钛‑管线钢焊接用Cu‑Ag‑Zr焊丝及其制备方法与流程

本发明属于金属材料焊接技术领域，具体涉及一种钛-管线钢焊接用Cu-Ag-Zr焊丝，本发明还涉及该焊丝的制备方法。

背景技术：

钛-管线钢复合板是一种新型爆炸双金属复合板，兼具钛的强耐腐蚀性和管线钢的高强韧性。实现其在油气运输管道上的应用，既能解决单一管线钢管道易被腐蚀的难点，又能解决用单一耐腐蚀材料制造油气运输管道的高成本问题。然而，由于钛、钢物理、化学特性差异较大，极易形成低熔点共晶体和Ti、Fe金属间脆性化合物，使得钛-管线钢复合板难以熔焊连接，严重阻碍了其在油气管道上的应用。目前，关于钛-管线钢复合板的对接问题仅有少量焊接工艺方面的报道，而且现有的钛-管线钢复合板的对接均采用加盖板的钛、钢互不相溶的搭接焊接方式，这种焊接方法工艺复杂，难以实现工程化应用，尚未见关于其熔焊连接焊接材料的报道。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种钛-管线钢焊接用Cu-Ag-Zr焊丝，解决钛-管线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一种钛-管线钢焊接用Cu-Ag-Zr焊丝的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，钛-管线钢焊接用Cu-Ag-Zr焊丝，包括药 芯和外皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Ag粉80～90％，Zr粉10～20％，以上组分质量百分比之和为100％。

本发明的特点还在于，

外皮为紫铜带。

药芯的填充量(重量)为15％～20％。

本发明所采用的第二个技术方案是，钛-管线钢焊接用Cu-Ag-Zr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80％～90％的Ag粉和10％～20％的Zr粉，上述组分质量百分比之和为100％；

步骤2：将步骤1称取的Ag粉和Zr粉放到混粉机中，干混得到混合均匀的药芯粉末，在真空炉内烘干；

步骤3：通过药芯焊丝制丝机把步骤2烘干的药芯粉末包裹在紫铜带内，控制药芯粉末的填充量(重量)为15％～20％，然后拉拔至直径为1.2mm，得到Cu-Ag-Zr焊丝。

本发明的特点还在于，

步骤1中Zr需进行醇洗2～3次，然后在空气中干燥30～40min。

步骤2中烘干温度为120～130℃，保温时间3～4h。

本发明的有益效果是，

(1)本发明Cu-Ag-Zr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焊接，又可采用自动非熔化极惰性气体保护焊焊接；

(2)Ag、Zr元素作为药芯焊丝中药粉主要组元，对于熔化焊纯钛TA1/Q345管线钢复合板，过渡层材料的选则和应用至关重要。从冶金作用 产物考虑，Ag元素和Ti元素有一定的溶解度，且不形成金属间化合物等脆性相，且Ag质地较软，可减少过渡层焊接应力，减少裂纹的产生。Ag元素的加入可以细化过渡层组织，提高焊缝的强韧性。在焊接过程中，Ag元素的加入可以提高药芯焊丝的润湿性和流动性，对于焊缝的成型起到至关重要的作用。Zr元素能与Ti元素形成连续固溶体，而Cu是非碳化物形成元素，能与Zr及钢中的各种元素均能形成固溶体，对于减小过渡层金属间化合物脆性相的形成起到一定的作用。适量Zr元素的加入可以使过渡层与复层钛冶金结合，改善界层组织形貌。

(3)钛-管线钢复合板开不对称双V形坡口，先用管线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是实施例1焊缝三角区微观组织形貌图；

图2是实施例2焊缝三角区微观组织形貌图；

图3是实施例3焊缝三角区微观组织形貌图。

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-管线钢焊接用Cu-Ag-Zr焊丝，包括药芯和外皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Ag粉80～90％，Zr粉10～20％，以上组分质量百分比之和为100％；外皮为紫铜带。

药芯的填充量(重量)为15％～20％。

本发明焊丝中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。

Zr元素作为药芯焊丝中药粉主要组元，对于熔化焊纯钛TA1/Q345管线钢复合板，过渡层材料的选择和应用至关重要，从冶金作用产物考虑，Zr元素能与Ti元素无限固溶，而Cu是非碳化物形成元素，能与Zr及钢中的各种元素均能形成有限固溶体，对于减小过渡层金属间化合物脆性相的形成起到一定的作用。适量Zr元素的加入可以使过渡层与复层钛冶金结合，改善界层组织形貌。

Ag元素和Ti元素有一定的溶解度，且不形成金属间化合物等脆性相，且Ag质地较软，可减少过渡层焊接应力，减少裂纹的产生。Ag元素的加入可以细化过渡层组织，提高焊缝的强韧性。在焊接过程中，银元素的加入可以提高药芯焊丝的润湿性和流动性，对于焊缝的成型起到至关重要的作用。

本发明钛-管线钢焊接用Cu-Ag-Zr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80％～90％的Ag粉和10％～20％的Zr粉，上述组分质量百分比之和为100％；其中水封态的Zr需进行醇洗2～3次，并在空气中干燥30～40min；

