钛‑铜‑钢复合板焊接用药芯焊丝及其焊接坡口形式的制作方法

本发明属于金属材料焊接技术领域，具体涉及钛-铜-钢复合板焊接用药芯焊丝，本发明还涉及该药芯焊丝的制备方法，以及焊接坡口形式。

背景技术：

钛-铜-钢复合板是一种在钛-钢复合板基础上改进的新型爆炸三层金属复合板，兼有钛的优良耐腐蚀性和钢的优良塑韧性。实现其在石油管道运输上的应用，既能满足石油管道运输的要求，又能解决钛-钢复合板不易焊接的问题。已有的研究成果表明钛与钢焊接存在两大困难：一方面，焊缝中产生tife、tife2硬脆金属间化合物，致使焊接接头脆断：另一方面，由于钛和钢热物理性能存在很大差异，从而使得焊后接头中存在很大的残余应力。目前，钛-钢复合板的对接主要是通过加盖板的钛、钢互不相溶的搭接焊方式来实现，或者是通过在其对接间隙引入合适的中间层来实现，这些焊接方法工艺复杂，因此难以实现工程化应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供钛-铜-钢复合板焊接用药芯焊丝，解决了钛-铜-钢复合板无法熔焊对接的问题。

本发明的另一个目的是提供钛-铜-钢复合板焊接用药芯焊丝的制备方法。

本发明还有一个目的是提供用药芯焊丝焊接钛-铜-钢复合板焊接时的坡口形式。

本发明所采用的技术方案是，钛-铜-钢复合板焊接用药芯焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：v粉55％～65％，ni粉15％～25％，ag粉15％～25％，以上组分质量百分比之和为100％。

本发明的特点还在于：

v粉的纯度为99.99％；ni粉的纯度为99.99％，ag粉的纯度为99.99％，三种金属粉的粒度都是250-300目。

焊皮为紫铜带，紫铜带厚度0.3mm，宽度7mm。

该药芯焊丝的填充量控制在15％～20％。

本发明所采用的第二个技术方案是，钛-铜-钢复合板焊接用药芯焊丝的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：按质量百分比分别称取v粉55％～65％，ni粉15％～25％，ag粉15％～25％，上述组分质量百分比之和为100％；

步骤2：将步骤1称取的v粉、ni粉和ag放到球磨机中，球磨10h后得到混合均匀的药芯粉末；将其置于真空加热炉内加热，加热温度150-200℃，保温时间2.5-3.5h，去除药粉中的结晶水，得到药芯粉末；

步骤3：通过药芯焊丝制丝机把把步骤2制备得到的药芯粉末包裹在紫铜带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm，拉拔药芯焊丝第一道工序前，紫铜带用丙酮擦拭干净；

步骤4：第一道工序拉拔完毕后，磨具孔径依次换至2.3mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm、1.42mm、1.34mm、1.28mm、1.24mm，最终拉拔药芯焊丝至直径为1.2mm；

步骤5：焊丝拉拔完毕后，药芯焊丝用蘸有丙酮的棉布擦拭上边的油污，最终经绕丝机把药芯焊丝缠绕在焊丝盘上待用。

本发明所采用的第三个技术方案是，采用上述药芯焊丝焊接钛-铜-钢复合板时的坡口形式，坡口形式为不对称的双v型，钢侧坡口角度为55～65°，钛侧坡口角度为90～95°，且钛侧坡口根部位置位于钛-钢复合界面偏向钢侧0.5mm处，坡口装配间隙控制在2～5mm。

