CN101195187A

CN101195187A - 一种铁铝金属间化合物与钢的脉冲熔焊方法

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Publication number: CN101195187A
Application number: CNA200710114271XA
Authority: CN
Inventors: 李亚江; 王娟; 马海军; 夏春智
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2027-12-20
Also published as: CN101195187B

Abstract

本发明公开一种铁铝金属间化合物与钢的脉冲熔焊方法，采用Cr25Ni13Mo2Nb奥氏体钢焊丝作为填充材料，惰性气体保护，以脉冲钨极氩弧焊对铁铝金属间化合物与碳钢或不锈钢进行焊接；奥氏体钢焊丝焊丝直径为1.6～3.0mm，惰性气体保护为氩气，脉冲钨极氩弧焊的工艺参数为：基值电流70A～180A、脉冲电流100A～250A、脉冲持续时间0.15s～0.60s、焊接电压12V～18V，氩气流量10L/min～16L/min，背面保护气体氩气流量2L/min～5L/min，焊枪喷嘴离工件的距离6mm～12mm。本发明的方法可在不预热条件下对铁铝金属间化合物与钢异种材料进行焊接，获得无裂纹、无脆性相的焊接接头。本发明具有适用性强、操作方便、便于推广应用等优点，尤其适用于铁铝金属间化合物与碳钢、不锈钢的焊接，也可应用于铁铝金属间化合物与其他低合金结构钢、耐热钢的焊接。

Description

一种铁铝金属间化合物与钢的脉冲熔焊方法

一、技术领域：

本发明涉及一种异种材料之间的焊接方法，尤其涉及一种铁铝金属间化合物与碳钢(或不锈钢)异种材料间的熔焊方法，属于焊接技术领域。

二、背景技术：

随着科学技术的发展，单一材料很难满足现代工程结构对材料综合性能的要求，新型异种材料焊接结构受到人们的普遍关注。常规材料的强度性能一般随温度升高而下降，铁铝金属间化合物(如Fe₃Al)则相反，随温度升高其强度性能并不下降(甚至还有所升高)，这一反常的温度-强度关系引起人们极大的关注。铁铝金属间化合物具有良好的抗氧化性、耐蚀性和耐磨性，可以应用于冶金、石化、电力等工程结构。将铁铝金属间化合物与碳钢或不锈钢进行焊接制成的复合结构，可以充分发挥两种材料各自的性能优势、提高结构和设备的使用寿命。但是由于铁铝金属间化合物脆硬性大，塑韧性低，加之这种材料与钢的热物理性能差异较大，焊接时在接头区易产生裂纹和接头强韧性难以满足工程中的使用要求，阻碍了铁铝金属间化合物的应用。

目前，国内外有关铁铝金属间化合物的焊接主要采用真空电子束焊、钨极氩弧焊和真空扩散焊。采用电子束焊时，由于焊接过程是在真空中进行，抑制了氢的有害作用，并且集中的热量输入使焊接熔合区组织细化，可以避免焊接裂纹的产生，但这种方法的设备昂贵，只适于焊接铁铝金属间化合物的薄件。采用钨极氩弧焊时，合金成分和焊接工艺参数对铁铝金属间化合物焊接接头的组织性能有很大的影响，只有在严格控制焊接速度(0.42～0.85cm/s)和焊接热量输入的条件下，采用严格的焊前预热、焊后缓冷等工艺措施才能避免焊接裂纹的产生，故适用范围受到限制。铁铝金属间化合物扩散焊时须在高温和高真空条件下长时间保温(例如加热温度1040～1060℃、保温时间大于60min)，但这种工艺条件易导致界面附近组织粗大，降低了接头区的力学性能。

因此，铁铝金属间化合物作为一种极具发展潜力的结构材料，焊接问题一直是制约其工程应用的主要障碍之一。解决铁铝金属间化合物与钢异种金属焊接难题，对促进铁铝金属间化合物异种材料焊接结构的应用将产生重要的推动作用。

