钛合金焊丝的制备方法及钛合金焊丝
阅读说明：本技术 钛合金焊丝的制备方法及钛合金焊丝 (Preparation method of titanium alloy welding wire and titanium alloy welding wire ) 是由 乔波 张登峰 郑宏伟 张世全 邬富宝 王晓亭 赵婷婷 雷燕 李鹏 刘春兰 高世鹰 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种钛合金焊丝的制备方法,包括如下步骤：将钛合金线坯连续冷拉拔1～5次,精拉拔1～3次,再经表面处理,得到钛合金焊丝；其中,冷拉拔包括：将钛合金线坯依次穿过2～6个直径由大到小的拉拔模具,再经热处理,得到钛合金线材；精拉拔包括：将钛合金线材依次穿过2～6个直径由大到小的拉拔模具,再经热处理,得到半成品钛合金焊丝。该方法所用设备简单,能耗低,生产效率高。采用该方法制备的钛合金焊丝,尺寸精度高、表面光滑均匀,且力学性能稳定。(The invention discloses a preparation method of a titanium alloy welding wire, which comprises the following steps: continuously cold-drawing the titanium alloy wire blank for 1-5 times, fine-drawing for 1-3 times, and performing surface treatment to obtain a titanium alloy welding wire; wherein the cold drawing comprises: sequentially passing the titanium alloy wire blank through 2-6 drawing dies with the diameters from large to small, and then carrying out heat treatment to obtain a titanium alloy wire; the finish drawing comprises: and sequentially passing the titanium alloy wire through 2-6 drawing dies with the diameters from large to small, and performing heat treatment to obtain the semi-finished titanium alloy welding wire. The method has the advantages of simple equipment, low energy consumption and high production efficiency. The titanium alloy welding wire prepared by the method has high dimensional precision, smooth and uniform surface and stable mechanical property.)
技术领域
本发明涉及一种钛合金焊丝的制备方法及钛合金焊丝。
背景技术
钛合金焊丝的尺寸精度、表面质量对焊接工艺和焊接质量具有十分重要的影响。若钛合金焊丝的尺寸精度低、表面质量差，焊接时容易引起飞溅严重、电弧不稳定、送丝不流畅等问题，进而造成焊接工艺性及焊缝质量差，影响焊接接头性能和焊接件的质量。
