一种高温钛合金用焊丝及其焊接方法技术

一种高温钛合金用焊丝及其焊接方法，按重量百分比计，包括Al：2.0～3.0％，Sn：0.5～1.5％，Zr：0.5～1.5％，Mo：0.5～1.5％，W：0.05～0.10％，余量为钛和不可避免的杂质。本发明专利技术通过对钛合金板材开坡口后采用钨极以及焊丝，对钛合金板材进行焊接；采用氩气保护罩对焊接区域进行保护，焊丝与钛合金板材夹角为10°～15°，焊丝沿熔池前端送入熔池；焊接结束后，继续通氩气保护，最后进行去应力退火即可，本发明专利技术方法简单，易于实现；该方法通过采用成分优化的焊丝及合理的钨极氩弧焊接工艺，能够有效提高焊接接头的抗裂性能及质量稳定性，可焊接钛合金管材、板材、锻件及各类铸件等。

A welding wire for high temperature titanium alloy and its welding method

A welding wire for high temperature titanium alloy and its welding method, according to the weight percentage, include Al:2.0 to 3%, Sn:0.5 to 1.5%, Zr:0.5 to 1.5%, Mo:0.5 to 1.5%, W:0.05 to 0.10%, and the allowance is titanium and unavoidable impurities. The present invention through groove of titanium alloy plate by tungsten and wire of titanium alloy plates were welded with argon; protective cover to protect the welding area, angle between the wires and the titanium alloy plate is 10 degrees to 15 degrees, the wire along the weld pool Front into molten pool; after welding, argon to protect. Finally, stress relief annealing, the method is simple and easy to implement; through the welding process using the composition optimization and reasonable welding wire TIG, can effectively improve the crack resistance and the quality stability of welded joints, weldable titanium alloy tubes, plates, etc. all kinds of casting and forging.