本发明的有益效果是，

(1)本发明药芯焊丝直径比较小，丝径为1.2mm的药芯焊丝适用广泛，该药芯焊丝既可采用手工钨极氩弧焊，又可用于熔化极惰性气体保护焊；

(2))v、ni、ag元素作为药芯焊丝中药粉主要组元，对于熔化焊ta1/cu/x65复合板，过渡层材料的选择和应用至关重要。从冶金作用产物考虑，v元素和ti元素可以形成连续固溶体，有利于抑制焊缝中ti-fe金属间化合物的形成；ag元素能与ti元素形成有限固溶体，微量ag元素的加入既可以优化过渡层组织，提高焊缝的强韧性；ni元素的加入可以改变焊接材料对母材的润湿性，提高焊缝的成形质量，并且ni的加入有利于降低药芯焊丝的熔点。而cu是非碳化物形成元素，能与钛及钢中的各种元素均能形成固溶体，有利于抑制过渡层中脆性相的形成；

(3)ta1/cu/x65复合板开不对称双v形坡口，采用中间铜层可有效抑制在焊接过程中ti、fe元素在复合界面处的直接冶金作用，先用er50-6钢焊丝在钢侧坡口处焊接钢层，再用本发明的药芯焊丝在ti侧坡口处焊接过渡层，最后用纯钛焊丝焊接钛层，所得焊接接头具有优良的强韧性；

(4)本发明药芯焊丝合金元素较少，制备工艺简单，便于进行大规模批量生产。

附图说明

图1是ta1/cu/x65爆炸复合板示意图及微观组织形貌图；

图2是ta1/cu/x65爆炸复合坡口尺寸示意图；

图3是ta1/cu/x65爆炸复合坡口焊材填充示意图；

图4为实施案例2制备的药芯焊丝用于钛-铜-钢复合板焊接时，过渡层、钢层和钛层界面的微观组织形貌图；

图5为实施案例2制备的药芯焊丝用于钛-铜-钢复合板焊接时，焊缝的微观组织形貌图；

图6为实施案例2制备的药芯焊丝用于钛-铜-钢复合板焊接时，焊缝的整体微观组织形貌图。

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。

本发明钛-铜-钢复合板焊接用药芯焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：v粉55％～65％，纯度99.99％，ni粉15％～25％，纯度99.99％％，ag粉15％～25％，纯度99.99％，以上组分质量百分比之和为100％，药芯焊丝的填充量控制在15％～20％。焊皮为紫铜带，紫铜带厚度0.3mm，宽度7mm。

该药芯焊丝中各组分的作用和功能如下：

cu元素在药芯焊丝中做过渡层时，由于cu元素不与基层钢形成金属间化合物脆性相，并且可以改变钛钢复合板过渡层组织形貌。cu做为中间层，对钛和铁元素形成金属间化合物有一定的隔离作用，在焊缝中，钛和铁的金属间化合物层被钛和铜的金属间化合物代替，使焊缝的塑性和韧性有一定的提高，由于钛和铜的金属间化合物相对较软，使的焊缝中的热应力相对减少这对避免焊后裂纹有一定的好处。cu的固溶体可以打断钛和铁的金属间化合物，并且可以减少焊缝的硬度；

v元素作为药芯焊丝中药粉主要组元，由于v元素和ti元素可以形成连续固溶体，可减少焊缝中硬脆的ti-fe金属间化合物；

ag元素能与ti元素形成有限固溶体，微量ag元素的加入既可以优化过渡层组织，提高焊缝的强韧性；

ni元素的加入可以改变焊接材料对母材的润湿性，提高焊缝的成形质量，并且ni的加入有利于降低药芯焊丝的熔点。

上述钛-铜-钢复合板焊接用药芯焊丝的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：按质量百分比分别称取v粉55％～65％，ni粉15％～25％，ag粉15％～25％，以上组分质量百分比之和为100％；

步骤2：将步骤1称取的v粉、ni粉和ag放到球磨机中，球磨10h后得到混合均匀的药芯粉末；将其置于真空加热炉内加热，加热温度150-200℃，保温时间2.5-3.5h，去除药粉中的结晶水得到药芯粉末；

步骤3：通过药芯焊丝制丝机把把步骤2制备得到的药芯粉末包裹在紫铜带内，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm，拉拔药芯焊丝第一道工序前，紫铜带用丙酮擦拭干净；

