一种TC4钛合金药芯焊丝及其制备方法与流程

一种tc4钛合金药芯焊丝及其制备方法
技术领域
[0001]
本发明属于焊接材料制备技术领域，具体涉及一种tc4钛合金药芯焊丝及其制备方法。


背景技术：

[0002]
tc4钛合金因其所具有的比强度高、无磁性、无毒性、强度高、耐腐蚀、工作温度区宽、加工成型好等许多优良特性被广泛应用于海洋钻探、压力容器、深潜器、核潜艇、宇航舰船及武器装备等领域。早在上个世纪80年代的时候，美国的海防建设军队就已经开始釆用钛合金材料制造远洋运输舰艇，使其使用寿命以及稳定性大幅度提高，维修成本也减低。近年来，很多西方发达国家在深海空间工作站制造业中使用钛合金材料的比例一直在增加。与整体冲压成形相比，焊接制备加工量小、周期短、耗材少，成本低，而焊接材料是影响焊接接头性能的重要影响因数之一。
[0003]
目前，钛合金焊接时多采用tig焊、激光焊和电子束焊接，采用的焊接材料大部分都是实心焊丝，相关的钛合金焊丝发明专利也大多数属于实心焊丝领域，如专利cn101456102a公开了一种钛合金手工钨极氩弧焊细化晶粒型焊丝及制备方法；专利cn1814395a公开了一种高强双相钛合金用实心焊丝；专利cn104084712a公开了一种耐腐蚀性强的钛合金焊接用实心焊丝；专利cn104923968 a公开了一种ti-6al-4v eli钛合金专用ti-6al-3v焊丝及加工工艺。尽管上述实心焊丝可获得综合性能较好的焊接接头，但在实际生产过程中，实心焊丝由于其冶炼工艺复杂、对单次熔炼重量有一定要求，从而造成配方调整成本较高，同时钛合金实心焊丝在焊接过程中同时还存在熔敷效率较低、焊接飞溅较大、润湿及铺展性能较差等缺点。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是为了解决现有钛合金焊接用焊丝大部分为实心焊丝，而实心焊丝的制备过程冶炼工艺复杂，配方调整成本较高，且所得焊丝在焊接过程中熔敷效率较低、润湿和铺展性较差等技术问题，而提供一种优质高效的tc4钛合金药芯焊丝及其制备方法。
[0005]
本发明的一种tc4钛合金药芯焊丝由ta1钛合金外皮和药芯制备而成；所述ta1钛合金外皮由ta1钛带经卷筒、拉拔、退火而成；所述药芯由钒粉、铝粉、钼粉、钴粉、镍粉、铜粉、硅粉、钛粉混合而成，其中各组分所占质量百分含量为钒粉：15％～25％、铝粉：25％～30％、钼粉：15％～20％、钴粉：0.1％～0.3％、镍粉：2％～4％、铜粉：0.5％～1％、硅粉：0.1％～0.3％、其余为钛粉。
[0006]
进一步限定，所述ta1钛合金外皮元素组成及含量为：ti≥99％、h≤0.015％、n≤0.03％。
[0007]
进一步限定，所述ta1钛带厚度为0.3mm～0.5mm，宽度为5mm～7mm。
[0008]
进一步限定，所述tc4钛合金药芯焊丝中药芯的填充率为18％～22％。
[0009]
进一步限定，所述药芯中铝粉和钛粉的粒度均为80～120目，药芯中其余金属粉的
粒度均为80～200目。
[0010]
进一步限定，所述tc4钛合金药芯焊丝熔敷金属元素组成及含量为：al：4.5％～7.5％、si：0.05％～0.1％、cu：0.05％～0.1％、mo：2.7％～5.0％、v：2.7％～4.5％、co：0.02％～0.05％、ni：0.01％～0.03％、其余为ti。
[0011]
进一步限定，所述tc4钛合金药芯焊丝熔敷金属中扩散氢含量为1.5ml/100g～2.2ml/100g。
[0012]
本发明的一种tc4钛合金药芯焊丝的制备方法按以下步骤进行：