【技术实现步骤摘要】
一种高温钛合金用焊丝及其焊接方法
本专利技术属于钛合金焊接
，具体涉及一种高温钛合金用焊丝及其焊接方法。
技术介绍
BT25(国内牌号TC25)是一种Ti-Al-Sn-Zr-Mo-W-Si系马氏体型α+β两相钛合金。该合金的突出优点是其工作使用温度达500～550℃，常被制造成的半成品有锻件、模锻件、棒材和其他形式的半成品，用于制造新型发动机结构件，如整体叶盘、压气机叶轮、压气机盘等。钛合金焊接结构是钛合金材料应用时非常重要的一种结构形式。因此，在BT25合金应用于某些结构件时，不可避免的会使用焊接，焊接过程中产生的热应力导致的材料局部变形往往会超过材料实际变形能力，导致该类合金焊缝容易出现开裂，影响了材料的工程化应用。因此，提高焊接工艺技术水平对于推动我国航空航天制造技术具有重大的意义。对于填充焊缝，当同级别钛材构件连接时，一般规定使用同级的填充焊丝；熔焊焊缝区显微组织为塑性很差的铸态组织，因此，如果采用与合金相同成分的焊丝，会导致焊接接头塑性明显低于基体材料，焊缝区发生开裂的风险会更大；有时也会使用软一些的纯钛焊丝。对钛合金焊缝使用纯钛丝为填充焊丝，可以保持良好的焊缝延伸性，然而这将导致焊缝强度比母材低，并且这种焊缝一般只适于低应力场合使用。而BT25钛合金通常用于制造发动机结构件，对焊缝质量的要求很高，因此必须开发一种与之匹配的焊丝材料，来改善焊缝接头质量。钛合金的焊接方法目前主要有钨极氩弧焊、等离子弧焊、真空电子束焊、激光焊等。等离子弧焊存在焊接规范窄、焊接稳定性及重复性差的缺点，极大限制了其应用进程。真空电子束焊接冶金质量好，接头性能优异，但是电子束焊接要求在真空环境下进行，且电子束焊枪结构复杂，设备投资和运行成本高，焊接时易激发X射线，危害环境。激光焊接可细化焊接接头组织，提高接头力学性能，但激光器功率一般都较小，深熔焊时存在阀值问题在工艺上有一定难度。钨极氩弧焊是钛及其合金使用最为广泛的一种焊接方法，但是采用该焊接方法焊缝中易产生气孔及钨夹杂等焊接缺陷，且焊缝区易受O、N、H等气体杂质的污染而产生脆化。因此，焊接过程控制对于获得良好的焊缝接头质量极其重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高温钛合金用焊丝及其焊接方法。为实现上述目标，本专利技术采用的技术方案为：一种高温钛合金用焊丝，按重量百分比计，包括Al：2.0～3.0％，Sn：0.5～1.5％，Zr：0.5～1.5％，Mo：0.5～1.5％，W：0.05～0.10％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：Fe：≤0.15％，O：≤0.12％，Si：≤0.10％，N：≤0.04％，H：≤0.003％。本专利技术进一步的改进在于，按重量百分比计，包括Al：2.0～2.5％，Sn：0.5～1％，Zr：0.5～1％，Mo：0.5～1％，W：0.05～0.07％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：Fe：≤0.15％，O：≤0.12％，Si：≤0.10％，N：≤0.04％，H：≤0.003％。本专利技术进一步的改进在于，按重量百分比计，包括Al：2.5～3.0％，Sn：1～1.5％，Zr：1～1.5％，Mo：1～1.5％，W：0.07～0.10％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：Fe：≤0.15％，O：≤0.12％，Si：≤0.10％，N：≤0.04％，H：≤0.003％。一种焊丝的焊接方法，包括以下步骤：(1)坡口加工对钛合金板材开坡口，对接间隙为2～4mm；(2)焊接采用钨极以及焊丝，对钛合金板材进行焊接；采用氩气保护罩对焊接区域进行保护，焊丝与钛合金板材夹角为10°～15°，焊丝沿熔池前端送入熔池；焊接结束后，继续通氩气保护；(3)焊后退火将步骤(2)中焊接好的工件进行去应力退火，随炉冷却至100℃以下出炉。本专利技术进一步的改进在于，坡口形状为70°～80°单V型坡口。本专利技术进一步的改进在于，钛合金板材厚度为3mm以上。本专利技术进一步的改进在于，钨极牌号为WCe-20；焊接的工艺参数为：焊接电流：140～200A、焊接电压：15～30V。本专利技术进一步的改进在于，钨极直径为6mm，焊丝直径为1～5mm。本专利技术进一步的改进在于，氩气流量为10～20L/min，氩气纯度≥99.99％。本专利技术进一步的改进在于，退火温度为600℃～700℃，保温时间为1h～3h。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：由于BT25钛合金在焊接过程中，焊缝显微组织为塑性很差的铸态组织，若采用和母合金成分相同的焊丝，虽然保证了强度，但是会导致焊接接头塑、韧性明显低于基体材料，焊缝开裂的倾向严重。为确保焊接区域金属的综合性能，并防止出现裂纹。本专利技术中Al作为α稳定元素起固溶强化作用，另外为了防止有序相在热暴露的过程中析出，Al当量应限制在8％以下，当铝元素含量过高时，会生成Ti3Al为基的有序α2相。这种以Ti3Al为基的α2相的存在，会提高合金的抗拉强度，而合金的塑性和韧性指标会变坏，所以本专利技术中Al：2.0～3.0％。本专利技术中Zr在合金中属于中性元素，它们在α-Ti和β-Ti中均有较大的固溶度，与其它元素一起加入，可以起到补充强化作用。Mo是钛合金中稳定β相最常用的元素，本专利技术的合金中添加少量的Mo可以使合金具有良好的高温蠕变性能和热稳定性的配合。本专利技术中W元素的加入对提高钛合金的热强性有明显作用。本专利技术通过降低铝当量、钼当量及杂质元素含量，开发了一种新型BT25高温钛合金用焊丝，并使用钨极氩弧焊接方法，解决了高温钛合金焊接时出现的气孔、裂纹、变形等缺陷，能够有效提高焊接接头的抗裂性能及质量稳定性。本专利技术适用于BT25(TC25)钛合金的焊接。本专利技术通过对钛合金板材开坡口后采用钨极以及焊丝，对钛合金板材进行焊接；采用氩气保护罩对焊接区域进行保护，焊丝与钛合金板材夹角为10°～15°，焊丝沿熔池前端送入熔池；焊接结束后，继续通氩气保护，最后进行去应力退火即可，本专利技术方法简单，易于实现；该方法通过采用成分优化的焊丝及合理的钨极氩弧焊接工艺，克服了高温钛合金焊接时出现的气孔、裂纹等缺陷，能够有效提高焊接接头的抗裂性能及质量稳定性，可焊接钛合金管材、板材、锻件及各类铸件等。具体实施方式下面通过具体实施例进行详细说明。实施例1对厚度为3mm的钛合金板材进行钨极氩弧焊接，采用Ti2.0Al0.5Sn0.5Zr0.5Mo0.05W合金焊丝作为填充材料。所用焊丝的化学成分见表1。表1合金焊丝化学成分焊接步骤为：(1)坡口加工焊件厚度为3mm，可不加坡口，对接间隙为2mm。(2)焊前准备焊接前，用细砂纸或不锈钢丝刷清理焊丝及焊接坡口及两侧50mm的氧化物、氮化物。并用丙酮、乙醇等将擦拭焊丝、坡口、坡口两侧、工夹具等表面的污染物、油污及水分及其它有机污染物。(3)焊接使用的钨极牌号为WCe-20(铈钨极)，规格为Φ6mm，填充焊丝直径为Ф1mm。焊接工艺参数为焊接电流：140～200A、焊接电压：15V，氩气流量：10L/min，氩气纯度≥99.99％。使用氩气保护罩对焊接区域进行保护，焊丝与焊件夹角为10°，焊丝沿熔池前端平稳、均匀的送入熔池，不得将焊丝端部移出氩气保护区。焊接结束后，继续通氩气保护5min。(4)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温钛合金用焊丝，其特征在于，按重量百分比计，包括Al：2.0～3.0％，Sn：0.5～1.5％，Zr：0.5～1.5％，Mo：0.5～1.5％，W：0.05～0.10％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：Fe：≤0.15％，O：≤0.12％，Si：≤0.10％，N：≤0.04％，H：≤0.003％。

