添加Zr提高鉬及鉬合金熔焊焊縫強韌性的微合金化方法與流程

本發明屬于焊接技術領域，涉及一種添加zr提高鉬及鉬合金熔焊焊縫強韌性的微合金化方法。

背景技術：

鉬，熔點高達2610℃，中子吸收截面小，熱膨脹系數低，熱傳導性能優異，高溫力學性能好，可加工性好，當溫度低于500℃時，鉬在空氣或水中有良好的穩定性。上述優點使得鉬在冶金、航空、航天、核能、軍事等領域有著重要應用。然而，鉬及鉬合金本質上是硬脆材料，焊接性極差。由于鉬的熔點太高，一般須采用粉末冶金的方式加工制備，材料含氣量較高；同時，鉬在高溫下對o、n、c等雜質十分敏感，特別是在熔化焊熔池凝固時，o、n、c等雜質元素易在晶界處偏析，使熔焊焊縫強度極差。上述問題嚴重制約了鉬及鉬合金在結構材料領域的應用。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種添加zr提高鉬及鉬合金熔焊焊縫強韌性的微合金化方法，該方法能夠消除雜質元素晶界的偏析現象，同時提高鉬和鉬合金的熔焊焊縫強度。

為達到上述目的，本發明所述的添加zr提高鉬及鉬合金熔焊焊縫強韌性的微合金化方法包括以下步驟：

1)對待焊接工件的待焊接區域進行預處理，其中，待焊接工件的材質為純鉬或鉬合金；

2)在待焊接工件的接合處填充鋯層或者鋯箔，然后再將待焊接工件進行裝配；

3)將待焊接工件置于惰性保護氣氛中，再對待焊接工件的待焊接區域進行預熱；

4)將焊接熱源作用于待焊接工件的焊接縫處，完成待焊接工件的熔焊焊接，再對焊接后工件的焊縫位置進行保溫，然后在冷卻至室溫，完成添加zr提高鉬及鉬合金熔焊焊縫強韌性的微合金化。

步驟1)中對待焊接工件的待焊接區域表面進行預處理的具體操作為：用砂紙對待焊接工件的待焊接區域進行打磨，再用氫氧化鈉溶液對待焊接工件的待焊接區域進行堿洗，并用清水進行沖洗，然后將待焊接工件的待焊接區域浸于丙酮中超聲清洗，再進行吹干。

步驟4)中將焊接熱源作用于待焊接工件的焊接縫處，然后采用激光焊、激光電弧復合焊、電子束焊、等離子束焊或氬弧焊完成待焊接工件的熔焊焊接。

鉬合金為合金元素含量小于等于2wt％的鉬合金或第二相摻雜物含量小于等于2wt％的鉬合金。

焊接后工件的焊縫形式為對接焊縫或角接焊縫。

步驟2)中將待焊接工件進行裝配，使待焊接工件的接合處的間隙小于等于待焊接工件厚度的4％，并使待焊接工件接合處的錯邊量小于等于待焊接工件厚度的4％。

焊后焊縫金屬中所摻入的鋯元素的質量百分比為0.1％，且焊后焊縫金屬中所摻入的鋯元素的濃度為0.08wt％-0.12wt％。

鋯層及鋯箔的純度大于等于99.99％；

所述惰性氣體為純度大于等于99.999％的氬氣。

采用濺射鍍膜、電鍍、冷噴涂或激光熔覆的方法在待焊接工件的接合處填充鋯層。

步驟3)中預熱的預熱溫度為450-550℃。

本發明具有以下有益效果：

本發明所述的添加zr提高鉬及鉬合金熔焊焊縫強韌性的微合金化方法在具體操作時，先在待焊接工件的接合處填充鋯層或者鋯箔，通過鋯改善純鉬及鉬合金的拉伸輕度及顯微組織，其中，鋯相對于鉬的尺寸因子較大，因此mo-zr系統溶解度有限，只有當溫度達到1300℃以上才會出現明顯的擴散，在高溫焊接燒結時，鋯緩慢進入到待焊接工件中，從而提高焊縫的拉伸強度，同時鋯在高溫下對氧的親和力極強，因此大部分鋯元素可以與氧等雜質元素結合，有效消除雜質元素在晶界產生的偏析現象，避免發生晶界分離現象，同時反應生成的zro2又可對焊縫組織起到第二相粒子彌散強化的作用。經實驗，不加zr時，焊縫晶界強度嚴重弱化，室溫拉伸時焊縫斷口為沿晶開裂形貌，而且存在大量大尺寸氣孔缺陷；加適量zr后，室溫拉伸時焊縫處發生沿晶斷裂的區域顯著減小，并出現穿晶斷裂形貌，而且大尺寸氣孔缺陷顯著減少，鉬和鉬合金的熔焊焊縫強度得到顯著提高。

附圖說明

圖1為本發明的流程圖；

圖2(a)為實施例一鉬合金薄壁管的尺寸圖；

圖2(b)為實施例一中鋯箔環形墊片的尺寸圖；

圖2(c)為實施例一中鉬合金端塞的尺寸圖；

圖3為實施例一中焊接接頭及焊縫形貌圖；

圖4為實施例一中加zr與不加zr時鉬合金激光焊接頭的拉伸曲線圖；

圖5(a)為實施例一中不加zr時鉬合金激光焊接頭拉伸斷口顯微形貌；

圖5(b)為加zr時鉬合金激光焊接頭拉伸斷口顯微形貌圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：

