一种钛合金与镍合金异种材料的钨极氩弧焊工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种钛合金与镍合金异种材料的钨极氩弧焊工艺，选用Ni-Cu系合金焊丝作为填充材料，氩弧焊采用铈钨电极，电极端部磨成30～45°锥形；保护气体选用氩气；通过焊前准备及预热、焊接、焊后冷却及调整焊接工艺参数，控制钛合金与镍合金焊接熔池的熔化和凝固条件，可获得焊缝成形美观、无裂纹、无气孔等缺陷的焊接接头。这种方法焊接效率高，成本低，操作方便灵活，能够满足钛合金与镍合金钢异种材料焊接接头的使用要求。
【专利说明】一种钛合金与镜合金异种材料的铭极氩弧焊工艺
【技术领域】
[0001]本发明属于焊接【技术领域】，涉及一种适合钛合金与镍合金异种材料之间的钨极氩弧焊方法，可用于钛合金组件和镍合金组件之间的连接。
【背景技术】
[0002]钛及其合金具有重量轻、比强度高、耐蚀性好等优点，因而在航天航空、石油化工等领域的应用不断扩大。随着钛及钛合金作为一种重要的金属材料的兴起，其焊接技术获得了较大的发展。钛很活泼，加热到400~500°C时就吸收氧、氢、氮等气体而硬化；钛元素易与大多数金属形成脆性的金属间化合物。而镍是非碳化物形成元素，与钛形成的化合物有一定的塑性，并且镍的塑性好，可以缓解接头中的内应力。因此，实现钛镍复合结构件的焊接制造，可以大大推动钛合金在航空航天、化工以及原子能工业中的广泛应用。
[0003]采用爆炸焊和真空扩散焊可以实现钛合金与镍合金的焊接，但这两种方法均属于固相焊，获得的接头强度较低，不能用于承载较大的焊接结构件。如果能在熔焊条件下实现对钛合金和镍合金的可靠连接，将具有很好的应用前景。钛合金与镍合金的热导率和线胀系数差异很大，熔焊时的热胀冷缩造成很大的焊接应力，极易导致焊缝开裂，因此钛合金与镍合金的熔焊技术难度很大。
[0004]另外，镍合金中的Ni和S、P、N、O等都能形成低熔点共晶物质，在焊接应力的作用下很容易形成热裂纹。并且，如果焊接热输入较高，晶粒的长大及过度的成分偏析，会增大热裂倾向，并降低耐腐蚀性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是 提出一种焊接过程控制简便、焊接质量稳定的针对钛合金与镍合金异种金属之间的焊接方法，克服焊接裂纹、气孔等缺陷，提高焊缝的抗裂性及接头的稳定性，高效生产出合格的焊接接头。
[0006]为实现上述目的，本发明是这样实现的:
[0007]一种钛合金与镍合金异种材料的填丝钨极氩弧焊工艺，包括:
[0008](I)焊材选取
[0009]选用N1-Cu系合金焊丝作为填充材料，焊丝中化学元素的质量百分比为:C0.08% ~0.15%,Mn3.0% ~4.5%, Fel.0% ~2.5%, S ≤ 0.015%, P≤ 0.02%, Si0.9% ~1.25%,Cu21.5%~25%，Τ?6.5%~10.5%,余为Ni。焊丝中的S、P含量严格控制。
[0010]N1-Cu系合金焊丝直径为1.5臟~2.Ctam ;
[0011]氩弧焊采用铈钨电极，直径为2.0mm,电极端部磨成30~45°锥形；
[0012]保护气体选用纯度大 于99.99%的高纯氩；
[0013](2)焊前准备及预热
[0014]焊接坡口加工:针对钛合金对气体比较敏感以及镍合金不易焊透的特点，对接接头加工成V形坡口，坡口角度70~8 0°。[0015]焊件清理:用不锈钢丝刷清理焊丝及工件接头坡口两侧表面20mm范围内的油脂、氧化膜及污物，清洗干净后表面应有明显的金属光泽，然后用干净的布擦干；
[0016]焊前预热:焊前先对被焊钛合金与镍合金进行预热，预热温度为150?200°C ；
[0017]⑶焊接
[0018]焊丝与钛合金焊件间保持夹角10?25° ;
[0019]施焊时要摆动焊丝，但焊丝的摆动幅度不能大于焊丝直径的2倍；
[0020]焊接时采用短弧焊接，喷嘴与镍合金焊件保持70?80°的夹角。
[0021]填丝钨极氩弧焊接工艺参数为:焊接电压为10?15V，焊接电流为90?140A，焊接速度为40?80mm/min,气体流量为12?20L/min ；
[0022]断弧及焊缝收尾时，要继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区金属冷却到250°C以下时方可移开焊枪。
[0023](4)焊接区保护
[0024]施焊前，先对焊件正、背面同时通氩气保护3?5min ;焊接过程中采用焊缝正背面同时保护措施，焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护2?5min ；
