CN115870591B

CN115870591B - 一种用于钛-钢异种金属mig焊接工艺方法及使用的焊丝

Info

Publication number: CN115870591B
Application number: CN202310133161.7A
Authority: CN
Inventors: 肖辉英; 许立宝; 崔学团; 张振喆; 田秀芝
Original assignee: Tianjin Jinqiao New Materials Co ltd; Tianjin Golden Bridge Welding Materials Group Co Ltd
Current assignee: Tianjin Jinqiao New Materials Co ltd; Tianjin Golden Bridge Welding Materials Group Co Ltd
Priority date: 2023-02-20
Filing date: 2023-02-20
Publication date: 2023-06-23
Anticipated expiration: 2043-02-20
Also published as: CN115870591A

Abstract

本发明提供了一种用于钛‑钢异种金属MIG焊接工艺方法及使用的焊丝，方法为将钢板需要焊接的一侧用Cu‑Ni焊丝进行包边并打磨成45±2.5°的坡口形成Cu‑Ni合金预包边；坡口端面与钢板之间的最小厚度为1‑3mm；将钛板需要焊接的一侧预制45±2.5°坡口；钢板与钛板之间的间隙为1‑1.5mm；用Cu‑Ni焊丝进行焊接。本发明采用常规MIG直流焊接方式，操作简单易行，成本低廉、适用范围广。焊后抗拉强度可达200MPa以上。

Description

一种用于钛-钢异种金属MIG焊接工艺方法及使用的焊丝

技术领域

本发明属于异种金属焊接工程技术领域，尤其是涉及一种用于钛-钢异种金属MIG焊接工艺方法及使用的焊丝。

背景技术

钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高、无磁性、高韧性、可焊接等突出特性而被广泛用于例如航空航天、石油化工、各类地面武器装备等各个领域。随着国民经济的快速发展，钛合金的需求量大概以每年20%-30%的速度增加。但是完全采用钛合金制备各种大型构件的成本非常高，并且相比钢铁材料其加工难度也很大。因此，实现两种材料的良好焊接，将同时发挥钛合金的上述优点及钢铁材料易加工的便捷性，这有利于扩大钛合金的应用范围并极大的降低综合成本，具有重要的现实意义。

钛和钢焊接难点在于Fe在α-Ti中的固溶度很小，在室温下仅有0.05%-0.1%。进行熔焊时，随着焊缝温度的降低Fe和Ti形成脆性极大的TiFe、TiFe₂、Ti₂Fe等金属间化合物，从而导致断裂。另外，Fe的膨胀系数大约是Ti的1.5倍，两者线膨胀系数差异巨大，极易因为热膨胀而导致裂纹，严重的可能导致焊缝与母材的剥离。再者，钢的热导率是钛合金的5倍，钛侧极易因为热量散发不出去而导致熔化量增加。这即增加脆性含Ti化合物的生成，也影响焊接过程的稳定性，增加焊接缺陷的产生。当温度高于α→β转变的临界温度时，钛晶粒长大的倾向也会引起焊接困难。在靠近熔合线的热影响区内，晶粒长大使焊接接头的强度和塑性降低。

为解决上述问题，钛\钢异种金属的焊接一般采用钎焊、扩散焊等方法。上述方法焊接温度相对较低，一方面降低脆性相的产生，另一方面也可以降低热应力。但是，该方法焊接过程复杂、不利于大型复杂结构的焊接，并且接头强度较低。采用***焊虽然可以将焊后强度提高到500MPa以上，但其过程也非常复杂，不适用于小件及结构复杂的构件。相对而言，熔化焊适用范围更广。有研究人员用激光、电子束等能量源，在钛和钢之间加入和Ti、Fe都有一定相溶性并且形成的金属间化合物脆性小于Ti、Fe相的金属中间层，例如Cu、Ni、V、Nb等，进行焊接。但该方法设备成本高，难以普遍使用。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种用于钛-钢异种金属MIG焊接工艺方法及使用的焊丝，以克服现有技术的不足。

本发明采用常规的MIG焊接方式，具有适应面广、简便易操作的特性。本发明使用与Ti具有一定相熔性的Cu、Ni合金做成的焊丝为填充材料。Fe与Cu和Fe与Ni的固溶度大。使用Cu-Ni焊丝在铁一侧进行包边，包边后可以隔绝Ti、Fe在焊缝区的混合及互扩散，从而避免Ti-Fe脆性金属间化合物的形成，增加焊接强度及韧性。Cu和Ni与Ti有一定的固溶度。能够实现有效焊接。Ti的热导率低，为防止钛合金焊接时发生过烧，使用铜板夹紧钛板以加强散热，使焊接热影响区的组织转变中形成以下介稳定相：α′、α″、ω和β。这些相能显著地改善焊接接头金属的性能。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种用于钛-钢异种金属MIG焊接工艺方法，将钢板需要焊接的一侧用Cu-Ni焊丝进行包边并打磨成45±2.5°的坡口形成Cu-Ni合金预包边；坡口端面与钢板之间的最小厚度为1-3mm；将钛板需要焊接的一侧预制45±2.5°坡口；钢板与钛板之间的间隙为1-1.5mm；用Cu-Ni焊丝进行焊接。