步骤4：第一道工序拉拔完毕后，磨具孔径依次换至2.3mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm、1.42mm、1.34mm、1.28mm、1.24mm，最终拉拔药芯焊丝至直径为1.2mm；

步骤5：焊丝拉拔完毕后，药芯焊丝用蘸有丙酮的棉布擦拭上边的油污，最终经绕丝机把药芯焊丝缠绕在焊丝盘上待用。

采用上述药芯焊丝焊接钛-铜-钢复合板时的坡口形式，其特征在于，坡口形式为不对称的双v型，钢侧坡口角度为55～65°，钛侧坡口角度为90～95°，且钛侧坡口根部位置位于钛-钢复合界面偏向钢侧0.5mm处，坡口装配间隙控制在2～5mm。

实施例1

步骤1：按所需分别称取质量百分比为55％的v粉、25％的ni粉和20％的ag粉，上述组分质量百分比之和为100％；

步骤2：将步骤1称取的v粉、ni粉和ag粉放到球磨机中，球磨10h得到混合均匀的药芯粉末；将其置于真空加热炉内加热，加热温度190℃，保温时间2.5h，目的去除药粉中的结晶水，得到药芯粉末；

步骤3：通过药芯焊丝制丝机把步骤2制备得到的药芯粉末包裹在紫铜带内，填充量控制在15％，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm，拉拔药芯焊丝第一道工序前，紫铜带用丙酮擦拭干净；

步骤4：第一道工序拉拔完毕后，磨具孔径依次换至2.3mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm、1.42mm、1.34mm、1.28mm、1.24mm，最终拉拔药芯焊丝至直径为1.2mm；

步骤5：焊丝拉拔完毕后，药芯焊丝用蘸有丙酮的棉布擦拭上边的油污，最终经绕丝机把药芯焊丝缠绕在焊丝盘上待用。

用实施例1制备的钛-铜-管线钢复合板过渡层用药芯焊丝，配合纯钛焊丝(钛层)，及er50-6钢焊丝(钢层)焊接ta1/cu/x65复合板，ta1/cu/x65爆炸复合板微观形貌如附图说明图1所示。焊接工艺为：ta1/cu/x65复合板开不对称的双v形坡口(钢层在下、钛层在上)，钢侧坡口角度为65°，钛侧坡口角度为95°，且钛侧坡口根部位置位于钛-钢复合界面偏向钢侧0.5mm处，坡口装配间隙控制在2～5mm。ta1/cu/x65爆炸复合板坡口尺寸示意图如图2所示，焊材填充示意图如图3所示。焊接顺序为：钢层-过渡层-钛层；钢层采用co2气体保护焊，焊接电流为180-220a，过渡层采用手工tig焊，焊接电流为100-130a，钛层采用自动钨极氩弧焊，焊接电流分别为：110-125a。

经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度495mpa，屈服强度412mpa，断后延伸率8％，断面收缩率22％，室温冲击功60j。

实施例2

步骤1：按所需分别称取质量百分比为65％的v粉、20％的ni粉和15％的ag粉，上述组分质量百分比之和为100％；

步骤2：将步骤1称取的v粉、ni粉和ag粉放到球磨机中，球磨10h得到混合均匀的药芯粉末；将其置于真空加热炉内加热，加热温度150℃，保温时间2.5h，目的去除药粉中的结晶水，得到药芯粉末；

步骤3：通过药芯焊丝制丝机把步骤2制备得到的药芯粉末包裹在紫铜带内，填充量控制在20％，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm，拉拔药芯焊丝第一道工序前，紫铜带用丙酮擦拭干净；

步骤4：第一道工序拉拔完毕后，磨具孔径依次换至2.3mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm、1.42mm、1.34mm、1.28mm、1.24mm，最终拉拔药芯焊丝至直径为1.2mm；