目前，国内企业生产钛合金焊丝的工序包括：采用热拉拔或单道次冷拉拔及中间退火的方法进行拉拔成型，然后采用化学方法或机械式砂带打磨抛光的方法对钛合金焊丝进行表面处理。热拉拔的加工设备结构复杂、难于操作。单道次冷拉拔的压缩率仅为10％左右，且工序多、加工生产效率低。采用化学方法或机械式砂带打磨抛光的方法对钛合金焊丝进行表面处理，存在焊丝表面易被腐蚀、表面处理不均匀、尺寸精度差等问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种钛合金焊丝的制备方法。该方法所用设备简单，能耗低，生产效率高。
本发明的另一个目的在于提供一种钛合金焊丝，其尺寸精度高，表面光滑均匀，力学性能稳定。
本发明采用如下技术方案实现上述目的：
一种钛合金焊丝的制备方法，包括如下步骤：将钛合金线坯连续冷拉拔1～5次，精拉拔1～3次，再经表面处理，得到钛合金焊丝；其中，冷拉拔包括：将钛合金线坯依次穿过2～6个直径由大到小的拉拔模具，再经热处理，得到钛合金线材；精拉拔包括：将钛合金线材依次穿过2～6个直径由大到小的拉拔模具，再经热处理，得到半成品钛合金焊丝。
根据本发明的制备方法，冷拉拔的单道次压缩率为13％～15％，拉拔速度≤2.5m/s。本发明中，单道次压缩率是指钛合金线坯穿过一个拉拔模具时的压缩率。在某些实施方式中，冷拉拔的单道次压缩率为13％～15％，冷拉拔的拉拔速度为2～2.5m/s。当单道次的压缩率低于13％时，生产效率较低；当单道次压缩率高于15％时，容易出现断丝及表面质量问题。当冷拉拔速度高于2.5m/s时，拉拔速度过快，容易出现断丝问题，此外，由于模具热量难以散出，线材易粘连模具，导致容易出现表面质量问题；当冷拉拔速度低于2m/s时，生产效率较低。
根据本发明的制备方法，每次冷拉拔的总压缩率为30％～65％。在某些实施方式中，每次冷拉拔的总压缩率为50％～55％。当控制每次冷拉拔的总压缩率为50％～55％时，钛合金焊丝的表面质量好，焊接工艺及焊接质量较佳。
根据本发明的制备方法，精拉拔的单道次压缩率为5％～13％，拉拔速度≤3m/s。在某些实施方式中，精拉拔的拉拔速度为2.5～3m/s，精拉拔的单道次压缩率为9％～11％。当精拉拔速度高于3m/s时，拉拔速度过快，容易出现断丝问题，此外，由于模具热量难以散出，线材易粘连模具，导致容易出现表面质量问题；当精拉拔速度低于2.5m/s时，生产效率较低。
根据本发明的制备方法，热处理的方式为退火，退火温度为750～900℃，保温时间为1～4h退火温度。当温度低于750℃时，退火效果欠佳，拉拔较困难，当温度高于900℃时，能耗较高，且容易形成较厚的氧化层。在某些实施方式中，冷拉拔和精拉拔的热处理条件相同，均采用退火热处理，退火温度分别为800～850℃，保温时间分别为1.5～3h。根据本发明的某些优选实施方式，冷拉拔和精拉拔的热处理条件相同，均采用退火热处理，退火温度分别为810～830℃，保温时间分别为2～2.5h。这种条件，既能保证较好的拉拔效果，降低残余应力，稳定尺寸，减少变形和裂纹，又能防止焊丝表面氧化，节约能耗，提高生产效率。
根据本发明的制备方法，表面处理包括：将半成品钛合金焊丝进行机械刮削，得到成品钛合金焊丝；机械刮削包括依次经过直径分别为D1、D2和D3的定径模具、刮削模具和成品模具；其中，D3为钛合金焊丝的直径，D3+0.15mm≤D1≤D3+0.3mm，D3+0.02mm≤D2≤D3+0.1mm。刮削速度优选为1.0～2m/s，当刮削速度大于2m/s时，易出现粘刀现象，影响产品表面质量；当刮削速度小于1.0m/s时，生产效率较低。根据本发明的某些优选实施方式，利用刮削模具在机械设备上对半成品钛合金焊丝进行机械刮削处理光亮化处理，刮削速度为1.5～1.8m/s；具体机械刮削过程为：将半成品钛合金焊丝依次穿过直径为D1、D2和D3的定径模具、刮削模具和成品模具；其中，D3为钛合金焊丝的直径，D3+0.18mm≤D1≤D3+0.23mm，D3+0.04mm≤D2≤D3+0.06mm，采用该工艺制成的钛合金焊丝圆度小于0.005mm，表面粗糙度为0.15～0.25μm。