优选的，Cu-Ni焊丝包括如下质量分数的组分，Mn 2.0-4.0%，Si≤0.2%，Fe≤0.15%，Ni 20-70%，Ti 2.0-3.0%，S≤0.02%，P≤0.02%，C≤0.07%，Al≤1%，Cr 4.0-5.0%，余量为Cu以及不可避免的杂质，各组分的质量分数之和为100%。

优选的，Ni为50-70%。

优选的，焊接电流为90-110A，焊接电压为15-16.5V，焊接过程中采用氩气保护，气体流量为15-20L/min。

优选的，所述钢板为2-4mm薄板低碳钢，所述钛板为α+β型钛合金。

优选的，所述钢板为Q235钢板；所述钛板为TC4。

优选的，钛板上下两侧均设有紫铜板，用紫铜板将其压紧。

本发明同时提供一种用于如上所述的用于钛-钢异种金属MIG焊接工艺方法的焊丝，包括如下质量分数的组分，Mn 2.0-4.0%，Si≤0.2%，Fe≤0.15%，Ni 20-70%，Ti 2.0-3.0%，S≤0.02%，P≤0.02%，C≤0.07%，Al≤1%，Cr 4.0-5.0%，余量为Cu以及不可避免的杂质，各组分的质量分数之和为100%。

优选的，Ni为50-70%。

本发明焊丝主要组分的作用机理如下：

本发明中铜元素和Ni元素作为焊接过程中主要的填充元素，Cu-Ni合金具有优良的力学性能，首先Ni与Cu可以完全固溶，Ni与Fe能形成固溶体合金。Cu、Mn、Cr在Ti合金中属于β共析元素，在α和β钛中均有一定溶解度，在β钛中的溶解度要大于在α钛中的，以共析反应为特征。Mn、Cr使Ti的β相具有很慢的共析反应，对合金产生固溶强化作用。

相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：

（1）采用常规MIG直流焊接方式，操作简单易行，无需做过渡金属中间层及采用昂贵的CMT冷金属过渡技术，成本低廉、适用范围广。

（2）采用和Ti具有一定相熔性的Cu-Ni合金作为填充金属，并对钢板进行预包边处理。即可以保证Ti侧的结合强度，又可以阻止Fe元素向焊缝区扩散而形成Ti-Fe脆性相。焊后抗拉强度可达200MPa以上。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的钢板包边的示意图；

图2为本发明实施例所述的钢板与钛板焊接状态的俯视图；

图3为本发明实施例所述的钢板与钛板焊接状态的主视方向的剖视图；

附图标记说明：

1-钢板；2-Cu-Ni合金预包边；3-螺丝；4-衬板；5-紫铜板；6-钛板；7-压板。

具体实施方式

下面结合实施例来详细说明本发明创造。

以下实施例中的，钢板包边的示意图如图1所示，钢板与钛板焊接状态的俯视图以及主视方向的剖视图分别如图2、图3所示。

实施例一

本实例所用试板尺寸为150mm*150mm*2.5mm（长*宽*厚），钢板为Q235，钛板为TC4。先将钢板的一侧通过焊丝进行预包边，即通过焊丝在钢板焊接面上焊接形成焊缝，之后将预包边钢板和钛板打45°坡口，预包边钢板的坡口端面与钢板之间的最小厚度为1.5mm，如图1所示。然后用不锈钢丝刷打磨出金属光泽，按图2、图3示意图所示进行装配，试板留约1mm间隙。为加快钛合金板材散热，用紫铜板夹紧钛板。预包边及装配使用的焊丝采用CuNi70，成分如下表所示。

表1 焊丝成分列表

上表中，各组分的含量为质量分数，且各组分的质量分数之和为100%。

电流设定为100A，电压设定为15.7V，氩气流量为15L/min。将图2所示工装进行氩气保护，采用人工焊接方式。

将上述试板加工两批（每批次3个样本）分别进行拉伸试样，经测试每批次的平均抗拉强度分别为246MPa和267MPa。

实施例二

本实例所用试板尺寸为150mm*150mm*2.5mm（长*宽*厚），钢板为Q235，钛板为TC4。先将钢板的一侧通过焊丝进行预包边，即通过焊丝在钢板焊接面上焊接形成焊缝，之后将预包边钢板和钛板打45°坡口，预包边钢板的坡口端面与钢板之间的最小厚度为1.5mm，如图1所示。然后用不锈钢丝刷打磨出金属光泽，按图2、图3示意图所示进行装配，试板留约1mm间隙。为加快钛合金板材散热，用紫铜板夹紧钛板。预包边及装配使用的焊丝采用CuNi20，成分如下表所示。

