專利名稱：Ta15鈦合金與奧氏體不銹鋼的填絲鎢極氬弧焊工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于異種材料連接技術(shù)，涉及材料、機(jī)械、航空航天、化工等技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼的填絲鎢極氬弧焊工藝。
背景技術(shù)：
目前TA15鈦合金憑借比強(qiáng)度高、耐腐蝕、焊接性良好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、化工、電站等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。TA15鈦合金對(duì)于減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)效率、改善結(jié)構(gòu)可靠性、提高機(jī)體壽命、滿足高溫和高載及腐蝕環(huán)境要求等方面能發(fā)揮重要作用。單一 TA15鈦合金很難同時(shí)滿足產(chǎn)品不同部位對(duì)使用性能的不同要求。在某些情況下，需要兼有鈦合金與不銹鋼的優(yōu)良特性的異種材料連接件，如核動(dòng)力裝置中核燃料后 處理設(shè)備中的某些零件、衛(wèi)星燃料噴注器、電鍍?cè)O(shè)備零件、反應(yīng)塔、強(qiáng)酸強(qiáng)堿容器、高爾夫球桿及醫(yī)療設(shè)備零件等，大多都是采用鈦包覆鋼的結(jié)構(gòu)。這種鈦鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)在工業(yè)中的應(yīng)用勢(shì)必涉及到二者的焊接問題，然而由于TA15鈦合金和不銹鋼之間的物理和化學(xué)性能差異較大，尤其是線膨脹系數(shù)的不同導(dǎo)致熔化焊時(shí)變形量不同，接頭產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，容易導(dǎo)致焊縫區(qū)和熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)至可以導(dǎo)致焊縫與母材的剝離。并且TA15鈦合金和不銹鋼互溶性差，容易形成大量脆性含鈦的金屬間化合物(如Ni3Ti、NiTi2、Fe2Ti、FeTi、Cr3Ti等)，明顯降低焊接接頭的強(qiáng)度和韌性。這已成為制約TA15鈦合金產(chǎn)品使用性能提高和TA15鈦合金潛能充分發(fā)揮的主要技術(shù)瓶頸。目前，鈦和不銹鋼異種材料的焊接主要采用真空釬焊、擴(kuò)散連接、激光焊、電子束焊和爆炸焊方法。鈦與不銹鋼釬焊雖可以獲得一定使用性能的接頭，但接頭使用溫度較低，而且耐蝕性也常滿足不了較高的要求；擴(kuò)散連接鈦與不銹鋼常采用復(fù)合中間層Cu-V或Cu-Mn-Ni可以得到強(qiáng)度較高的接頭，但接頭形狀和尺寸受到極大的限制，并且工藝復(fù)雜，精度難以控制；采用激光焊和電子束焊方法連接鈦與不銹鋼時(shí)，對(duì)焊件的裝配精度要求嚴(yán)格，并且設(shè)備成本較高；爆炸焊雖然是進(jìn)行大面積復(fù)合板連接最有效的辦法，但也存在變形量大、組織和性能不均勻等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼的填絲鎢極氬弧焊工藝，該工藝基于銅與鎳無限互溶，銅與鈦、鐵、鉻有限固溶，銅固溶體具有較高的強(qiáng)度和塑性及銅-鈦金屬間化合物的脆性較低等特點(diǎn)，通過采用純銅焊絲和降低TA15鈦合金母材熔合比，使焊縫區(qū)析出銅固溶體、減少脆性金屬間化合物，提高TA15鈦合金與不銹鋼異種材料焊接接頭的強(qiáng)度和韌性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接工藝，步驟如下(I)純銅焊絲準(zhǔn)備在TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼連接件之間添加純銅焊絲，通過純銅焊絲填充，焊后使焊縫區(qū)析出銅固溶體，減少焊縫區(qū)含鈦量及脆性金屬間化合物，保證焊接接頭的韌性；焊前用砂紙將純銅焊絲表面打磨干凈、直至完全露出金屬光澤，備用；(2)焊前清理焊前將加工平整的TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼的待連接表面用砂紙打磨，使待焊面的粗糙度達(dá)到Ra I. 6 3. 2 ;(3)焊前裝配將尺寸規(guī)格相當(dāng)?shù)腡A15鈦合金與奧氏體不銹鋼板水平對(duì)接放置，裝配間隙為0. 05mm 0. 15mm, TA15鈦合金一側(cè)開30° 45°單面V形坡口，鈍邊為I 2mm ；(4)施焊過程先采用氧-乙炔火焰將TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼焊件進(jìn)行焊前預(yù)熱，采用鎢極氬弧控制熱量分布進(jìn)行填絲鎢極氬弧焊接，焊接過程中采用純氬氣對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，防止H、O、N對(duì)焊接接頭性能的有害影響；(5)焊后緩冷焊后立即用石棉布覆蓋焊件進(jìn)行保溫，直至溫度冷至50°C以下時(shí)方可移開。步驟(I)中所述的純銅焊絲，包括以下質(zhì)量分?jǐn)?shù)％的組分Sn 0.8 1.0，Si
