一种有效控制热裂的镍铬基焊丝及方法与坡口形式
阅读说明：本技术 一种有效控制热裂的镍铬基焊丝及方法与坡口形式 (Nickel-chromium-based welding wire capable of effectively controlling thermal cracking, method and groove form ) 是由 褚巧玲 张�林 夏拓 张敏 赵鹏康 李继红 王锵 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开的一种有效控制热裂的镍铬基焊丝,包括药芯和焊皮,其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Cr粉40.0～60.0％,Nb粉20.0～30.0％,Mo粉20.0～30.0％,以上组分质量百分比之和为100％。该有效控制热裂的镍铬基焊丝,专门用于铜-钢爆炸复合板对接焊接过程中过渡层的焊接,可有效解决铜-钢复合板焊接过程中焊缝开裂的问题。还提供该种有效控制热裂的镍铬基焊丝的制备方法与坡口形式。(The invention discloses a nickel-chromium-based welding wire capable of effectively controlling hot cracking, which comprises a flux core and a welding skin, wherein the flux core comprises the following components in percentage by mass: 40.0-60.0% of Cr powder, 20.0-30.0% of Nb powder and 20.0-30.0% of Mo powder, wherein the sum of the mass percentages of the components is 100%. The nickel-chromium-based welding wire capable of effectively controlling heat cracking is specially used for welding a transition layer in the butt welding process of a copper-steel explosive composite plate, and can effectively solve the problem of weld cracking in the welding process of the copper-steel composite plate. Also provides a preparation method and a groove form of the nickel-chromium-based welding wire for effectively controlling hot cracking.)
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种有效控制热裂的镍铬基焊丝，还涉及该种有效控制热裂的镍铬基焊丝的制备方法与坡口形式。
背景技术
随着科技的发展和经济全球化的深入，市场对材料的性能要求和使用环境越来越严苛。在一些特殊领域，传统单一材料的综合性能已经难以满足实际生产的需要，常将化学性质和物理性能不同的金属材料连接在一起，以利用不同材料之间性能和经济上的互补，铜与钢之间异种金属的连接就是其中之一。铜-钢复合结构，同时兼有铜良好的导电、导热性及钢材料良好的焊接稳定性、价格低廉等优点，两者优良性能实现了完美的结合，有效避开了各自的缺点，使得经济效益最大化。
铜-钢复合板在使用过程中不可避免会遇到其对接连接问题。虽然铜和钢不形成脆性金属间化合物，但是两者热物理性能差异较大，导致在其界面连接时，易出现热裂纹。经过系统研究，发现热裂纹主要是由于铜和钢的熔点差异大导致的。当熔池中铜元素含量较少而钢含量较高时，熔点较低的钢先凝固后，熔点较低的铜还处于液相，分布在已经凝固的钢晶粒的界面处，在焊接热应力作用下，导致开裂。因此，为克服铜-钢复合板焊接时的开裂问题，需要选择一种合适的过渡层材料，保证其与铜和钢可以实现高质量连接；除此之外，还需要考虑复合板对接接头的坡口形式，尤其是过渡层焊缝的位置与尺寸，从而有效控制熔池中合金元素的比例与混合情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种有效控制热裂的镍铬基焊丝，专门用于铜-钢爆炸复合板对接焊接过程中过渡层的焊接，可有效解决铜-钢复合板焊接过程中焊缝开裂的问题。
本发明的第二个目的是提供一种有效控制热裂的镍铬基焊丝的制备方法。
本发明的第三个目的是提供采用上述的一种有效控制热裂的镍铬基焊丝焊接铜-钢复合板时的坡口形式。
