Ti、Ni、Zr或Al。
7.根据权利要求1所述的基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊方法，其特征在于，步骤2)中通过直接填充金属箔材、溅射镀膜、电镀、冷喷涂或激光熔覆的方式在待焊接工件的待焊结合面处填充中间层金属(3)。
8.根据权利要求1所述的基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊方法，其特征在于，中间层金属(3)的纯度大于等于99.99％。
9.根据权利要求1所述的基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊方法，其特征在于，步骤3)中预热的温度为400℃-500℃。
10.根据权利要求1所述的基于微合金化与同步寄生钎焊的钼合金熔焊方法，其特征在于，步骤2)中待焊接工件的对接完成后，待焊接工件的对接间隙小于等于0.1mm，待焊接工件接合处的错边量小于等于待焊接工件厚度的10％，且待焊接工件接合处的错边量小于0.5mm。
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