[0013]
一、清洗ta1钛带：先用naoh和丙酮的混合液对钛带进行清洗，清洗完成后用清水冲洗，再用hf和hno3的混合水溶液超声清洗，得到清洗后ta1钛带；
[0014]
二、制备药芯粉：按比例将钒粉、铝粉、钼粉、钴粉、镍粉、铜粉、硅粉、钛粉在氩气气氛下球磨混合，得到药芯粉；
[0015]
三、制备ta1钛合金药芯焊丝前体：将ta1钛带进行卷筒，卷成截面为圆形的钛管，在卷筒过程中填入步骤二得到的药芯粉，将装有药芯粉的钛管进行轧制，并经多道次减径，每两道次减径后进行去应力退火，得到直径为4mm的钛管，即外径为4mm的ta1钛合金药芯焊丝前体；
[0016]
四、冷拔减径拉丝模：将步骤三得到的外径为4mm的ta1钛合金药芯焊丝前体进行多道次冷拔减径拉丝模，每冷拔减径拉丝模三次后进行去应力退火，得到直径为1.2mm的药芯焊丝。
[0017]
进一步限定，步骤一中所述naoh和丙酮的混合液中naoh的质量分数为10％～20％。
[0018]
进一步限定，步骤一中所述naoh和丙酮的混合液中naoh的质量分数为15％。
[0019]
进一步限定，步骤一中所述naoh和丙酮的混合液中丙酮的质量分数为80％～90％。
[0020]
进一步限定，步骤一中所述naoh和丙酮的混合液中丙酮的质量分数为85％。
[0021]
进一步限定，步骤一中先用naoh和丙酮的混合液对钛带进行清洗1min～2min。
[0022]
进一步限定，步骤一中所述hf和hno3的混合水溶液中hf的质量分数为4％～6％，hno3的质量分数为30％～40％。
[0023]
进一步限定，步骤一中所述hf和hno3的混合水溶液中hf的质量分数为5％，hno3的质量分数为35％。
[0024]
进一步限定，步骤一中再用hf和hno3的混合水溶液超声清洗5min～7min。
[0025]
进一步限定，步骤一中超声清洗的频率为20khz～30khz，功率密度为2w/cm2～3w/cm2。
[0026]
进一步限定，步骤二中所述球磨的具体参数为：球料比为3:1，球磨时间为2.5h～3.0h，球磨转速为150r/min。
[0027]
进一步限定，步骤三中所述多道次减径时每道次减径0.48mm～0.51mm。
[0028]
进一步限定，步骤三中所述去应力退火的时间为25min～50min，温度为620～650℃。
[0029]
进一步限定，步骤四中所述多道次冷拔减径拉丝模的过程具体为：依次通过直接为3.8mm、3.4mm、3.0mm、2.75mm、2.65mm、2.55mm、2.45mm、2.4mm、2.35mm、2.24mm、2.10mm、
2.0mm、1.6mm、1.5mm、1.4mm和1.2mm的拉丝模。
[0030]
进一步限定，步骤四中所述去应力退火的时间为40min～60min，温度为600～630℃。
[0031]
本发明与现有技术相比具有的优点：
[0032]
本发明合理调整的焊丝合金元素及含量，使焊缝呈现出较好的综合性能，测得熔敷金属热导法扩散氢含量控制在1.5ml/100g～2.2ml/100g之间。
[0033]
本发明提供的tc4钛合金药芯焊丝通过调整药芯组分得到最佳配比，可以改善焊接接头的强度及塑韧性，减少焊接气孔及未熔合，获得较高的熔敷效率及较好的焊缝成形。在金属粉中加入质量分数15％～25％的钒粉可以强烈稳定焊缝组织中β相，细化焊缝晶粒，增加焊缝强度；加入质量分数25％～30％的铝粉可以稳定α相、提高相转变温度，提高焊缝的常温和高温强度、增加弹性模量等；加入质量分数15％～20％的钼粉可以提高焊缝的淬透性，大幅提高焊缝的强度和韧性；加入质量分数0.1％～0.3％钴粉可以降低焊缝的热膨胀系数，减小接头残余应力；加入质量分数为2％～4％的镍粉可以显著提高焊缝的耐腐蚀性能；加入质量分数为0.5％～1.0％的铜粉有利于提高焊接接头的塑性；加入0.1％～0.3％的硅粉可使焊缝金属充分脱氧，减少气孔形成倾向。