三、发明内容：

针对现有铁铝金属间化合物与钢异种材料焊接技术的不足，如焊接裂纹、接头区脆化、强韧性低等，本发明要解决的问题是，提供了一种适用性强、操作简便和焊接效率高的铁铝金属间化合物与钢异种材料的脉冲熔焊方法。

本发明涉及一种铁铝金属间化合物与钢的脉冲熔焊方法，采用Cr25Ni13Mo2Nb奥氏体钢焊丝作为填充材料，惰性气体保护，以脉冲钨极氩弧焊对铁铝金属间化合物和碳钢或不锈钢进行焊接；其中，所述惰性气体是氩气，其纯度大于99.7％，电极采用的是钍钨极；所述脉冲钨极氩弧焊的工艺参数为：采用直流正极性进行焊接，基值电流70A～180A、脉冲电流100A～250A、脉冲持续时间0.15s～0.60s、脉冲频率35Hz～75Hz，焊接电压12V～18V，焊接速度20cm/min～40cm/min，氩气流量10L/min～16L/min，背面保护气体氩气流量2L/min～5L/min，焊枪喷嘴离工件的距离6mm～12mm，被焊接工件的厚度1.5mm～20mm。

上述Cr25Ni13Mo2Nb奥氏体钢焊丝以质量百分比计，Cr含量为22％～26％，Ni含量为12％～14％，Mo含量为2.0％～3.5％，Nb含量为0.5％～1.0％，余量为钢，焊丝直径为1.6mm～3.0mm；

上述的Cr25Ni13Mo2Nb奥氏体钢焊丝在施焊前，焊丝用碱洗法清洗，清理后的焊丝应在12h内使用。

上述碱洗法清洗步骤是，先用丙酮除去焊丝表面油污，再以体积百分比为15％的NaOH溶液，在25℃±5℃条件下，清洗10min～15min，之后用清水冲洗，然后在40℃～60℃条件下烘干。

其中，在所述脉冲钨极氩弧焊的焊接中，铁铝金属间化合物与碳钢或不锈钢对接接头开60°的单面V形坡口，用手动砂轮、铣刀或自转式坡口机加工。当对接板材厚度差小于或等于4mm时，可以直接进行焊接；当厚度差大于4mm时，对较厚一侧板材应以15°斜角过渡削薄到较薄板一侧。

其中，在所述脉冲钨极氩弧焊的焊接中，采用高频脉冲引弧，引弧前先打开氩气，保持流通20s～30s以排除导气管中的空气，并利用氩气流带走附着在导气管内壁上的水分；找准引弧点，在对接接头坡口上引燃电弧，电弧长度保持2mm～3mm；收弧时，为了防止产生弧坑裂纹和缩孔，收弧处要多填充焊丝，然后控制焊接电流逐渐延时衰减，断弧后氩气要继续流通5s～10s，以防止钨极氧化。