本发明所采用的第一个技术方案是，一种有效控制热裂的镍铬基焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Cr粉40.0～60.0％，Nb粉20.0～30.0％，Mo粉20.0～30.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特征还在于，
各个药粉的粒度均为100～200目。
焊皮为纯镍带，镍带厚度0.4mm，宽度7mm。
本发明所采用的第二个技术方案是，一种有效控制热裂的镍铬基焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Cr粉40.0～60.0％，Nb粉20.0～30.0％，Mo粉20.0～30.0％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为220～320℃，保温时间为2.5-3.5h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为3.5-5h；
步骤3：采用纯镍带为焊皮，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
本发明的特征还在于，
步骤1中，各个药粉的粒度均为100～200目。
步骤3中，镍带厚度0.4mm，宽度7mm；该药芯焊丝的填充率控制在25wt.％～30wt.％。
本发明所采用的第三个技术方案是，采用上述的一种有效控制热裂的镍铬基焊丝焊接铜-钢复合板时的坡口形式，铜-钢复合板两侧分别开不对称的V形坡口，其中铜侧坡口角度为90°，钢侧坡口角度为50°，铜侧坡口底部距离铜-钢复合板界面1-3mm，过渡层焊接时，为降低稀释率，焊接2层焊缝。
本发明的有益效果是：
(1)本发明焊丝适用于铜-钢复合板过渡层的焊接，可有效解决铜-钢复合板焊接过程中焊缝开裂的问题。
(2)本发明镍铬基焊丝，其主要元素镍与母材铜之间可以无限固溶，镍与母材钢之间的固溶度较大，并且不产生脆性的金属间化合物。因此，采用该镍铬基焊丝可以实现铜侧焊缝和钢焊缝的冶金连接。此外，本发明对坡口形式及过渡层的底部与铜-钢界面有要求(铜侧坡口底部距离铜-钢复合板界面2mm)，可有效解决过渡层焊接时铜元素渗透到钢焊缝晶粒中导致开裂的问题。本发明设计对过渡层进行2层焊缝焊接，可有效降低稀释率，从而控制熔池中Fe元素的含量。
(3)通过药粉配比可以灵活的调整铜-钢复合板过渡层用镍铬基焊丝的成分；相比于实心焊丝，药芯焊丝的熔覆效率更高。
(4)本发明所设计的坡口形式，对焊接工人的操作要求较低，从而可以提高生产效率。
附图说明
图1为使用本发明焊丝在铜-钢复合板焊接时铜-钢复合板的坡口形式；
图2为使用本发明焊丝在铜-钢复合板焊接时的铜-钢复合板焊接顺序；
图3为实施案例2制备的药芯焊丝焊接铜-钢复合板过渡层时，过渡层焊缝与底部钢基体、上面铜焊缝的低倍组织形貌图。
图4为实施案例2制备的药芯焊丝焊接铜-钢复合板过渡层时，过渡层焊缝的高倍组织形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种有效控制热裂的镍铬基焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：Cr粉40.0～60.0％，Nb粉20.0～30.0％，Mo粉20.0～30.0％，以上组分质量百分比之和为100％。
各个药粉的粒度均为100～200目；焊皮为纯镍带，镍带厚度0.4mm，宽度7mm。
该药芯焊丝中主要合金组分的作用和功能如下：
Ni元素为药芯焊丝的主要合金元素，能提高焊缝的强度，又使焊缝具有良好的塑性和韧性。Ni和Fe之间、Ni和Cu之间焊接性均较好，因此过渡层焊缝以Ni为主可以有效起到连接Cu和Fe的桥梁作用。
Cr元素作为药芯焊丝药粉的主要合金元素，能够减少焊缝中γ相的形成，稳定α相。当焊缝中的Cr元素含量达到一定含量时，在焊缝表面将生成Cr2O3保护层，起到抗氧化和耐腐蚀作用。
Nb元素作为药芯焊丝药粉的主要合金元素，Nb和Ni之间的焊接性较好，可以起到提高过渡层焊缝与底部钢基体的结合强度。Nb和Cu之间不形成脆性金属间化合物。
Mo作为药芯焊丝药粉的主要合金元素，Mo和Cr元素之间可以无限固溶，Mo在富Ni基体中主要起到固溶强化作用，提高焊缝的强度。
采用该药芯焊丝进行过渡层焊接时，过渡层分2层焊缝焊接，并采用较低的热输入，其作用和功能如下：药芯焊丝以Ni元素为主，当其进行第一层焊接时，过渡层焊缝中同时存在Ni、Fe元素，其中Fe元素的含量较Ni元素含量低；当其进行第二层焊接时，过渡层焊缝中同时存在Cu、Ni、Fe元素，第二层过渡层焊缝中Fe元素较第一层的少。在这种情况下，第二层过渡层焊缝中Cu元素含量和Ni元素含量较多，只存在少量的Fe。Fe由于熔点较高，优先形核，即使存在凝固收缩，周围熔池中大量的Cu液相就会及时补充，从而从根本上抑制了凝固裂纹的产生。
