添加Zr提高钼及钼合金熔焊焊缝强韧性的微合金化方法与流程

本发明属于焊接技术领域，涉及一种添加zr提高钼及钼合金熔焊焊缝强韧性的微合金化方法。

背景技术：

钼，熔点高达2610℃，中子吸收截面小，热膨胀系数低，热传导性能优异，高温力学性能好，可加工性好，当温度低于500℃时，钼在空气或水中有良好的稳定性。上述优点使得钼在冶金、航空、航天、核能、军事等领域有着重要应用。然而，钼及钼合金本质上是硬脆材料，焊接性极差。由于钼的熔点太高，一般须采用粉末冶金的方式加工制备，材料含气量较高；同时，钼在高温下对o、n、c等杂质十分敏感，特别是在熔化焊熔池凝固时，o、n、c等杂质元素易在晶界处偏析，使熔焊焊缝强度极差。上述问题严重制约了钼及钼合金在结构材料领域的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种添加zr提高钼及钼合金熔焊焊缝强韧性的微合金化方法，该方法能够消除杂质元素晶界的偏析现象，同时提高钼和钼合金的熔焊焊缝强度。

为达到上述目的，本发明所述的添加zr提高钼及钼合金熔焊焊缝强韧性的微合金化方法包括以下步骤：

1)对待焊接工件的待焊接区域进行预处理，其中，待焊接工件的材质为纯钼或钼合金；

2)在待焊接工件的接合处填充锆层或者锆箔，然后再将待焊接工件进行装配；

3)将待焊接工件置于惰性保护气氛中，再对待焊接工件的待焊接区域进行预热；

4)将焊接热源作用于待焊接工件的焊接缝处，完成待焊接工件的熔焊焊接，再对焊接后工件的焊缝位置进行保温，然后在冷却至室温，完成添加zr提高钼及钼合金熔焊焊缝强韧性的微合金化。

步骤1)中对待焊接工件的待焊接区域表面进行预处理的具体操作为：用砂纸对待焊接工件的待焊接区域进行打磨，再用氢氧化钠溶液对待焊接工件的待焊接区域进行碱洗，并用清水进行冲洗，然后将待焊接工件的待焊接区域浸于丙酮中超声清洗，再进行吹干。

步骤4)中将焊接热源作用于待焊接工件的焊接缝处，然后采用激光焊、激光电弧复合焊、电子束焊、等离子束焊或氩弧焊完成待焊接工件的熔焊焊接。

钼合金为合金元素含量小于等于2wt％的钼合金或第二相掺杂物含量小于等于2wt％的钼合金。

焊接后工件的焊缝形式为对接焊缝或角接焊缝。

步骤2)中将待焊接工件进行装配，使待焊接工件的接合处的间隙小于等于待焊接工件厚度的4％，并使待焊接工件接合处的错边量小于等于待焊接工件厚度的4％。

焊后焊缝金属中所掺入的锆元素的质量百分比为0.1％，且焊后焊缝金属中所掺入的锆元素的浓度为0.08wt％-0.12wt％。

锆层及锆箔的纯度大于等于99.99％；

所述惰性气体为纯度大于等于99.999％的氩气。

采用溅射镀膜、电镀、冷喷涂或激光熔覆的方法在待焊接工件的接合处填充锆层。

步骤3)中预热的预热温度为450-550℃。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的添加zr提高钼及钼合金熔焊焊缝强韧性的微合金化方法在具体操作时，先在待焊接工件的接合处填充锆层或者锆箔，通过锆改善纯钼及钼合金的拉伸轻度及显微组织，其中，锆相对于钼的尺寸因子较大，因此mo-zr系统溶解度有限，只有当温度达到1300℃以上才会出现明显的扩散，在高温焊接烧结时，锆缓慢进入到待焊接工件中，从而提高焊缝的拉伸强度，同时锆在高温下对氧的亲和力极强，因此大部分锆元素可以与氧等杂质元素结合，有效消除杂质元素在晶界产生的偏析现象，避免发生晶界分离现象，同时反应生成的zro2又可对焊缝组织起到第二相粒子弥散强化的作用。经实验，不加zr时，焊缝晶界强度严重弱化，室温拉伸时焊缝断口为沿晶开裂形貌，而且存在大量大尺寸气孔缺陷；加适量zr后，室温拉伸时焊缝处发生沿晶断裂的区域显著减小，并出现穿晶断裂形貌，而且大尺寸气孔缺陷显著减少，钼和钼合金的熔焊焊缝强度得到显著提高。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2(a)为实施例一钼合金薄壁管的尺寸图；