0.2 0. 5，MnO. 3 0. 5，余量為 Cu。步驟(I)中所述的純銅焊絲直徑為2. 0 2. 5mm。步驟⑷中所述的焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150 250°C。步驟(4)中所述的控制熱量分布，通過調(diào)整鎢極氬弧焊熱源位置，使其加熱斑點(diǎn)位于TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼界面附近偏向不銹鋼一側(cè)，降低TA15鈦合金母材熔合比，減少焊縫區(qū)含鈦量及脆性金屬間化合物，避免焊接接頭開裂。步驟(4)中所述的純氬氣純度大于99. 98%。步驟(4)中所述的鎢極氬弧焊接采用鎢-釷電極，鎢的含量為99.9%，鎢極直徑2mm，端部為錐形。步驟(4)中所述的對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，焊縫正面采用兩側(cè)吹氬氣進(jìn)行保護(hù)，氣體流量為12 15L/min ;焊縫背面采用帶有通氣孔道的紫銅墊板同時(shí)進(jìn)行充氬氣保護(hù)，氣體流量為10 12L/min。步驟(4)中焊接工藝參數(shù)為焊接電壓為12 15V，焊接電流為80 100A，焊接速度為100 130mm/min，
IS氣流量為10 15L/min。鎢極氬弧焊前，先對(duì)焊件正、背面同時(shí)通氬氣保護(hù)3 5min ;焊接過程中，焊絲與平板對(duì)接焊件間應(yīng)保持75° 80°夾角。焊絲沿著熔池前端平穩(wěn)、均勻的送入熔池，不得將焊絲端部移出氬氣保護(hù)區(qū)。焊縫收尾熄弧后，應(yīng)繼續(xù)通氬氣保護(hù)I 2min。研究結(jié)果表明，采用純銅焊絲進(jìn)行TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼異種材料的焊接，可使焊縫區(qū)析出大量銅固溶體、減少脆性金屬間化合物；焊接熱源置于偏向奧氏體不銹鋼母材一側(cè)有利于減少焊縫區(qū)脆性金屬間化合物，可以獲得焊縫成形美觀、無變形、無裂紋的焊接接頭。銅與鎳無限互溶，銅與鈦、鐵、鉻有限固溶，銅固溶體具有較高的強(qiáng)度和塑性，與鐵-鈦、鎳-鈦、鉻-鈦金屬間化合物相比，銅-鈦化合物的脆性較低，因此采用純銅焊絲進(jìn)行TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼異種材料焊接，有利于明顯提高接頭的抗裂性；純銅焊絲價(jià)格相對(duì)較低、且易得，有利于降低焊接生產(chǎn)成本；純銅焊絲塑性好，有利于實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化，提聞生廣效率。本發(fā)明的有益效果是，采用純銅焊絲將TA15鈦合金與不銹鋼進(jìn)行鎢極氬弧焊，不僅避免了真空釬焊接頭高溫性能的局限性以及擴(kuò)散連接工藝對(duì)接頭形狀的限制，又降低了激光和電子束高能條件的焊接成本。因此，該焊接工藝具有成本低、適用范圍廣、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，具有重要的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。實(shí)施例I :TA15鈦合金與Cr8_Ni8奧氏體不銹鋼板的填絲鎢極氬弧焊。TA15鈦合金板尺寸為200mmX 40mm，厚度為3mm ;Cr8_Ni8奧氏體不銹鋼板尺寸為200mmX 80mm,厚度為 3mm。第一步，TA15鈦合金板、Cr8-Ni8奧氏體不銹鋼板及純銅焊絲的焊前準(zhǔn)備先將TA15鈦合金板待連接面加工出坡口角為45°、鈍邊為2mm的坡口 ；然后將坡口及周邊用砂紙打磨干凈至露出金屬光澤；、用砂紙將Cr8_Ni8奧氏體不銹鋼板待焊表面打磨干凈，使表面粗糙度達(dá)到RaI. 6 3. 2 ;采用直徑為2. 4mm的純銅焊絲作為填充金屬，焊前用砂紙將焊絲表面打磨至露出金屬光澤。第二步，TA15鈦合金與Cr8_Ni8奧氏體不銹鋼板的組裝將TA15鈦合金與Cr8-Ni8奧氏體不銹鋼板水平對(duì)接放置，裝配間隙為0. 08mm