步骤5：焊丝拉拔完毕后，药芯焊丝用蘸有丙酮的棉布擦拭上边的油污，最终经绕丝机把药芯焊丝缠绕在焊丝盘上待用。

用实施例2制备的药芯焊丝(过渡层)，配合纯钛焊丝(钛层)，及er50-6钢焊丝(钢层)焊接ta1/cu/x65复合板；焊接工艺为：ta1/cu/x65复合板开不对称的双v形坡口(钢层在下、钛层在上)，钢侧坡口角度为55°，钛侧坡口角度为90°，且钛侧坡口根部位置位于钛-钢复合界面偏向钢侧0.5mm处，坡口装配间隙控制在5mm；焊接顺序为：钢层-过渡层-钛层；钢层采用co2气体保护焊，焊接电流为180-220a，过渡层采用手工tig焊，焊接电流为100-130a，钛层采用自动钨极氩弧焊，焊接电流分别为：110-125a。

经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度516mpa，屈服强度438mpa，断后延伸率9％，断面收缩率27％，室温冲击功80j。

实施例2制备得到的cu-v-ni-ag药芯焊丝配合纯钛焊丝及er50-6钢焊丝焊接钛-铜-钢复合板的熔敷金属微观组织见图4和图5，图6是焊接接头整体形貌。从金相图片上可以看出，焊缝各层填充金属之间衔接良好，无宏观裂纹等缺陷。从微观组织形貌观察，不同区域组织与组织间以熔合线隔开，熔合线清晰，熔合线附近未发现裂纹、气孔等常见裂纹。

实施例3

步骤1：按所需分别称取质量百分比为55％的v粉、20％的ni粉和25％的ag粉，上述组分质量百分比之和为100％；

步骤2：将步骤1称取的v粉、ni粉和ag粉放到球磨机中，球磨10h得到混合均匀的药芯粉末；将其置于真空加热炉内加热，加热温度180℃，保温时间3.5h，目的去除药粉中的结晶水，得到药芯粉末；

步骤3：通过药芯焊丝制丝机把步骤2制备得到的药芯粉末包裹在紫铜带内，填充量控制在20％，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm，拉拔药芯焊丝第一道工序前，紫铜带用丙酮擦拭干净；

步骤4：第一道工序拉拔完毕后，磨具孔径依次换至2.3mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm、1.42mm、1.34mm、1.28mm、1.24mm，最终拉拔药芯焊丝至直径为1.2mm；

步骤5：焊丝拉拔完毕后，药芯焊丝用蘸有丙酮的棉布擦拭上边的油污，最终经绕丝机把药芯焊丝缠绕在焊丝盘上待用。

用实施例3制备的药芯焊丝(过渡层)，配合纯钛焊丝(钛层)，及er50-6钢焊丝(钢层)焊接ta1/cu/x65复合板；焊接工艺为：ta1/cu/x65复合板开不对称的双v形坡口(钢层在下、钛层在上)，钢侧坡口角度为60°，钛侧坡口角度为93°，且钛侧坡口根部位置位于钛-钢复合界面偏向钢侧0.5mm处，坡口装配间隙控制在3mm；焊接顺序为：钢层-过渡层-钛层；钢层采用co2气体保护焊，焊接电流为180-220a，过渡层采用手工tig焊，焊接电流为100-130a，钛层采用自动钨极氩弧焊，焊接电流分别为：110-125a。

经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度465mpa，屈服强度402mpa，断后延伸率6.8％，断面收缩率18％，室温冲击功58j。

实施例4

步骤1：按所需分别称取质量百分比为60％的v粉、15％的ni粉和25％的ag粉，上述组分质量百分比之和为100％；

步骤2：将步骤1称取的v粉、ni粉和ag粉放到球磨机中，球磨10h得到混合均匀的药芯粉末；将其置于真空加热炉内加热，加热温度180℃，保温时间3h，目的去除药粉中的结晶水，得到药芯粉末；

步骤3：通过药芯焊丝制丝机把步骤2制备得到的药芯粉末包裹在紫铜带内，填充量控制在17％，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm，拉拔药芯焊丝第一道工序前，紫铜带用丙酮擦拭干净；

