一种用于焊接钛‑钢复合板的药芯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，具体涉及一种用于焊接钛-钢复合板的药芯焊丝，本发明还涉及该药芯焊丝的制备方法。

背景技术：

钛-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、钢难以熔焊连接，严重阻碍了其在油气管道上的应用。目前，关于钛-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-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用于焊接钛-钢复合板的药芯焊丝，解决钛-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用于焊接钛-钢复合板的药芯焊丝的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种用于焊接钛-钢复合板的药芯焊丝，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40％～60％，Mo粉40％～60％，以上组分质量百分比之和为100％。

本发明的特点还在于，

焊皮为紫铜带。

V粉的纯度为99.99％；Mo粉的纯度为99.94％。

该药芯焊丝的填充量控制在15％～20％。

本发明所采用的另一个技术方案是，一种用于焊接钛-钢复合板的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40％～60％的V粉和40％～60％的Mo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粉和Mo粉放到球磨机中，球磨8h后得到混合均匀的药芯粉末；将其置于真空加热炉内加入，加热温度200℃，保温时间2h，去除药粉中的结晶水；

步骤3：通过药芯焊丝制丝机把混合均匀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，磨具孔径以次换至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，又可用于非熔化极惰性气体保护焊；

(2)V、Mo元素作为药芯焊丝中药粉主要组元，对于熔化焊TA1/Q235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，V元素和Ti元素可以形成连续固溶体。Mo元素能与Ti元素形成固溶体，微量Mo元素的加入既可以优化过渡层组织，提高焊缝的强韧性，又因Mo元素的熔点高，可提高药芯焊丝的熔点，有益于后续钛盖面的焊接。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，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。

(3)TA1-Q235复合板开不对称双V形坡口，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-Q235爆炸复合板示意图及微观组织形貌图；

图2是TA1-Q235爆炸复合坡口尺寸示意图；

图3是TA1-Q235爆炸复合坡口焊材填充示意图；

图4为实施例2制备的药芯焊丝，在钛-钢复合板焊接时，过渡层、钢层和钛层界面微观组织形貌图。

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。

本发明用于焊接钛-钢复合板的药芯焊丝，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40％～60％，纯度99.99％，Mo粉40％～60％，纯度99.94％，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，对于熔化焊纯钛TA1/Q235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，V元素能与Ti元素无限固溶，而Cu是非碳化物形成元素，能与Ti及钢中的各种元素形成有限固溶体，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。

Mo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，微量Mo元素的加入既可以优化过渡层组织，提高焊缝的强韧性，又因Mo元素的熔点高，可提高药芯焊丝的熔点，有益于后续钛盖面的焊接。

用于焊接钛-钢复合板的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40％-60％的V粉和40％-60％的Mo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粉和Mo粉放到球磨机中，球磨8h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200℃，保温时间2h，目的去除药粉中的结晶水；

步骤3：通过药芯焊丝制丝机把混合均匀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，磨具孔径以次换至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。

实施例1

步骤1：按质量百分比分别称取50％的V粉和50％的Mo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粉和Mo粉放到球磨机中，球磨8h得到混合均匀的药芯粉末；将其置于真空加热炉内加入，加热温度200℃，保温时间2h，目的去除药粉中的结晶水；

步骤3：通过药芯焊丝制丝机把混合均匀的药粉包裹在紫铜带内，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。

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钢焊丝(钢层)焊接钛-钢(TA1-Q235)复合板，TA1-Q235爆炸复合板尺寸示意图如图1所示。焊接工艺为：钛-钢(TA1-Q235)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°，TA1-Q235爆炸复合坡口尺寸及焊材填充示意图如图2和图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：90-120A。

经测试，接头力学性能为：抗拉强度431MPa，屈服强度395MPa，断后延伸率7％，断面收缩率11％，室温冲击功14J。

实施例2

步骤1：按质量百分比分别称取60％的V粉和40％的Mo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粉和Mo粉放到球磨机中，球磨8h得到混合均匀的药芯粉末；将其置于真空加热炉内加入，加热温度200℃，保温时间2h，目的去除药粉中的结晶水；

步骤3：通过药芯焊丝制丝机把混合均与的药粉包裹在紫铜带内，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。

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)焊接钛-钢(TA1-Q235)复合板，TA1-Q235爆炸复合板尺寸示意图如图1所示。焊接工艺为：钛-钢(TA1-Q235)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°，TA1-Q235爆炸复合坡口尺寸及焊材填充示意图如图2和图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：90-120A。

经测试，接头力学性能为：抗拉强度537MPa，屈服强度415MPa，断后延伸率8％，断面收缩率13％，室温冲击功31J。

实施例2制备得到的Cu-V-Mo药芯焊丝配合纯钛焊丝及ER50-6钢焊丝焊接钛-钢复合板的熔敷金属微观组织见图4。从金相图片上可以看出，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。

实施例3

步骤1：按质量百分比分别称取40％的V粉和60％的Mo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粉和Mo粉放到球磨机中，球磨8h得到混合均匀的药芯粉末；将其置于真空加热炉内加入，加热温度200℃，保温时间2h，目的去除药粉中的结晶水；

步骤3：通过药芯焊丝制丝机把混合均匀的药粉包裹在紫铜带内，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。

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)焊接钛-钢(TA1-Q235)复合板，TA1-Q235爆炸复合板尺寸示意图如图1所示。焊接工艺为：钛-钢(TA1-Q235)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°，TA1-Q235爆炸复合坡口尺寸及焊材填充示意图如图2和图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：90-120A。

经测试，接头力学性能为：抗拉强度475MPa，屈服强度408MPa，断后延伸率6％，断面收缩率9％，室温冲击功20J。

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60％的V粉和40％的Mo粉的情况下，焊接钛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。