0.IOmm0第三步，TA15鈦合金與Cr8_Ni8奧氏體不銹鋼板的焊接先采用氧-乙炔火焰將TA15鈦合金與Cr8_Ni8奧氏體不銹鋼焊件進(jìn)行預(yù)熱至2500C ;然后采用填絲鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接，工藝參數(shù)為焊接電壓12V，焊接電流105 110A,焊接速度120mm/min,|J氣流量12L/min ;鶴極直徑2_ ;施焊過程中,控制加熱斑點(diǎn)偏向CrS-NiS奧氏體不銹鋼一側(cè)，焊絲與焊件間保持75°夾角。焊絲沿著熔池前端平穩(wěn)、均勻的送入熔池，不得將焊絲端部移出氬氣保護(hù)區(qū)。第四步，焊接區(qū)的氣體保護(hù)焊前，先對(duì)焊件正、背面同時(shí)通氬氣保護(hù)5min，保護(hù)氣體為純度大于99. 98%的氬氣。焊接過程中采用焊縫正背面同時(shí)保護(hù)措施，正面是焊縫兩側(cè)吹氬氣，氣體流量為12 15L/min ;背面采用帶有通氣孔道的紫銅墊板充氬氣保護(hù)，氣體流量為10 12L/min。焊縫收尾熄弧后，應(yīng)繼續(xù)通氬氣保護(hù)2min。第五步，焊后緩冷焊后立即用石棉布全部覆蓋TA15鈦合金與CrS-NiS奧氏體不銹鋼焊件進(jìn)行保溫，直至溫度冷至50°C以下時(shí)方可移開。所得到的TA15鈦合金與Cr8_Ni8奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭焊縫成形良好，經(jīng)外觀檢驗(yàn)和金相顯微鏡觀察，焊件不發(fā)生變形，接頭區(qū)不存在裂紋、氣孔等微觀缺陷。實(shí)施例2 TA15鈦合金與Cr8_Ni8奧氏體不銹鋼板的填絲鎢極氬弧焊。TA15鈦合金板尺寸為200mmX 40mm，厚度為2mm ;Cr8_Ni8奧氏體不銹鋼板尺寸為200mmX 80mm,厚度為 2mm。第一步，TA15鈦合金板、Cr8-Ni8奧氏體不銹鋼板及純銅焊絲的焊前準(zhǔn)備先將TA15鈦合金板待連接面加工出坡口角為30°、鈍邊為Imm的坡口 ；然后將坡口及周邊用砂紙打磨干凈至露出金屬光澤；用砂紙將CrS-NiS奧氏體不銹鋼板待焊表面打磨干凈，使表面粗糙度達(dá)到Ral. 6 3. 2 ;采用直徑為2mm的純銅焊絲作為填充金屬，焊前用砂紙將焊絲表面打磨至露出金屬光澤。第二步，TA15鈦合金與Cr8_Ni8奧氏體不銹鋼板的組裝將TA15鈦合金與Cr8-Ni8奧氏體不銹鋼板水平對(duì)接放置，裝配間隙為0. 05mm
0.08mm。第三步，TA15鈦合金與Cr8_Ni8奧氏體不銹鋼板的焊接 先采用氧-乙炔火焰將TA15鈦合金與Cr8_Ni8奧氏體不銹鋼焊件進(jìn)行預(yù)熱至2000C ;然后采用填絲鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接，工藝參數(shù)為焊接電壓12V，焊接電流100 105A,焊接速度110mm/min,|J氣流量12L/min ;鶴極直徑2mm ;施焊過程中,控制加熱斑點(diǎn)偏向CrS-NiS奧氏體不銹鋼一側(cè)，焊絲與焊件間保持75°夾角。焊絲沿著熔池前端平穩(wěn)、均勻的送入熔池，不得將焊絲端部移出氬氣保護(hù)區(qū)。第四步，焊接區(qū)的氣體保護(hù)焊前，先對(duì)焊件正、背面同時(shí)通氬氣保護(hù)5min，保護(hù)氣體為純度大于99. 98%的氬氣。焊接過程中采用焊縫正背面同時(shí)保護(hù)措施，正面是焊縫兩側(cè)吹氬氣，氣體流量為12 15L/min ;背面采用帶有通氣孔道的紫銅墊板充氬氣保護(hù)，氣體流量為10 12L/min。焊縫收尾熄弧后，應(yīng)繼續(xù)通氬氣保護(hù)2min。第五步，焊后緩冷焊后立即用石棉布全部覆蓋TA15鈦合金與CrS-NiS奧氏體不銹鋼焊件進(jìn)行保溫，直至溫度冷至50°C以下時(shí)方可移開。所得到的TA15鈦合金與Cr8_Ni8奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭焊縫成形良好，經(jīng)外觀檢驗(yàn)和金相顯微鏡觀察，焊件不發(fā)生變形，接頭區(qū)不存在裂紋、氣孔等微觀缺陷。上述雖然對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接工藝，步驟如下 (1)純銅焊絲準(zhǔn)備在TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼連接件之間添加純銅焊絲，通過純銅焊絲填充，焊后使焊縫區(qū)析出銅固溶體，減少焊縫區(qū)含鈦量及脆性金屬間化合物，保證焊接接頭的韌性；焊前用砂紙將純銅焊絲表面打磨干凈、直至完全露出金屬光澤，備用； (2)焊前清理焊前將加工平整的TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼的待連接表面用砂紙打磨，使待焊面的粗糙度達(dá)到Ra I. 6 3. 2 ; (3)焊前裝配將尺寸規(guī)格相當(dāng)?shù)腡A15鈦合金與奧氏體不銹鋼板水平對(duì)接放置，裝配間隙為0.05mm 0. 15mm，TA15鈦合金一側(cè)開30° 45°單面V形坡口，鈍邊為I 2mm ; (4)施焊過程先采用氧-乙炔火焰將TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼焊件進(jìn)行焊前預(yù)熱，采用鎢極氬弧控制熱量分布進(jìn)行填絲鎢極氬弧焊接，焊接過程中采用純氬氣對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，防止H、O、N對(duì)焊接接頭性能的有害影響； (5)焊后緩冷焊后立即用石棉布覆蓋焊件進(jìn)行保溫，直至溫度冷至50°C以下時(shí)方可移開。