其中，在所述脉冲钨极氩弧焊的焊接中，应注意保持焊枪、焊丝和焊件三者之间的空间位置，焊丝与焊件之间的夹角是10°～30°，焊枪与焊件之间的夹角是45°～90°。

上述铁铝金属间化合物与碳钢(或不锈钢)脉冲钨极氩弧焊的焊接中，焊丝与焊件之间的夹角优选是15°～30°，焊枪与焊件之间的夹角优选是75°～90°。

其中，在所述脉冲钨极氩弧焊的焊接中，冷却方式优选水冷。

其中，在所述脉冲钨极氩弧焊的焊接中，采用快送和少加焊丝的填丝方法，焊丝端部要始终处于氩气的保护范围之内，防止形成氧化膜和熔合不良。

采用本发明涉及的铁铝金属间化合物与钢异种材料的熔焊方法，焊接效率高，成本低，焊接操作方便灵活，可获得无裂纹、无脆性化合物的焊接接头。

本发明的方法由于焊接过程是脉冲式加热，通过精确调整如脉冲电流、脉冲持续时间、脉冲频率等脉冲参数，控制焊接熔池和熔合区的熔化-结晶条件，可减小热敏感材料的裂纹倾向，适合于厚度差别较大和导热性能差别大的焊件的焊接。与常规的钨极氩弧焊方法相比，高频电弧的振荡作用有利于晶粒细化、消除焊缝中的气孔和熔合区脆性相的形成，得到组织性能优良的焊接接头。与其他熔焊方法和直接扩散焊方法相比，本发明的方法可在不预热条件下对铁铝金属间化合物与钢异种材料进行焊接，获得无裂纹、无脆性相的焊接接头，接头强度大于520MPa，伸长率大于18％，能够满足铁铝金属间化合物与碳钢或不锈钢复合结构在生产中的使用要求。

本发明具有适用性强、操作方便、便于推广应用等优点，尤其适用于铁铝金属间化合物与碳钢、不锈钢的焊接，也可应用于铁铝金属间化合物与其他低合金结构钢、耐热钢的焊接。

四、具体实施例

实施例1：

长度为160mm、宽度为70mm、厚度为4mm的铁铝金属间化合物与1Cr18Ni9Ti不锈钢板材的对接焊，采用直径为1.6mm的Cr25Ni13Mo2Nb合金焊丝作为填充金属的脉冲钨极氩弧焊的工艺步骤为：

(1)用手动砂轮将铁铝金属间化合物和1Cr18Ni9Ti不锈钢板材的对接接头处打磨成约60°的V形坡口；

(2)先用丙酮将焊丝表面的油污去除，然后用体积百分比为15％的NaOH溶液，在25℃±5℃条件下清洗15min，再用清水冲洗后进行60℃烘干。

(3)Cr25Ni13Mo2Nb奥氏体钢焊丝以质量百分比计，Cr含量为24.5％，Ni含量为13.5％，Mo含量为2.5％，Nb含量为0.85％，余量为钢。

(4)点固试板并采用直流正极性进行焊接。焊接工艺参数为：基值电流90A～130A、脉冲电流120A～180A、脉冲持续时间0.25s～0.45s、脉冲频率45Hz～65Hz，焊接电压14V～16V，焊接速度25cm/min～35cm/min，氩气流量10L/min～14L/min，背面保护气体氩气流量2L/min～4L/min。

(5)焊接过程中，保持焊枪与焊缝水平板成45°角，焊丝与水平板焊件之间的倾角保持在15°～25°，焊枪喷嘴离工件的距离为8mm～10mm，焊丝端部始终处于氩气保护之中，用填充焊丝填满焊缝。焊接结束时，首先熄灭电弧，滞后8s后再停止输送保护气体。

实施例2：

管口外径为116mm、壁厚为6mm、长度为180mm的铁铝金属间化合物与Q235低碳钢管件的对接焊，采用直径为2.0mm的Cr25Ni13Mo2Nb合金焊丝作为填充金属的脉冲钨极氩弧焊的工艺步骤为：

(1)用自转式坡口加工机将铁铝金属间化合物和Q235低碳钢管件的对接接头处打磨成约60°的单面V形坡口；

(3)Cr25Ni13Mo2Nb奥氏体钢焊丝以质量百分比计，Cr含量为25.5％，Ni含量为13.5％，Mo含量为2.5％，Nb含量为0.85％，余量为钢。

(4)点固铁铝金属间化合物与Q235低碳钢的管件，留1mm的对接间隙，采用直流正极性进行焊接。引弧前先通氩气20～30s，以排除管内空气。整个焊接过程中，管内始终充纯度99.7％的氩气进行保护。

(5)焊接工艺参数为：基值电流110A～140A、脉冲电流150A～200A、脉冲持续时间0.25s～0.50s、脉冲频率45Hz～65Hz，焊接电压14V～18V，焊接速度20cm/min～30cm/min，氩气流量10L/min～15L/min，背面保护气体氩气流量3L/min～5L/min。

(6)焊接过程中焊枪喷嘴离工件的距离为8mm～10mm，保持管件转动，焊接熔池始终处于水平位置，焊丝与焊件之间的倾角保持在15°～20°。焊丝端部始终处于氩气保护之中，用填充焊丝填满焊缝。收弧时，使最终焊道盖住起始焊道。焊接结束时，首先熄灭电弧，滞后8s后再停止输送保护气体。