[0025](5)焊后冷却
[0026]焊接完成立即将整个被焊接件放置在温度已保持在250°C的箱式电炉中，随炉缓慢冷却至室温，以防止焊接裂纹。
[0027]其中，所述的填丝钨极氩弧焊接采用高频引弧的直流的钨极氩弧焊电源。
[0028]其中，所述的采用焊缝正背面同时保护措施是，正面焊缝采用专用保护气体拖罩进行保护，气体流量为12?20L/min ;平板对接时，焊缝背面采用带有通气孔道的紫铜垫板同时进行充纯氩气保护，焊接管接头时，管内充纯氩气进行保护，气体流量为10?20L/min,以防止N、O、H等对焊接接头性能的有害影响。
[0029]本发明根据钛合金与镍合金的热物理性能特点，在保证焊透的前提条件下，从控制焊接热输入入手，解决接头难以互相熔合形成焊缝问题，采用含Cu、Ti元素的镍基填充焊丝控制接头的晶粒长大及成分偏析，降低接头的热裂倾向；然后从氩气纯度、保护方式避免钛合金的焊接氧化问题。
[0030]试验结果表明，采用N1-Cu系合金焊丝进行钛合金与镍合金异种材料的钨极氩弧焊接，可使焊缝区形成奥氏体组织，增加焊缝的韧性和塑性；同时，焊丝中添加含量为
6.5%?10.5%的Ti元素，能够阻碍接头靠近镍合金一侧的热影响区中晶粒的严重长大现象，可明显提高钛合金与镍合金焊接接头的强度和韧性。
[0031]本发明的有益效果是，采用本发明提出的钛合金与镍合金异种材料的焊接方法，通过调整焊接工艺参数，控制焊接热输入，改善钛合金与镍合金焊接熔池的熔化和凝固条件，能够获得焊缝成形美观、无裂纹、无气孔等缺陷的焊接接头。这种方法成本低，操作方便灵活，能够满足钛合金与镍合金钢异种材料焊接接头的使用要求。与专利(CN103464873A)公布的钛合金与镍合金的焊条电弧焊技术相对比，焊接效率可提高I倍。
具体实施例
[0032]实施例1:
[0033]TA15钛合金板与GH4169镍合金板的填丝钨极氩弧焊。TA15钛合金板尺寸为200mmX 150mm,厚度为3mm ；GH4169镍合金试板尺寸为200mmX 150mm,厚度为3mm,两板对接焊。
[0034]具体的钛合金与镍合金填丝钨极氩弧焊的工艺步骤如下:
[0035](I)将被焊钛合金与镍合金板对接部位加工V型坡口，坡口角度75°，然后用不锈钢丝刷清理工件接头坡口两侧表面20mm范围内的油脂、氧化膜及污物，至露出明显的金属光泽;
[0036](2)采用直径为2.0mm的N1-Cu系合金焊丝作为填充材料，所用焊丝的化学成分(质量分数，%)为:C0.08，Μη3.0, Fel.0, Sil.25，Cu21.5，Ti6.5，S=0.015%, P=0.02%,余为Ni ；
[0037](3)将钛合金与镍合金对接接头待焊部位进行预热，预热温度为150°C ；
[0038](4)焊前先对焊件正面保护气体拖罩和背面紫铜垫板孔道通氩气保护5min ;焊接过程中采用焊缝正背面同时保护措施，正面保护气体拖罩保护，气体流量为20L/min，焊缝背面通气孔道气体流量为17L/min ;焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护2min ;氩气纯度为99.99%的高纯氩；
[0039](5)填丝钨极氩弧焊的工艺参数为:焊接电压为15V，焊接电流为140A，焊接速度为80mm/min,气体流量为20L/min ；
[0040](6)焊接过程中，调整焊炬位置，使喷嘴与镍合金焊件保持70°的夹角，焊丝与钛合金焊件间保持夹角10°，焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池，适当摆动焊丝，不得将焊丝端部移出氩气保护区；
[0041](7)焊缝收尾时，继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区金属冷却到250°C时移开焊枪。
[0042](8)将焊接完成的钛合金与镍合金焊接件放入250°C的箱式电炉中保温缓冷，随炉冷却至室温后取出。
[0043]采用上述焊接工艺获得的TA15钛合金与GH4169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对接头内部进行观察，没有发现裂纹、气孔等微观缺陷，满足被连接件的使用要求。
[0044]实施例2:
[0045]TA3钛合金管与N8镍合金管接头的填丝钨极氩弧焊，TA3钛合金管与N8镍合金管径为Φ 6mm,壁厚为2mm。