图2(b)为实施例一中锆箔环形垫片的尺寸图；

图2(c)为实施例一中钼合金端塞的尺寸图；

图3为实施例一中焊接接头及焊缝形貌图；

图4为实施例一中加zr与不加zr时钼合金激光焊接头的拉伸曲线图；

图5(a)为实施例一中不加zr时钼合金激光焊接头拉伸断口显微形貌；

图5(b)为加zr时钼合金激光焊接头拉伸断口显微形貌图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的添加zr提高钼及钼合金熔焊焊缝强韧性的微合金化方法包括以下步骤：

1)对待焊接工件的待焊接区域进行预处理，其中，待焊接工件的材质为纯钼或钼合金；

2)在待焊接工件的接合处填充锆层或者锆箔，然后再将待焊接工件进行装配；

3)将待焊接工件置于惰性保护气氛中，再对待焊接工件的待焊接区域进行预热；

4)将焊接热源作用于待焊接工件的焊接缝处，完成待焊接工件的熔焊焊接，再对焊接后工件的焊缝位置进行保温，然后在冷却至室温，完成添加zr提高钼及钼合金熔焊焊缝强韧性的微合金化。

步骤1)中对待焊接工件的待焊接区域表面进行预处理的具体操作为：用砂纸对待焊接工件的待焊接区域进行打磨，再用氢氧化钠溶液对待焊接工件的待焊接区域进行碱洗，并用清水进行冲洗，然后将待焊接工件的待焊接区域浸于丙酮中超声清洗，再进行吹干。

步骤4)中将焊接热源作用于待焊接工件的焊接缝处，然后采用激光焊、激光电弧复合焊、电子束焊、等离子束焊或氩弧焊完成待焊接工件的熔焊焊接。

钼合金为合金元素含量小于等于2wt％的钼合金或第二相掺杂物含量小于等于2wt％的钼合金。

焊接后工件的焊缝形式为对接焊缝或角接焊缝。

步骤2)中将待焊接工件进行装配，使待焊接工件的接合处的间隙小于等于待焊接工件厚度的4％，并使待焊接工件接合处的错边量小于等于待焊接工件厚度的4％。

焊后焊缝金属中所掺入的锆元素的质量百分比为0.1wt％，且焊后焊缝金属中所掺入的锆元素的浓度为0.08wt％-0.12wt％。

锆层及锆箔的纯度大于等于99.99％；

所述惰性气体为纯度大于等于99.999％的氩气。

采用溅射镀膜、电镀、冷喷涂或激光熔覆的方法在待焊接工件的接合处填充锆层。

步骤3)中预热的预热温度为450-550℃。

实施例一

以含0.25wt％la2o3弥散强化相的高性能钼合金薄壁管-端塞的对接激光焊为例，焊接过程中的主要操作流程如图1所示，先将钼管和端塞对接区域依次用240#、600#、1000#砂纸进行打磨，然后用氢氧化钠水溶液进行碱洗，最后用丙酮超声清洗，吹干备用；将厚度为0.05mm的锆箔加工成外径10mm、内径8.5mm的环形垫片，用由12ml的hno3与6ml的hf+82mlh2o配制而成的溶液进行酸洗，以去除锆箔表面的氧化膜，最后用丙酮超声清洗，吹干备用，钼管、端塞、锆箔环形垫片的形状与尺寸如图2(a)、图2(b)及图2(c)所示；将钼管和端塞进行装配，锆箔环形垫片填充于两者接缝处，保证三者装配紧密；将装配好的待焊试样置于高纯氩气保护气氛中，再对对接头进行加热，当对接头的温度达到500℃后，让功率为1200kw的激光束照射于钼管和端塞的接缝处，试样以0.2m/min的线速度旋转一周，完成对钼管和端塞的激光焊环焊；焊后让焊接接头在500℃以上保温30s，之后再缓慢冷却至室温，试样焊缝形貌如图3所示。

按照上述步骤焊接一个钼管和端塞对接处不加锆箔的试样作为对照，将高性能钼合金薄壁管母材、不加锆箔和加锆箔的两种高性能钼合金激光焊对接接头进行拉伸，拉伸曲线如图4所示，钼管母材的抗拉强度为720mpa，断裂时伸长量达到10.6mm；不加锆箔焊接接头的抗拉强度仅有124mpa，断裂时伸长量仅为0.52mm；加锆箔焊接接头的抗拉强度为480mpa，达到母材抗拉强度的66.7％，约为不加锆中间层时接头抗拉强度的4倍，拉伸时塑韧性相比于不加锆箔时得到显著改善，断裂时伸长量为1.54mm；图5(a)及图5(b)为两种焊接接头的断口形貌，可以看出，不加锆箔时接头全部在焊缝处发生断裂，断裂模式为沿晶断裂，而加锆箔时接头约60％区域在母材发生断裂，40％区域在焊缝发生断裂，焊缝处发生沿晶断裂的区域显著减小，出现了穿晶断裂形貌；因此通过在mo-0.25la高性能钼合金薄壁管和端塞对接处填充钼箔环形垫片的方法，可以显著改善其激光焊接头的韧性，提高其抗拉强度。