[0034]
本发明的钛合金焊接用药芯焊丝的制备工艺较为简单，无需熔炼工序，可以灵活调整成分比例，有利于通过配方调整改善焊接工艺性能及接头力学性能；同时其熔敷效率高、扩散氢含量低、熔深较大、焊接飞溅较小、润湿及铺展性能较好、焊缝成形较好，制造成本较低。
[0035]
本发明提供的tc4钛合金药芯焊丝，可以应用于激光填丝焊、熔化极气体保护焊等领域，其焊接工艺性好、综合力学性能优良、扩散氢含量低、焊接效率高、焊后无需清理渣壳，适用于tc4钛合金的焊接，进行tc4钛合金焊接时接头性能与母材相当，焊缝成分合金体系与母材基本保持一致，不会发生成分过渡及偏析，明显增加了熔深，提高了熔敷效率，焊接过程飞溅小，焊缝成形好，具有较好的应用前景。
附图说明
[0036]
图1为试验一拉伸前后试样形貌照片。
具体实施方式
[0037]
具体实施方式一：本实施方式的一种tc4钛合金药芯焊丝由ta1钛合金外皮和药芯制备而成；所述ta1钛合金外皮由ta1钛带经卷筒、拉拔、退火而成；所述药芯由钒粉、铝粉、钼粉、钴粉、镍粉、铜粉、硅粉、钛粉混合而成，其中各组分所占质量百分含量为钒粉：20％、铝粉：26％、钼粉：18％、钴粉：0.1％、镍粉：2％、铜粉：0.6％、硅粉：0.1％、其余为钛粉，所述ta1钛合金外皮元素组成及含量为：ti≥99％、h≤0.015％、n≤0.03％，所述ta1钛带厚度为0.35mm，宽度为7mm，长度为35m，其中所述tc4钛合金药芯焊丝中药芯的填充率为20％，所述药芯中铝粉和钛粉的粒度均为80～120目，药芯中其余金属粉的粒度均为80～200目。
[0038]
本实施方式的药芯焊丝施焊后熔敷金属化学成分质量百分比为：v：3.97％，al：5.12％，mo：3.45％，co：0.03％，ni：0.01％，cu：0.07％，si：0.06％，其余为ti。
[0039]
本实施方式的药芯焊丝熔敷金属中扩散氢含量为1.7ml/100g。
[0040]
本实施方式的药芯焊丝施焊后所形成的焊缝成形美观，焊缝金属各项性能优良。
[0041]
制备上述tc4钛合金药芯焊丝的方法按以下步骤进行：
[0042]
一、清洗ta1钛带：先用naoh和丙酮的混合液对钛带进行清洗2min，清洗完成后用清水冲洗，再用hf和hno3的混合水溶液于22hz，功率密度为2.3w/cm2下超声清洗6min，得到清洗后ta1钛带；所述naoh和丙酮的混合液中naoh的质量分数为15％，丙酮的质量分数为85％，所述hf和hno3的混合水溶液中hf的质量分数为5％，hno3的质量分数为35％；
[0043]
二、制备药芯粉：按具体实施方式一中所述比例将钒粉、铝粉、钼粉、钴粉、镍粉、铜粉、硅粉、钛粉在氩气气氛下球磨混合，球料比为3:1，球磨时间为3.0h，球磨转速为150r/min，得到药芯粉；
[0044]
三、制备ta1钛合金药芯焊丝前体：将ta1钛带进行卷筒，卷成截面为圆形的钛管，在卷筒过程中填入步骤二得到的药芯粉，将装有药芯粉的钛管进行轧制，并经多道次减径至外径为4mm，每道次减径0.48mm，每两道次减径后进行去应力退火，所述去应力退火的时间为40min，温度为610℃，得到直径为4mm的钛管，即外径为4mm的ta1钛合金药芯焊丝前体；
[0045]