本發明所述的添加zr提高鉬及鉬合金熔焊焊縫強韌性的微合金化方法包括以下步驟：

1)對待焊接工件的待焊接區域進行預處理，其中，待焊接工件的材質為純鉬或鉬合金；

2)在待焊接工件的接合處填充鋯層或者鋯箔，然后再將待焊接工件進行裝配；

3)將待焊接工件置于惰性保護氣氛中，再對待焊接工件的待焊接區域進行預熱；

4)將焊接熱源作用于待焊接工件的焊接縫處，完成待焊接工件的熔焊焊接，再對焊接后工件的焊縫位置進行保溫，然后在冷卻至室溫，完成添加zr提高鉬及鉬合金熔焊焊縫強韌性的微合金化。

步驟1)中對待焊接工件的待焊接區域表面進行預處理的具體操作為：用砂紙對待焊接工件的待焊接區域進行打磨，再用氫氧化鈉溶液對待焊接工件的待焊接區域進行堿洗，并用清水進行沖洗，然后將待焊接工件的待焊接區域浸于丙酮中超聲清洗，再進行吹干。

步驟4)中將焊接熱源作用于待焊接工件的焊接縫處，然后采用激光焊、激光電弧復合焊、電子束焊、等離子束焊或氬弧焊完成待焊接工件的熔焊焊接。

鉬合金為合金元素含量小于等于2wt％的鉬合金或第二相摻雜物含量小于等于2wt％的鉬合金。

焊接后工件的焊縫形式為對接焊縫或角接焊縫。

步驟2)中將待焊接工件進行裝配，使待焊接工件的接合處的間隙小于等于待焊接工件厚度的4％，并使待焊接工件接合處的錯邊量小于等于待焊接工件厚度的4％。

焊后焊縫金屬中所摻入的鋯元素的質量百分比為0.1wt％，且焊后焊縫金屬中所摻入的鋯元素的濃度為0.08wt％-0.12wt％。

鋯層及鋯箔的純度大于等于99.99％；

所述惰性氣體為純度大于等于99.999％的氬氣。

采用濺射鍍膜、電鍍、冷噴涂或激光熔覆的方法在待焊接工件的接合處填充鋯層。

步驟3)中預熱的預熱溫度為450-550℃。

實施例一

以含0.25wt％la2o3彌散強化相的高性能鉬合金薄壁管-端塞的對接激光焊為例，焊接過程中的主要操作流程如圖1所示，先將鉬管和端塞對接區域依次用240#、600#、1000#砂紙進行打磨，然后用氫氧化鈉水溶液進行堿洗，最后用丙酮超聲清洗，吹干備用；將厚度為0.05mm的鋯箔加工成外徑10mm、內徑8.5mm的環形墊片，用由12ml的hno3與6ml的hf+82mlh2o配制而成的溶液進行酸洗，以去除鋯箔表面的氧化膜，最后用丙酮超聲清洗，吹干備用，鉬管、端塞、鋯箔環形墊片的形狀與尺寸如圖2(a)、圖2(b)及圖2(c)所示；將鉬管和端塞進行裝配，鋯箔環形墊片填充于兩者接縫處，保證三者裝配緊密；將裝配好的待焊試樣置于高純氬氣保護氣氛中，再對對接頭進行加熱，當對接頭的溫度達到500℃后，讓功率為1200kw的激光束照射于鉬管和端塞的接縫處，試樣以0.2m/min的線速度旋轉一周，完成對鉬管和端塞的激光焊環焊；焊后讓焊接接頭在500℃以上保溫30s，之后再緩慢冷卻至室溫，試樣焊縫形貌如圖3所示。

按照上述步驟焊接一個鉬管和端塞對接處不加鋯箔的試樣作為對照，將高性能鉬合金薄壁管母材、不加鋯箔和加鋯箔的兩種高性能鉬合金激光焊對接接頭進行拉伸，拉伸曲線如圖4所示，鉬管母材的抗拉強度為720mpa，斷裂時伸長量達到10.6mm；不加鋯箔焊接接頭的抗拉強度僅有124mpa，斷裂時伸長量僅為0.52mm；加鋯箔焊接接頭的抗拉強度為480mpa，達到母材抗拉強度的66.7％，約為不加鋯中間層時接頭抗拉強度的4倍，拉伸時塑韌性相比于不加鋯箔時得到顯著改善，斷裂時伸長量為1.54mm；圖5(a)及圖5(b)為兩種焊接接頭的斷口形貌，可以看出，不加鋯箔時接頭全部在焊縫處發生斷裂，斷裂模式為沿晶斷裂，而加鋯箔時接頭約60％區域在母材發生斷裂，40％區域在焊縫發生斷裂，焊縫處發生沿晶斷裂的區域顯著減小，出現了穿晶斷裂形貌；因此通過在mo-0.25la高性能鉬合金薄壁管和端塞對接處填充鉬箔環形墊片的方法，可以顯著改善其激光焊接頭的韌性，提高其抗拉強度。