本发明采用机械刮削法代替化学腐蚀法和机械式砂带打磨抛光法，不仅有助于提高钛合金焊丝的尺寸精度，获得表面更加均匀光滑的钛合金焊丝，而且可以避免化学清洗工艺带来的环境污染问题。此外，本发明中，定径模具不仅可以防止刮削时焊丝的抖动，又可以保证焊丝在后续刮削时较为一致的刮削量，有助于提高机械刮削的精度。本发明中，通过成品模具的模压可进一步提高焊丝的尺寸精度和圆度，同时可以减少刮削模具造成的刮痕，使焊丝表面光亮化，有助于减小焊丝表面的粗糙度。本发明通过定径模具、刮削模具和成品模具的相互配合，制备的钛合金焊丝的尺寸精度高、表面质量好。
根据本发明的制备方法，表面处理还包括：将成品钛合金焊丝进行超声波清洗，再经烘干、收卷，得到钛合金焊丝。本发明利用超声波的空化及原位谐振作用，使用清水对钛合金焊丝进行清洗，替代了传统的酸洗和碱洗，有效避免了清洗液对钛合金焊丝表面的腐蚀，有助于减少环境污染。根据本发明的一些实施方式，将成品钛合金焊丝进行超声波清洗，经160℃的在线热风烘干，绕线收卷，包装，得到钛合金焊丝。
根据本发明的制备方法，所述钛合金线坯为TC4钛合金线坯。根据本发明的一些实施方式，钛合金线坯为直径为4.5～6.5mm的TC4钛合金线坯。根据本发明的另一些实施方式，钛合金线坯为直径为5.5～6mm的TC4钛合金线坯。
根据本发明的制备方法，采用该方法制成的钛合金焊丝，其圆度小于0.005mm，表面粗糙度为0.15～0.25μm。根据本发明的一些实施方式，钛合金焊丝，其圆度小于0.004mm，表面粗糙度为0.15～0.2μm。根据本发明的另一些实施方式，钛合金焊丝，其圆度小于0.003mm，表面粗糙度为0.2μm。
本发明中，冷拉拔的次数可以为1～5次，优选为2～3次。冷拉拔优选为在润滑剂的作用下进行，润滑剂可以采用本领域常规的润滑油或润滑粉，优选为采用钙基润滑粉。采用钙基润滑粉，不仅可以减少拉拔阻力，而且可以有效防止焊丝粘贴在拉拔模具表面，采用钙基润滑粉制备钛合金焊丝，伤丝、断丝现象较少。冷拉拔优选为采用金刚石镀层模具，采用金刚石镀层模具，不仅可以减少模具损伤导致的焊丝表面质量较差等问题，而且模具成本较低。
本发明中，精拉拔的次数可以为1～3次，优选为1～2次。精拉拔优选为在润滑剂的作用下进行，润滑剂可以采用本领域常规的润滑油，这里不再赘述。精拉拔优选为采用聚晶金刚石拉丝模具。采用聚晶金刚石拉丝模具，可以有效减少模具损伤导致的焊丝表面质量较差等问题。精拉拔优选为在水箱拉拔设备中进行。
本发明采用连续冷拉拔的工艺代替热拉拔的工艺，不仅所用拉拔设备的结构简单，易于操作，而且加工效率高，生产成本低。此外，本发明通过多个直径不同的拉拔模具实现多道次的冷拉拔，减少了退火道次，有助于减少能耗；此外，相较于每次仅通过一道模具的单道次拉拔，本发明的连续冷拉拔的生产效率提高了3～5倍。
根据本发明的一些实施方式，将钛合金线坯连续冷拉拔2～3次，每次冷拉拔将钛合金线坯依次穿过3～5个直径由大到小的拉拔模具，再经热处理，得到钛合金线材；然后将钛合金线材进行1～2次精拉拔，每次精拉拔将钛合金线材依次穿过3～5个直径由大到小的拉拔模具，再经热处理，得到半成品钛合金焊丝，对半成品钛合金焊丝进行表面处理，得到钛合金焊丝，由该方法制备的钛合金焊线的尺寸和性能更加稳定。
根据本发明的另一些实施方式，钛合金焊丝的制备方法包括如下步骤：
S1.将钛合金线坯连续冷拉拔1～5次；控制冷拉拔的单道次压缩率为13％～15％，每次冷拉拔的总压缩率为30％～65％，拉拔速度≤2.5m/s；每次冷拉拔将钛合金线坯依次穿过2～6个直径由大到小的拉拔模具，然后置于800～850℃下热处理1.5～3h，得到钛合金线材。
S2.将钛合金线材进行1～3次精拉拔；控制精拉拔的单道次压缩率为5％～13％，拉拔速度≤3m/s；每次精拉拔将钛合金线材依次穿过2～6个直径由大到小的拉拔模具，然后置于800～850℃下热处理1.5～3h，得到半成品钛合金焊丝。