四、冷拔减径拉丝模：将步骤三得到的外径为4mm的ta1钛合金药芯焊丝前体进行多道次冷拔减径拉丝模，依次通过直接为3.8mm、3.4mm、3.0mm、2.75mm、2.65mm、2.55mm、2.45mm、2.4mm、2.35mm、2.24mm、2.10mm、2.0mm、1.6mm、1.5mm、1.4mm和1.2mm的拉丝模，每冷拔减径拉丝模三次后进行去应力退火，所述去应力退火的时间为45min，温度为620℃，得到直径为1.2mm的药芯焊丝。
[0046]
具体实施方式二：本实施方式的一种tc4钛合金药芯焊丝由ta1钛合金外皮和药芯制备而成；所述ta1钛合金外皮由ta1钛带经卷筒、拉拔、退火而成；所述药芯由钒粉、铝粉、钼粉、钴粉、镍粉、铜粉、硅粉、钛粉混合而成，其中各组分所占质量百分含量为钒粉：23％、铝粉：25％、钼粉：15％、钴粉：0.2％、镍粉：3％、铜粉：0.8％、硅粉：0.2％、其余为钛粉，所述ta1钛合金外皮元素组成及含量为：ti≥99％、h≤0.015％、n≤0.03％，所述ta1钛带厚度为0.40mm，宽度为8mm，长度为35m，其中所述tc4钛合金药芯焊丝中药芯的填充率为22％，所述药芯中铝粉和钛粉的粒度均为80～120目，药芯中其余金属粉的粒度均为80～200目。
[0047]
本实施方式的药芯焊丝施焊后熔敷金属化学成分质量百分比为：v：4.96％，al：5.42％，mo：3.24％，co：0.04％，ni：0.02％，cu：0.08％，si：0.08％，其余为ti。
[0048]
本实施方式的药芯焊丝熔敷金属中扩散氢含量为1.6ml/100g。
[0049]
本实施方式的药芯焊丝施焊后所形成的焊缝成形美观，焊缝金属各项性能优良。
[0050]
制备上述tc4钛合金药芯焊丝的方法按以下步骤进行：
[0051]
一、清洗ta1钛带：先用naoh和丙酮的混合液对钛带进行清洗2min，清洗完成后用清水冲洗，再用hf和hno3的混合水溶液于24hz，功率密度为2.5w/cm2下超声清洗6min，得到清洗后ta1钛带；所述naoh和丙酮的混合液中naoh的质量分数为15％，丙酮的质量分数为85％，所述hf和hno3的混合水溶液中hf的质量分数为5％，hno3的质量分数为35％；
[0052]
二、制备药芯粉：按具体实施方式一中所述比例将钒粉、铝粉、钼粉、钴粉、镍粉、铜粉、硅粉、钛粉在氩气气氛下球磨混合，球料比为3:1，球磨时间为3.0h，球磨转速为150r/min，得到药芯粉；
[0053]
三、制备ta1钛合金药芯焊丝前体：将ta1钛带进行卷筒，卷成截面为圆形的钛管，在卷筒过程中填入步骤二得到的药芯粉，将装有药芯粉的钛管进行轧制，并经多道次减径
至外径为4mm，每道次减径0.49mm，每两道次减径后进行去应力退火，所述去应力退火的时间为50min，温度为610℃，得到直径为4mm的钛管，即外径为4mm的ta1钛合金药芯焊丝前体；
[0054]
四、冷拔减径拉丝模：将步骤三得到的外径为4mm的ta1钛合金药芯焊丝前体进行多道次冷拔减径拉丝模，依次通过直接为3.8mm、3.4mm、3.0mm、2.75mm、2.65mm、2.55mm、2.45mm、2.4mm、2.35mm、2.24mm、2.10mm、2.0mm、1.6mm、1.5mm、1.4mm和1.2mm的拉丝模，每冷拔减径拉丝模三次后进行去应力退火，所述去应力退火的时间为40min，温度为610℃，得到直径为1.2mm的药芯焊丝。
[0055]