本发明还提供一种有效控制热裂的镍铬基焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Cr粉40.0～60.0％，Nb粉20.0～30.0％，Mo粉20.0～30.0％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤1中，Cr粉的纯度≥99.9％，Nb粉的纯度≥99.9％，Mo粉的纯度≥99.9％，各个药粉的粒度均为100～200目；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为220～320℃，保温时间为2.5-3.5h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为3.5-5h；
步骤3：采用纯镍带为焊皮，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；步骤3中，镍带厚度0.4mm，宽度7mm；该药芯焊丝的填充率控制在25wt.％～30wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0～1.2mm的药芯焊丝；
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
本发明还提供采用一种有效控制热裂的镍铬基焊丝焊接铜-钢复合板时的坡口形式，铜-钢复合板两侧分别开不对称的V形坡口，其中铜侧坡口角度为90°，钢侧坡口角度为50°，铜侧坡口底部距离铜-钢复合板界面1-3mm，过渡层焊接时，为降低稀释率，焊接2层焊缝，并采用较低的热输入。
实施例1
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Cr粉40.0％，Nb粉30％，Mo粉30.0％，以上组分质量百分比之和为100％；各个药粉的粒度均为100目；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为300℃，保温时间为2.5h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为3.5h；
步骤3：采用纯镍带为焊皮，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；步骤3中，镍带厚度0.4mm，宽度7mm；该药芯焊丝的填充率控制在25wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例1制备的镍铬基焊丝焊接铜-钢复合板，其中复合板两侧分别开不对称的V形坡口，其中铜侧坡口角度为90°，钢侧坡口角度为50°，铜侧坡口底部距离铜-钢复合板界面2mm，过渡层焊接时采用2层焊缝焊接。坡口尺寸如图1所示。复合板焊接顺序如图2所示：首先进行钢层的焊接，焊接材料为ER50-6焊丝(直径1.2mm)，焊接电流为150～160A；接着进行过渡层的焊接，采用本发明的药芯焊丝，焊接电流为100～120A，焊接2层焊缝；最后进行铜侧的焊接，焊接材料为ERCuSi-Al(直径1.2mm)，焊接电流为200～250A。
经测试，铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为344MPa，延伸率为12％。
实施例2
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Cr粉50.0％，Nb粉25.0％，Mo粉25.0％，以上组分质量百分比之和为100％；各个药粉的粒度均为200目；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为250℃，保温时间为2.5h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为3.5h；
步骤3：采用纯镍带为焊皮，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；步骤3中，镍带厚度0.4mm，宽度7mm；该药芯焊丝的填充率控制在28wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例2制备的镍铬基焊丝焊接铜-钢复合板，其中复合板两侧分别开不对称的V形坡口，其中铜侧坡口角度为90°，钢侧坡口角度为50°，铜侧坡口底部距离铜-钢复合板界面2mm，过渡层焊接时采用2层焊缝焊接。坡口尺寸如图1所示。复合板焊接顺序如图2所示：首先进行钢层的焊接，焊接材料为ER50-6焊丝(直径1.2mm)，焊接电流为150～160A；接着进行过渡层的焊接，采用本发明的药芯焊丝，焊接电流为100～120A，焊接2层焊缝；最后进行铜侧的焊接，焊接材料为ERCuSi-Al(直径1.2mm)，焊接电流为200～250A。
经测试，铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为382MPa，延伸率为17％。
实施例2制备得到的镍铬基焊丝焊接铜-钢复合板过渡层。过渡层焊缝与钢焊缝的界面如图3所示，过渡层焊缝与钢焊缝之间结合良好，未发现裂纹、气孔等缺陷。过渡层焊缝的显微组织如图4所示，主要为奥氏体组织，形貌为胞状树枝晶。
实施例3