S3.将半成品钛合金焊丝进行机械刮削处理，刮削速度为1.0～2m/s，得到成品钛合金焊丝；
所述机械刮削包括依次经过直径分别为D1、D2和D3的定径模具、刮削模具和成品模具；
其中，D3为钛合金焊丝的直径，
D3+0.15mm≤D1≤D3+0.3mm，
D3+0.02mm≤D2≤D3+0.1mm。
S4.将成品钛合金焊丝进行超声波清洗，经烘干、收卷，得到钛合金焊丝。通过控制拉拔速度和压缩率在合适的范围内，同时据此设定相应的热处理条件，可以提高钛合金焊丝的拉拔效果，有效防止钛合金焊丝出现断裂和表面凹坑。
根据本发明的另一些实施方式，钛合金焊丝的制备方法包括如下步骤：
S1.将直径为4.5～6.5mm的TC4钛合金线坯连续冷拉拔2～3次；控制冷拉拔的单道次压缩率为13％～15％，每次冷拉拔的总压缩率为50％～55％，拉拔速度为2～2.5m/s；每次冷拉拔将钛合金线坯依次穿过2～5个直径由大到小的拉拔模具，然后置于800～830℃下热处理1.5～2.5h，得到钛合金线材。
S2.将钛合金线材进行1～2次精拉拔；控制精拉拔的单道次压缩率为9％～11％，拉拔速度为2.5～3m/s；每次精拉拔将钛合金线材依次穿过2～5个直径由大到小的拉拔模具，然后置于800～830℃下热处理1.5～2.5h，得到半成品钛合金焊丝。
S3.将半成品钛合金焊丝进行机械刮削处理，得到成品钛合金焊丝；其中，刮削速度为1.0～2m/s；机械刮削包括依次经过直径分别为D1、D2和D3的定径模具、刮削模具和成品模具；其中，D3为钛合金焊丝的直径，D3+0.15mm≤D1≤D3+0.3mm，D3+0.02mm≤D2≤D3+0.1mm。
S4.将成品钛合金焊丝进行超声波清洗，经烘干、收卷，得到钛合金焊丝。
任选地，钛合金焊丝的制备方法还包括对穿模段的加工，具体操作步骤如下：将钛合金粗线坯/钛合金线材的起始段进行常规塑性加工，如采用轧制的方法将钛合金粗线坯起始段加工成直径逐渐变大的长锥形，起始段与待加工段平滑过渡，并且保证起始段能够依次穿过各个拉拔模具。
另一方面，本发明提供一种由上述方法制成的钛合金焊丝。根据本发明的一些实施方式，本发明的钛合金焊丝圆度小于0.005mm，表面粗糙度为0.15～0.25μm。
本发明的钛合金焊丝的制备方法，所用设备简单，能耗低，生产效率高。采用该方法制备的钛合金焊丝，尺寸精度高、表面光滑均匀，且力学性能稳定，钛合金焊丝的圆度小于0.005mm，表面粗糙度为0.15～0.25μm。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明，依据表1的质量等级指标对钛合金焊丝进行质量评价。
表1
下面介绍实施例中的具体测试方法：
1、焊丝化学成分分析：依据GB/T 30562-201对焊丝的化学成分进行测试；
2、松弛直径、翘距：依据GB/T 9460-2008铜及铜合金焊丝的5.3对松弛直径和翘距进行测试；
3、圆度的测试：采用精度为0.001mm的游标卡尺测量；
4、粗糙度的测试：采用激光显微镜进行测量，具体测试条件为：
物镜：MPLAPONLEXT50
扫描方式：XYZ精细扫描+彩色
图像尺寸像素：1024×1024
图像尺寸：258×258
变焦：1×；
5、焊缝力学性能的测试：
(一)焊接过程：焊接设备采用奥地利fronius TPS400i型半自动焊机；焊接试板基体金属采用TC4钛合金板材，板厚10mm，开Y形破口(70°)，经除油和清除氧化膜处理，采用拖罩防护焊缝。当钛合金焊丝直径为1.6mm时(即实施例1)，焊接电流270～290A，焊接电压30V，焊接速度0.9cm/s，氩气(纯度99.99％)流量：焊枪22L/min，托罩25～30L/min，背面30～40L/min。当钛合金焊丝直径为1.2mm时(即实施例2)，焊接电流235～255A，焊接电压28V，焊接速度0.7cm/s，氩气(纯度99.99％)流量：焊枪22L/min，托罩25～30L/min，背面30～40L/min。