步骤4：第一道工序拉拔完毕后，磨具孔径依次换至2.3mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm、1.42mm、1.34mm、1.28mm、1.24mm，最终拉拔药芯焊丝至直径为1.2mm；

步骤5：焊丝拉拔完毕后，药芯焊丝用蘸有丙酮的棉布擦拭上边的油污，最终经绕丝机把药芯焊丝缠绕在焊丝盘上待用。

用实施例4制备的药芯焊丝(过渡层)，配合纯钛焊丝(钛层)，及er50-6钢焊丝(钢层)焊接ta1/cu/x65复合板；焊接工艺为：ta1/cu/x65复合板开不对称的双v形坡口(钢层在下、钛层在上)，钢侧坡口角度为65°，钛侧坡口角度为92°，且钛侧坡口根部位置位于钛-钢复合界面偏向钢侧0.5mm处，坡口装配间隙控制在2mm；焊接顺序为：钢层-过渡层-钛层；钢层采用co2气体保护焊，焊接电流为180-220a，过渡层采用手工tig焊，焊接电流为100-130a，钛层采用自动钨极氩弧焊，焊接电流分别为：110-125a。

经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度470mpa，屈服强度411mpa，断后延伸率7.2％，断面收缩率19％，室温冲击功63j。

实施例5

步骤1：按所需分别称取质量百分比为65％的v粉、15％的ni粉和20％的ag粉，上述组分质量百分比之和为100％；

步骤2：将步骤1称取的v粉、ni粉和ag粉放到球磨机中，球磨10h得到混合均匀的药芯粉末；将其置于真空加热炉内加热，加热温度200℃，保温时间3.5h，目的去除药粉中的结晶水，得到药芯粉末；

步骤3：通过药芯焊丝制丝机把步骤2制备得到的药芯粉末包裹在紫铜带内，填充量控制在20％，第一道拉拔磨具孔径为2.6mm，拉拔药芯焊丝第一道工序前，紫铜带用丙酮擦拭干净；

步骤4：第一道工序拉拔完毕后，磨具孔径依次换至2.3mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm、1.42mm、1.34mm、1.28mm、1.24mm，最终拉拔药芯焊丝至直径为1.2mm；

步骤5：焊丝拉拔完毕后，药芯焊丝用蘸有丙酮的棉布擦拭上边的油污，最终经绕丝机把药芯焊丝缠绕在焊丝盘上待用。

用实施例5制备的药芯焊丝(过渡层)，配合纯钛焊丝(钛层)，及er50-6钢焊丝(钢层)焊接ta1/cu/x65复合板；焊接工艺为：ta1/cu/x65复合板开不对称的双v形坡口(钢层在下、钛层在上)，钢侧坡口角度为65°，钛侧坡口角度为95°，且钛侧坡口根部位置位于钛-钢复合界面偏向钢侧0.5mm处，坡口装配间隙控制在5mm；焊接顺序为：钢层-过渡层-钛层；钢层采用co2气体保护焊，焊接电流为180-220a，过渡层采用手工tig焊，焊接电流为100-130a，钛层采用自动钨极氩弧焊，焊接电流分别为：110-125a。

经测试，焊接接头力学性能为：抗拉强度465mpa，屈服强度402mpa，断后延伸率7.9％，断面收缩率21％，室温冲击功61j。

经优化在药芯焊丝药粉填充量控制在15％～20％时，质量百分比为65％的v粉、25％的ni粉和10％的ag粉的情况下，焊接钛-铜-钢层状复合板可以得到成型效果最好、缺陷最少及力学性能较好的焊缝；ta1/cu/x65复合板开不对称双v形坡口，钢侧坡口角度为65°，钛侧坡口角度为90°，且钛侧坡口根部位置位于钛-钢复合界面偏向钢侧0.5mm处，坡口装配间隙控制在5mm，所得焊接接头具有优良的强韧性。