【技术特征摘要】
1.一种高温钛合金用焊丝，其特征在于，按重量百分比计，包括Al：2.0～3.0％，Sn：0.5～1.5％，Zr：0.5～1.5％，Mo：0.5～1.5％，W：0.05～0.10％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：Fe：≤0.15％，O：≤0.12％，Si：≤0.10％，N：≤0.04％，H：≤0.003％。2.根据权利要求1所述的一种高温钛合金用焊丝，其特征在于，按重量百分比计，包括Al：2.0～2.5％，Sn：0.5～1％，Zr：0.5～1％，Mo：0.5～1％，W：0.05～0.07％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：Fe：≤0.15％，O：≤0.12％，Si：≤0.10％，N：≤0.04％，H：≤0.003％。3.根据权利要求1所述的一种高温钛合金用焊丝，其特征在于，按重量百分比计，包括Al：2.5～3.0％，Sn：1～1.5％，Zr：1～1.5％，Mo：1～1.5％，W：0.07～0.10％，余量为钛和不可避免的杂质，其中杂质的重量百分比为：Fe：≤0.15％，O：≤0.12％，Si：≤0.10％，N：≤0.04％，H：≤0...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛祥义，刘小花，张利军，周中波，刘娣，焦勇，张晨辉，
申请(专利权)人：西安西工大超晶科技发展有限责任公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61