(二)依据GB/T 2651进行焊接接头拉伸试验，测试抗拉强度和延伸率。
实施例1
S1.取直径为6mm的TC4钛合金线坯，将其起始段轧制加工成长锥形，使起始段与待加工段平滑过渡，得到带有穿模段的TC4钛合金线坯；将带有穿模段的TC4钛合金线坯依次穿过直径为5.53mm、5.1mm、4.7mm、4.33mm、4.0mm的金刚石镀层拉拔模具，在连续拉拔设备上且在钙基润滑粉的润滑作用下，对TC4钛合金线坯进行进行第一次冷拉拔，拉拔速度为2.5m/s，得到未退火的第一TC4钛合金线材；
将未退火的第一TC4钛合金线材置于常规退火炉中进行热处理，退火温度为830℃，保温时间为2h，得到第一TC4钛合金线材。
将第一TC4钛合金线材进行穿模段加工(具体步骤同上所述)，然后将带有穿模段的第一TC4钛合金线材依次穿过直径为3.69mm、3.41mm、3.15mm、2.90mm、2.68mm的金刚石镀层拉拔模具，在连续拉拔设备上且在钙基润滑粉的润滑作用下，对第一TC4钛合金线材进行进行第二次冷拉拔，拉拔速度为2.5m/s，得到未退火的第二TC4钛合金线材；
将未退火的第二TC4钛合金线材置于常规退火炉中进行热处理，退火温度为830℃，保温时间为2h，得到第二TC4钛合金线材。
经测试，未退火的第一TC4钛合金线材的直径为3.991mm，圆度小于0.01mm，线材的表面光滑均匀，无毛刺、凹坑等缺陷；未退火的第二TC4钛合金线材的直径为2.673mm，圆度小于0.01mm，线材的表面光滑均匀，无毛刺、凹坑等缺陷；
S2.将第二TC4钛合金线材进行穿模段加工(具体步骤同上所述)，然后将带有穿模段的第二TC4钛合金线材依次穿过直径为2.50mm、2.33mm、2.18mm、2.04mm、1.90mm的聚晶金刚石拉丝模具，在水箱拉拔设备上且在润滑油的润滑作用下，对第二TC4钛合金线材进行进行第一次精拉拔，拉拔速度为3m/s，得到未退火的第三TC4钛合金线材；
将未退火的第三TC4钛合金线材置于常规退火炉中进行热处理，退火温度为830℃，保温时间为2h，得到第三TC4钛合金线材，即半成品钛合金焊丝。
经测试，未退火的第三TC4钛合金线材的直径为1.896mm，圆度小于0.005mm，线材的表面光滑均匀，无断丝、起皮、毛刺、凹坑等缺陷。
S3.在机械刮削设备上对半成品钛合金焊丝进行机械刮削光亮化表面处理，刮削速度为1.5m/s，具体机械刮削过程如下：在机械刮削设备上，使第三TC4钛合金线材依次经过直径为1.80mm的定径模具、直径为1.65mm的刮削模具和直径为1.60mm的成品模具，得到成品TC4钛合金焊丝；
经测试，成品TC4钛合金焊丝的直径为1.60mm，粗糙度Ra可以达到0.2μm，圆度为0.004mm。
S4.将成品钛合金焊丝进行超声波在线清水清洗，再经160℃烘干，收卷，层绕包装，得到直径为1.60mm的钛合金焊丝。
对直径为1.60mm的钛合金焊丝进行外在质量和内在质量进行检验评价，结果分别见表2和表3。
实施例2
S1.取直径为6mm的TC4钛合金线坯，将其起始段轧制加工成长锥形，使起始段与待加工段平滑过渡，得到带有穿模段的TC4钛合金线坯；
将带有穿模段的TC4钛合金线坯依次穿过直径为5.53mm、5.1mm、4.7mm、4.33mm、4.0mm的金刚石镀层拉拔模具，在连续拉拔设备上且在钙基润滑粉的润滑作用下，对TC4钛合金线坯进行进行第一次冷拉拔，拉拔速度为2.5m/s，得到未退火的第一TC4钛合金线材；
将未退火的第一TC4钛合金线材置于常规退火炉中进行热处理，退火温度为830℃，保温时间为2h，得到第一TC4钛合金线材。