2.如權(quán)利要求I所述的一種TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接工藝，其特征是，步驟(I)中所述的純銅焊絲，包括以下質(zhì)量分?jǐn)?shù)％的組分Sn 0.8 1.0，Si 0.2 0.5，Mn 0. 3 0. 5，余量為Cu。
3.如權(quán)利要求I所述的一種TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接工藝，其特征是，步驟(I)中所述的純銅焊絲直徑為2. 0 2. 5mm。
4.如權(quán)利要求I所述的一種TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接工藝，其特征是，步驟(4)中所述的焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150 250°C。
5.如權(quán)利要求I所述的一種TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接工藝，其特征是，步驟(4)中所述的控制熱量分布，通過調(diào)整鎢極氬弧焊熱源位置，使其加熱斑點(diǎn)位于TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼界面附近偏向不銹鋼一側(cè)，降低TA15鈦合金母材熔合比，減少焊縫區(qū)含鈦量及脆性金屬間化合物，避免焊接接頭開裂。
6.如權(quán)利要求I所述的一種TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接工藝，其特征是，步驟(4)中所述的純氬氣純度大于99. 98%。
7.如權(quán)利要求I所述的一種TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接工藝，其特征是，步驟(4)中所述鎢極氬弧焊接采用鎢-釷電極，鎢的含量為99.9%，鎢極直徑2mm，端部為錐形。
8.如權(quán)利要求I所述的一種TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接工藝，其特征是，步驟(4)中所述的對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，焊縫正面采用兩側(cè)吹氬氣進(jìn)行保護(hù)，氣體流量為12 15L/min ;焊縫背面采用帶有通氣孔道的紫銅墊板同時(shí)進(jìn)行充氬氣保護(hù)，氣體流量為 10 12L/min。
9.如權(quán)利要求I所述的一種TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接工藝，其特征是，步驟(4)中焊接工藝參數(shù)為焊接電壓為12 15V，焊接電流為80 100A，焊接速度為、100 130mm/min,気氣流量為 10 15L/min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼異種材料連接工藝，焊前將加工平整的TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼的待連接表面用砂紙打磨，使待焊面的粗糙度達(dá)到Ra1.6～3.2；純銅焊絲表面用砂紙打磨干凈；將尺寸規(guī)格相當(dāng)?shù)腡A15鈦合金與奧氏體不銹鋼板水平對(duì)接放置，裝配間隙為0.05mm～0.15mm，TA15鈦合金一側(cè)開30°～45°單面V形坡口，鈍邊為1～2mm；在TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼連接件之間添加純銅焊絲，先采用氧-乙炔火焰將TA15鈦合金與奧氏體不銹鋼焊件焊前預(yù)熱，控制熱量分布進(jìn)行填絲鎢極氬弧焊接，采用純氬氣對(duì)焊接區(qū)進(jìn)行保護(hù)，焊接工藝參數(shù)焊接電壓12～15V，焊接電流80～100A，焊接速度100～130mm/min，氬氣流量10～15L/min；焊后立即用石棉布覆蓋焊件進(jìn)行保溫，直至溫度冷至50℃以下時(shí)方可移開。
文檔編號(hào)B23K9/167GK102744502SQ20121023974
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月11日
發(fā)明者劉強(qiáng), 李亞江, 王娟 申請(qǐng)人:山東大學(xué)