具体实施方式三：本实施方式的一种tc4钛合金药芯焊丝由ta1钛合金外皮和药芯制备而成；所述ta1钛合金外皮由ta1钛带经卷筒、拉拔、退火而成；所述药芯由钒粉、铝粉、钼粉、钴粉、镍粉、铜粉、硅粉、钛粉混合而成，其中各组分所占质量百分含量为钒粉：16％、铝粉：25％、钼粉：15％、钴粉：0.3％、镍粉：4％、铜粉：1.0％、硅粉：0.3％、其余为钛粉，所述ta1钛合金外皮元素组成及含量为：ti≥99％、h≤0.015％、n≤0.03％，所述ta1钛带厚度为0.45mm，宽度为8mm，长度为35m，其中所述tc4钛合金药芯焊丝中药芯的填充率为25％，所述药芯中铝粉和钛粉的粒度均为80～120目，药芯中其余金属粉的粒度均为80～200目。
[0056]
本实施方式的药芯焊丝施焊后熔敷金属化学成分质量百分比为：v：3.90％，al：6.17％，mo：3.65％，co：0.05％，ni：0.02％，cu：0.09％，si：0.09％，其余为ti。
[0057]
本实施方式的药芯焊丝熔敷金属中扩散氢含量为1.7ml/100g。
[0058]
本实施方式的药芯焊丝施焊后所形成的焊缝成形美观，焊缝金属各项性能优良。
[0059]
制备上述tc4钛合金药芯焊丝的方法按以下步骤进行：
[0060]
一、清洗ta1钛带：先用naoh和丙酮的混合液对钛带进行清洗2min，清洗完成后用清水冲洗，再用hf和hno3的混合水溶液于25hz，功率密度为2.6w/cm2下超声清洗6min，得到清洗后ta1钛带；所述naoh和丙酮的混合液中naoh的质量分数为15％，丙酮的质量分数为85％，所述hf和hno3的混合水溶液中hf的质量分数为5％，hno3的质量分数为35％；
[0061]
二、制备药芯粉：按具体实施方式一中所述比例将钒粉、铝粉、钼粉、钴粉、镍粉、铜粉、硅粉、钛粉在氩气气氛下球磨混合，球料比为3:1，球磨时间为3.0h，球磨转速为150r/min，得到药芯粉；
[0062]
三、制备ta1钛合金药芯焊丝前体：将ta1钛带进行卷筒，卷成截面为圆形的钛管，在卷筒过程中填入步骤二得到的药芯粉，将装有药芯粉的钛管进行轧制，并经多道次减径至外径为4mm，每道次减径0.50mm，得到直径为4mm的钛管，每两道次减径后进行去应力退火，所述去应力退火的时间为45min，温度为620℃，得到外径为4mm的ta1钛合金药芯焊丝前体；
[0063]
四、冷拔减径拉丝模：将步骤三得到的外径为4mm的ta1钛合金药芯焊丝前体进行多道次冷拔减径拉丝模，依次通过直接为3.8mm、3.4mm、3.0mm、2.75mm、2.65mm、2.55mm、2.45mm、2.4mm、2.35mm、2.24mm、2.10mm、2.0mm、1.6mm、1.5mm、1.4mm和1.2mm的拉丝模，每冷拔减径拉丝模三次后进行去应力退火，所述去应力退火的时间为45min，温度为620℃，得到直径为1.2mm的药芯焊丝。
[0064]
采用以下试验验证本发明的有益效果：
[0065]
试验一、将具体实施方式三得到的药芯焊丝采用熔化极气体保护焊接设备进行多层多道焊接，保护气体为100％ar，气体流量为20l/min，母材为tc4钛合金板，规格为400
×
200
×
10mm，加工v形坡口，单边坡口角度为30
°
，坡口根部间隙为3mm，共计焊接4道完成试板焊接，层间温度控制在100℃以内，具体焊接工艺参数见下表1。
[0066]
表1焊接工艺参数
[0067][0068]
焊接完成后参考gb/t 25774.1—2010《焊接材料的检验第1部分：钢、镍及镍合金熔敷金属力学性能试样的制备及检验》对焊接试板进行拉伸、冲击等性能试验，结果见表2。
[0069]
表2力学性能试验结果
[0070]