表2 焊丝成分列表

将上述试板加工两批（每批次3个样本）分别进行拉伸试样，经测试每批次的平均抗拉强度分别为226MPa和217MPa。

实施例三

本实例所用试板尺寸为150mm*150mm*2.5mm（长*宽*厚），钢板为Q235，钛板为TC4。先将钢板的一侧通过焊丝进行预包边，即通过焊丝在钢板焊接面上焊接形成焊缝，之后将预包边钢板和钛板打45°坡口，预包边钢板的坡口端面与钢板之间的最小厚度为1.5mm，如图1所示。然后用不锈钢丝刷打磨出金属光泽，按图2、图3示意图所示进行装配，试板留约1mm间隙。为加快钛合金板材散热，用紫铜板夹紧钛板。预包边及装配使用的焊丝采用CuNi50，成分如下表所示。

表3 焊丝成分列表

将上述试板加工两批（每批次3个样本）分别进行拉伸试样，经测试每批次的平均抗拉强度分别为236MPa和227MPa。

对比例一

本实例所用试板尺寸为150mm*150mm*2.5mm（长*宽*厚），钢板为Q235，钛板为TC4。将钛板和钢板打45°坡口。没有提前进行包边处理，然后用不锈钢丝刷打磨出金属光泽，按图2、图3示意图所示进行装配，试板留约1mm间隙。为加快钛合金板材散热，用紫铜板夹紧钛板。焊丝采用CuNi70，成分如下表所示。所用焊丝与实施例一相同。

表4 焊丝成分列表

电流设定为100A，电压设定为15.7V，氩气流量为15L/min。将图2所示工装进行氩气保护，采用人工焊接方式。将上述试板加工两批（每批次3个样本）分别进行拉伸试样，焊接后焊缝很容易产生裂纹，用手就能掰断，不能实现有效连接，焊接完成最好的情况即使没产生裂纹，经测试平均抗拉强度分别为146MPa和98MPa。

对比例二

本实例所用试板尺寸为150mm*150mm*2.5mm（长*宽*厚），钢板为Q235，钛板为TC4。先将钢板的一侧通过焊丝进行预包边，即通过焊丝在钢板焊接面上焊接形成焊缝，之后将预包边钢板和钛板打45°坡口，预包边钢板的坡口端面与钢板之间的最小厚度为1.5mm，如图1所示。然后用不锈钢丝刷打磨出金属光泽，按图2、图3示意图所示进行装配，试板留约1mm间隙。为加快钛合金板材散热，用紫铜板夹紧钛板。预包边及装配使用的焊丝采用CuNi10，成分如下表所示。

表5 焊丝成分列表

将上述试板加工两批（每批次3个样本）分别进行拉伸试样，经测试每批次的平均抗拉强度分别为190MPa和205MPa。

对比例三

本实例所用试板尺寸为150mm*150mm*2.5mm（长*宽*厚），钢板为Q235，钛板为TC4。先将钢板的一侧通过焊丝进行预包边，即通过焊丝在钢板焊接面上焊接形成焊缝，之后将预包边钢板和钛板打45°坡口，预包边钢板的坡口端面与钢板之间的最小厚度为1.5mm，如图1所示。然后用不锈钢丝刷打磨出金属光泽，按图2、图3示意图所示进行装配，试板留约1mm间隙。不使用紫铜板夹紧钛板。预包边及装配使用的焊丝采用CuNi70，成分如下表所示。所用焊丝与实施例一相同。

表6 焊丝成分列表

电流设定为100A，电压设定为15.7V，氩气流量为15L/min。将图2所示工装进行氩气保护，采用人工焊接方式。将上述试板加工两批（每批次3个样本）分别进行拉伸试样，焊接后焊缝很脆，用手就能掰断，不能实现有效连接，经测试抗拉强度分别为196MPa和136MPa。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于钛-钢异种金属MIG焊接工艺方法，其特征在于：将钢板需要焊接的一侧用Cu-Ni焊丝进行包边并打磨成45±2.5°的坡口形成Cu-Ni合金预包边；坡口端面与钢板之间的最小厚度为1-3mm；将钛板需要焊接的一侧预制45±2.5°坡口；钢板与钛板之间的间隙为1-1.5mm；用Cu-Ni焊丝进行焊接，Cu-Ni焊丝包括如下质量分数的组分，Mn 2.0-4.0%，Si≤0.2%，Fe≤0.15%，Ni 20-70%，Ti 2.0-3.0%，S≤0.02%，P≤0.02%，C≤0.07%，Al≤1%，Cr4.0-5.0%，余量为Cu以及不可避免的杂质，各组分的质量分数之和为100%。

2.根据权利要求1所述的用于钛-钢异种金属MIG焊接工艺方法，其特征在于：Ni为50-70%。

3.根据权利要求1所述的用于钛-钢异种金属MIG焊接工艺方法，其特征在于：焊接电流为90-110A，焊接电压为15-16.5V，焊接过程中采用氩气保护，气体流量为15-20L/min。

4.根据权利要求1所述的用于钛-钢异种金属MIG焊接工艺方法，其特征在于：所述钢板为2-4mm薄板低碳钢，所述钛板为α+β型钛合金。

5.根据权利要求4所述的用于钛-钢异种金属MIG焊接工艺方法，其特征在于：所述钢板为Q235钢板；所述钛板为TC4。

6.根据权利要求1所述的用于钛-钢异种金属MIG焊接工艺方法，其特征在于：钛板上下两侧均设有紫铜板，用紫铜板将其压紧。