Claims

1.一种铁铝金属间化合物与钢的脉冲熔焊方法，采用Cr25Ni13Mo2Nb奥氏体钢焊丝作为填充材料，惰性气体保护，以脉冲钨极氩弧焊对铁铝金属间化合物与碳钢或不锈钢进行焊接，其特征是，所述的惰性气体是氩气，其纯度大于99.7％，电极采用的是钍钨极；所述脉冲钨极氩弧焊的工艺参数为：采用直流正极性进行焊接，基值电流70A～180A、脉冲电流100A～250A、脉冲持续时间0.15s～0.60s、脉冲频率35Hz～75Hz，焊接电压12V～18V，焊接速度20cm/min～40cm/min，氩气流量10L/min～16L/min，背面保护气体氩气流量2L/min～5L/min，焊枪喷嘴离工件的距离6mm～12mm，被焊接工件的厚度1.5mm～20mm。

2.如权利要求1所述的铁铝金属间化合物与钢的脉冲熔焊方法，其特征是，所述的Cr25Ni13Mo2Nb奥氏体钢焊丝以质量百分比计，Cr含量为22％～26％，Ni含量为12％～14％，Mo含量为2.0％～3.5％，Nb含量为0.5％～1.0％，余量为钢，焊丝直径为1.6～3.0mm。

3.如权利要求1所述的铁铝金属间化合物与钢的脉冲熔焊方法，其特征是，所述的Cr25Ni13Mo2Nb奥氏体钢焊丝在施焊前，焊丝用碱洗法清洗，清理后的焊丝应在12h内使用。

4.如权利要求3所述的铁铝金属间化合物与钢的脉冲熔焊方法，其特征是，所述碱洗法清洗步骤是，先用丙酮除去焊丝表面油污，再以体积百分比为15％的NaOH溶液，在25℃±5℃条件下，清洗10min～15min，之后用清水冲洗，然后在40℃～60℃条件下烘干。

5.如权利要求1所述的铁铝金属间化合物与钢的脉冲熔焊方法，其特征是，所述脉冲钨极氩弧焊的焊接中，铁铝金属间化合物与碳钢或不锈钢对接接头开60°的单面V形坡口，用手动砂轮、铣刀或自转式坡口机加工；当对接板材厚度差小于或等于4mm时，可以直接进行焊接；当厚度差大于4mm时，对较厚一侧板材应以15°斜角过渡削薄到较薄板一侧。

6.如权利要求1所述的铁铝金属间化合物与钢的脉冲熔焊方法，其特征是，所述脉冲钨极氩弧焊的焊接中，采用高频脉冲引弧，引弧前先打开氩气，保持流通20s～30s以排除导气管内的空气，并用氩气流带走附着在导气管内壁上的水分；找准引弧点，在对接接头坡口上引燃电弧，电弧长度保持2mm～3mm；收弧时，为了防止产生弧坑裂纹和缩孔，收弧处要多填充焊丝，然后控制焊接电流逐渐延时衰减，断弧后氩气要继续流通5s～10s，以防止钨极氧化。

7.如权利要求1所述的铁铝金属间化合物与钢的脉冲熔焊方法，其特征是，所述脉冲钨极氩弧焊的焊接中，应注意保持焊枪、焊丝和焊件三者之间的空间位置，焊丝与焊件之间的夹角是10°～30°，焊枪与焊件之间的夹角是45°～90°。

8.如权利要求1所述的铁铝金属间化合物与钢的脉冲熔焊方法，其特征是，所述脉冲钨极氩弧焊的焊接中，冷却方式水冷。

9.如权利要求1所述的铁铝金属间化合物与钢的脉冲熔焊方法，其特征是，所述脉冲钨极氩弧焊的焊接中，采用快送和少加焊丝的填丝方法，焊丝端部要始终处于氩气的保护范围之内，防止形成氧化膜和熔合不良。