[0046]具体的钛合金与镍合金管接头钨极氩弧焊的工艺步骤如下:
[0047](I)将TA3钛合金管与N8镍合金管接头待焊处两侧表面20mm范围内的油脂、氧化膜及污物用不锈钢丝刷打磨干净，使待焊面露出金属光泽；然后钛合金和镍合金管接头处都用细砂轮打磨Imm倒角；
[0048](2)采用直径为1.5mm的N1-Cu系合金焊丝作为填充材料，所用焊丝的化学成分(质量分数，%)为:C0.15，Μη4.5，Fe2.5，Si0.9，Cu25, Ti 10.5，S=0.015%, P=0.02%,余为 Ni ；
[0049](3)焊前先对被焊钛合金与镍合金进行预热，预热温度为200°C ；
[0050](4)焊前，先对管件正面保护气体拖罩和管内通氩气保护3min ;焊接过程中采用焊缝正背面同时保护措施，正面采用保护气体拖罩保护，气体流量为12L/min，背面采用向焊管内同时进行充氩气保护，气体流量为15L/min;焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护5min ;気气纯度为99.99%的高纯気；
[0051](5)填丝钨极氩弧焊的工艺参数为:焊接电压为10V，焊接电流为90A，焊接速度为40mm/min,气体流量为 12L/min ；
[0052](6)焊接过程中，调整焊炬位置，使喷嘴与镍合金管件保持80°的夹角，焊丝与钛合金管件间保持夹角25°，焊丝沿着熔池前端平稳、均匀的送入熔池，适当摆动焊丝，但摆动幅度小于3mm ；
[0053](7)管接头收尾焊缝时，继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区金属冷却到250°C时移开焊枪。
[0054](8)将焊接完成的钛合金与镍合金管件放入250°C的箱式电炉中保温缓冷，随炉冷却至室温后取出。
[0055]采用上述焊接工艺获得的TA3钛合金与NS镍合金管接头成形良好。经过焊缝外观检查和金相显微镜对接头内部进行观察，没有发现焊接裂纹、气孔等微观缺陷，满足被连接件的使用要求。
【权利要求】
1.一种钛合金与镍合金异种材料的钨极氩弧焊工艺，其特征是，选用N1-CU系合金焊丝作为填充材料，焊丝中化学元素的质量百分比为:C0.08%~0.15%，Mn3.0%~4.5%，Fel.0% ~2.5%, S ≤ 0.015%, P ≤ 0.02%, Si0.9% ~1.25%, Cu21.5% ~25%，Τ?6.5% ~10.5%,余为Ni ;氩弧焊采用铈钨电极；保护气体选用氩气； 包括如下步骤: (1)焊前准备及预热； 焊件清理:清理焊丝及工件接头坡口两侧表面直至露出金属光泽，擦干； 焊前预热:焊前先对被焊钛合金与镍合金进行预热，预热温度为150~200°C ； (2)焊接； 焊丝与钛合金焊件间保持夹角10~25° ; 施焊时摆动焊丝，焊丝的摆动幅度不大于焊丝直径的2倍； 焊接时采用短弧焊接，喷嘴与镍合金焊件保持70~80°的夹角； 填丝钨极氩弧焊接工艺参数为:焊接电压为10~15V，焊接电流为90~140A，焊接速度为40~80mm/min,气体流量为12~20L/min ； 断弧及焊缝收尾时，继续通氩气保护，直到焊缝及热影响区金属冷却到250°C以下； (3)焊后冷却； 焊接完成，保持整个被焊接件的温度250°C，缓慢冷却至室温，以防止焊接裂纹。
2.如权利要求1所述的钛合金与镍合金异种材料的钨极氩弧焊工艺，其特征是，施焊前，先对焊件正、背面同时通氩气保护3~5min ;焊接过程中采用焊缝正背面同时保护措施，焊缝收尾熄弧后，继续通氩气保护2~5min。
3.如权利要求1所述的钛合金与镍合金异种材料的钨极氩弧焊工艺，其特征是，所述填丝钨极氩弧焊接采用高频引弧的直流的钨极氩弧焊电源。
4.如权利要求2所述的钛合金与镍合金异种材料的钨极氩弧焊工艺，其特征是，所述的采用焊缝正背面同时保护措施是，正面焊缝采用保护气体拖罩进行保护；平板对接时，焊缝背面采用带有通气孔道的紫铜垫板同时进行充氩气保护，气体流量为15~20L/min。
5.如权利要求2所述的钛合金与镍合金异种材料的钨极氩弧焊工艺，其特征是，所述的采用焊缝正背面同时保护措施是，正面焊缝采用保护气体拖罩进行保护；焊接管接头时，管内充氩气进行保护，气体流量为10~20L/min。
【文档编号】B23K9/23GK103878470SQ201410126145
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月31日 优先权日:2014年3月31日
【发明者】王娟, 李亚江 申请人:山东大学