步骤2：将步骤1称取的Zr粉和Ag粉放到混粉机中，干混得到混合均 匀的药芯粉末；然后将药芯粉末置于真空加热炉内加热，加热温度120～130℃，保温时间3～4h，目的去除药粉中的结晶水；

步骤3：通过药芯焊丝制丝机将烘干后的药芯粉末包裹在紫铜带内，控制药芯粉末的填充量(重量)为15％～20％，第一道拉拔磨具孔径为2.5mm，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，磨具孔径以次换至2.2mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm、1.42mm、1.24mm、1.2mm，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。

实施例1

步骤1：按质量百分比分别称取90％的Ag粉和10％的Zr粉，上述组分质量百分比之和为100％；其中水封态的Zr需进行醇洗2次，并空干30min；

步骤2：将步骤1称取的Zr粉和Ag粉放到混粉机中，干混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120℃，保温时间3h，去除药粉中的结晶水；

步骤3：通过药芯焊丝制丝机将烘干后的药芯粉末包裹在紫铜带内，第一道拉拔磨具孔径为2.5mm，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，磨具孔径以次换至2.2mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm、1.42mm、1.24mm、1.2mm，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制备的药芯焊丝(过渡层)，配合纯钛焊丝(钛层)，及ER50-6管线钢焊丝(钢层)焊接钛-管线钢(TA1-Q345)复合板。焊接工艺为：钛-管线钢(TA1-Q345)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100°。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200-230A，过渡层采用手工TIG焊，焊接电流为110-130A，钛层采用自动钨极氩弧焊，焊接电流分别为：130-150A。

经测试，接头力学性能为：抗拉强度524MPa，屈服强度414MPa，断后延伸率8％，断面收缩率13％，室温冲击功14J。

实施例1制备得到的Cu-Ag-Zr焊丝配合纯钛丝及ER50-6管线钢焊丝焊接钛-管线钢复合板的熔敷金属微观组织见图1。从图1可以看出，过渡层与复层钛以及基层钢均达到冶金结合，成型较好。但在焊缝区域存在裂纹。裂纹主要分布在钛层、过渡层、钢层交汇区域，经相关能谱、XRD图像测试分析，焊缝裂纹区主要是Ti元素与Cu、Fe元素形成的金属间化合物所致。

实施例2

步骤1：按质量百分比分别称取85％的Ag粉和15％的Zr粉，上述组分质量百分比之和为100％；其中水封态的Zr需进行醇洗3次，并空干40min；

步骤2：将步骤1称取的Zr粉和Ag粉放到混粉机中，干混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125℃，保温时间4h，去除药粉中的结晶水；

步骤3：通过药芯焊丝制丝机将烘干后的药芯粉末包裹在紫铜带内，第一道拉拔磨具孔径为2.5mm，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，磨具孔径以次换至2.2mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm、1.42mm、1.24mm、1.2mm，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管线钢焊丝(钢层)焊接钛-管线钢(TA1-Q345)复合板。焊接工艺为：钛-管线钢(TA1-Q345)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100°。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200-230A，过渡层采用手工TIG焊，焊接电流为110-130A，钛层采用自动钨极氩弧焊，焊接电流分别为：130-150A。

经测试，接头力学性能为：抗拉强度545MPa，屈服强度425MPa，断后延伸率8.5％，断面收缩率14％，室温冲击功33J。

实施例2制备得到的Cu-Ag-Zr药芯焊丝配合纯钛焊丝及ER50-6管线钢焊丝焊接钛-管线钢复合板的熔敷金属微观组织见图2。从图2上可以看出，过渡层与复层钛以及基层钢均达到冶金结合，成型较好。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。药粉中15％的Zr对裂纹的避免及组织的改善起到作用。

实施例3

步骤1：按质量百分比分别称取80％的Ag粉和20％的Zr粉，上述组分 质量百分比之和为100％；其中水封态的Zr需进行醇洗2次，并空干35min；

步骤2：将步骤1称取的Zr粉和Ag粉放到混粉机中，干混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130℃，保温时间3.5h，去除药粉中的结晶水；

步骤3：通过药芯焊丝制丝机将烘干后的药芯粉末包裹在紫铜带内，第一道拉拔磨具孔径为2.5mm，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，磨具孔径以次换至2.2mm、2.0mm、1.8mm、1.6mm、1.42mm、1.24mm、1.2mm，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管线钢焊丝(钢层)焊接钛-管线钢(TA1-Q345)复合板。焊接工艺为：钛-管线钢(TA1-Q345)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100°。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200-230A，过渡层采用手工TIG焊，焊接电流为110-130A，钛层采用自动钨极氩弧焊，焊接电流分别为：130-150A。

经测试，接头力学性能为：抗拉强度512MPa，屈服强度408MPa，断后延伸率6.5％，断面收缩率11％，室温冲击功24J。

实施例3制备得到的Cu-Ag-Zr药芯焊丝配合纯钛丝及ER50-6管线钢焊丝焊接钛-管线钢复合板的熔敷金属微观组织见图3。从图3上可以看出，过 渡层与复层钛以及基层钢均达到冶金结合，成型较好。焊缝区域不存在微观裂纹，也不存在其他焊接缺陷。