将第一TC4钛合金线材进行穿模段加工(具体步骤同上所述)，然后将带有穿模段的第一TC4钛合金线材依次穿过直径为3.69mm、3.41mm、3.15mm、2.90mm、2.68mm的金刚石镀层拉拔模具，在连续拉拔设备上且在钙基润滑粉的润滑作用下，对第一TC4钛合金线材进行进行第二次冷拉拔，拉拔速度为2.5m/s，得到未退火的第二TC4钛合金线材；
将未退火的第二TC4钛合金线材置于常规退火炉中进行热处理，退火温度为830℃，保温时间为2h，得到第二TC4钛合金线材。
经测试，未退火的第一TC4钛合金线材的直径为3.991mm，圆度小于0.01mm，线材的表面光滑均匀，无毛刺、凹坑等缺陷；未退火的第二TC4钛合金线材的直径为2.674mm，圆度小于0.01mm，线材的表面光滑均匀，无毛刺、凹坑等缺陷；
S2.将第二TC4钛合金线材进行穿模段加工(具体步骤同上所述)，然后将带有穿模段的第二TC4钛合金线材依次穿过直径为2.50mm、2.33mm、2.18mm、2.04mm、1.90mm的聚晶金刚石拉丝模具，在水箱拉拔设备上且在润滑油的润滑作用下，对第二TC4钛合金线材进行进行第一次精拉拔，拉拔速度为3m/s，得到未退火的第三TC4钛合金线材；
将未退火的第三TC4钛合金线材置于常规退火炉中进行热处理，退火温度为830℃，保温时间为2h，得到第三TC4钛合金线材。
将第三TC4钛合金线材进行穿模段加工(具体步骤同上所述)，然后将带有穿模段的第二TC4钛合金线材依次穿过直径为1.79mm、1.69mm、1.59mm、1.50mm的聚晶金刚石拉丝模具，在水箱拉拔设备上且在润滑油的润滑作用下，对第三TC4钛合金线材进行进行第二次精拉拔，拉拔速度为3m/s，得到未退火的第四TC4钛合金线材；
将未退火的第四TC4钛合金线材置于常规退火炉中进行热处理，退火温度为830℃，保温时间为2h，得到第四TC4钛合金线材，即半成品钛合金焊丝。
经测试，未退火的第三TC4钛合金线材的直径为1.896mm，圆度小于0.005mm，线材的表面光滑均匀，无断丝、起皮、毛刺、凹坑等缺陷；未退火的第四TC4钛合金线材的直径为1.495mm，圆度小于0.005mm，线材的表面光滑均匀，无断丝、起皮、毛刺、凹坑等缺陷。
S3.在机械刮削设备上对半成品钛合金焊丝进行机械刮削光亮化表面处理，刮削速度为1.5m/s，具体机械刮削过程如下：在机械刮削设备上，使第四TC4钛合金线材依次经过直径为1.40mm的定径模具、直径为1.25mm的刮削模具和直径为1.20mm的成品模具，得到成品TC4钛合金焊丝；
经测试，成品TC4钛合金焊丝的直径为1.20mm，粗糙度Ra可以达到0.2μm，圆度为0.003mm。
S4.将成品钛合金焊丝进行超声波在线清水清洗，再经160℃烘干，收卷，层绕包装，得到直径为1.20mm的钛合金焊丝。
对直径为1.20mm的钛合金焊丝进行外在质量和内在质量进行检验评价，结果分别见表2和表3。
表2钛合金焊丝外在质量的检验结果
表3钛合金焊丝内在质量的检验结果
由表2和表3可以看出，实施例1和实施例2的钛合金焊丝，外在质量评分分别为98和97(≥95)；外观形状均匀、整齐、光亮、美观；线径符合GB/T 25775-2010中表2的规定；化学成分分析符合GB/T 30562-2014中表1的规定；实施例1和实施例2的钛合金焊丝的松弛直径分别为1200mm和1500mm(≥D+20mm)，焊丝翘距分别为10mm和8mm(≤30mm)。因此，判定实施例1和实施例2的TC4钛合金焊丝为优等品。
根据实验过程中粗糙度和圆度的测试结果可知，本发明提供的钛合金焊丝的圆度小于0.005mm，表面粗糙度为0.15～0.25μm，表明本发明制备的钛合金焊丝尺寸精度高、表面光滑均匀。
此外，由表3可知，由实施例1和实施例2的TC4钛合金焊丝焊接的焊缝，其抗拉强度为920～930Mpa，拉伸率为8～9％。表明本发明的钛合金焊丝的力学性能稳定，可以很好地满足使用要求。
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。