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Cr粉60.0％，Nb粉20.0％，Mo粉20.0％，以上组分质量百分比之和为100％；各个药粉的粒度均为200目；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为220℃，保温时间为3.5h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为5h；
步骤3：采用纯镍带为焊皮，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；步骤3中，镍带厚度0.4mm，宽度7mm；该药芯焊丝的填充率控制在30wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例3制备的镍铬基焊丝焊接铜-钢复合板，其中复合板两侧分别开不对称的V形坡口，其中铜侧坡口角度为90°，钢侧坡口角度为50°，铜侧坡口底部距离铜-钢复合板界面2mm，过渡层焊接时采用2层焊缝焊接。坡口尺寸如图1所示。复合板焊接顺序如图2所示：首先进行钢层的焊接，焊接材料为ER50-6焊丝(直径1.2mm)，焊接电流为150～160A；接着进行过渡层的焊接，采用本发明的药芯焊丝，焊接电流为100～120A，焊接2层焊缝；最后进行铜侧的焊接，焊接材料为ERCuSi-Al(直径1.2mm)，焊接电流为200～250A。
经测试，铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为395MPa，延伸率为15％。
实施例4
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Cr粉55.0％，Nb粉25.0％，Mo粉20.0％，以上组分质量百分比之和为100％；各个药粉的粒度均为200目；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为280℃，保温时间为3h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为4h；
步骤3：采用纯镍带为焊皮，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；步骤3中，镍带厚度0.4mm，宽度7mm；该药芯焊丝的填充率控制在30wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.0mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例4制备的镍铬基焊丝焊接铜-钢复合板，其中复合板两侧分别开不对称的V形坡口，其中铜侧坡口角度为90°，钢侧坡口角度为50°，铜侧坡口底部距离铜-钢复合板界面1mm，过渡层焊接时采用2层焊缝焊接。坡口形式如图1所示。复合板焊接顺序如图2所示：首先进行钢层的焊接，焊接材料为ER50-6焊丝(直径1.2mm)，焊接电流为150～160A；接着进行过渡层的焊接，采用本发明的药芯焊丝，焊接电流为100～120A，焊接2层焊缝；最后进行铜侧的焊接，焊接材料为ERCuSi-Al(直径1.2mm)，焊接电流为200～250A。
经测试，铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为367MPa，延伸率为17％。
实施例5
步骤1：按质量百分比分别称取以下药粉：Cr粉45.0％，Nb粉30.0％，Mo粉25.0％，以上组分质量百分比之和为100％；各个药粉的粒度均为100目；
步骤2：将步骤1称取的药粉，将其置于真空加热炉内加热，加热温度为270℃，保温时间为2h，去除药粉中的结晶水；烘干后的药粉放置于混粉机中进行充分的混合，混合时间为3h；
步骤3：采用纯镍带为焊皮，采用酒精去除纯镍带表面的油脂，通过药芯焊丝拉丝设备把步骤2制备得到的药粉包裹在纯镍带内，第一道拉拔模具孔径为2.6mm；步骤3中，镍带厚度0.4mm，宽度7mm；该药芯焊丝的填充率控制在25wt.％。
步骤4：第一道工序拉拔完毕后，将模具孔径依次减少，最终获得直径1.2mm的药芯焊丝。
步骤5：药芯焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在药芯焊丝真空包装袋内待用。
用实施例5制备的镍铬基焊丝焊接铜-钢复合板，其中复合板两侧分别开不对称的V形坡口，其中铜侧坡口角度为90°，钢侧坡口角度为50°，铜侧坡口底部距离铜-钢复合板界面3mm，过渡层焊接时采用2层焊缝焊接。坡口形式如图1所示。复合板焊接顺序如图2所示：首先进行钢层的焊接，焊接材料为ER50-6焊丝(直径1.2mm)，焊接电流为150～160A；接着进行过渡层的焊接，采用本发明的药芯焊丝，焊接电流为100～120A，焊接2层焊缝；最后进行铜侧的焊接，焊接材料为ERCuSi-Al(直径1.2mm)，焊接电流为200～250A。
经测试，铜-钢复合板焊接接头的抗拉强度为378MPa，延伸率为15％。
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