CN101774070B

CN101774070B - 耐热铸造合金与奥氏体不锈钢的微束等离子弧焊接

Info

Publication number: CN101774070B
Application number: CN2009102565674A
Authority: CN
Inventors: 李亚江; 王娟; 吴娜
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2029-12-30
Also published as: CN101774070A

Abstract

本发明公开了一种耐热铸造合金与奥氏体钢异种金属的微束等离子弧焊接方法，即采用微束等离子弧焊接技术，配合适当工艺装备，通过严格控制焊接工艺参数，实现耐热铸造合金与奥氏体不锈钢的快速焊接，特别适用于耐热铸造合金与不锈钢厚度差很大的场合。本发明扩大了耐热铸造合金与奥氏体不锈钢异种结构件的应用范围，焊接质量稳定可靠，有效提高了焊接生产效率。与钨极氩弧焊工艺相比，生产效率提高2倍以上。

Description

耐热铸造合金与奥氏体不锈钢的微束等离子弧焊接

技术领域

本发明涉及一种耐热铸造合金与奥氏体不锈钢的快速焊接工艺，尤其涉及一种耐热铸造合金与奥氏体钢异种金属微束等离子弧焊接方法，特别适于薄板、管件的焊接，属于材料焊接技术领域。

背景技术

本发明中所述的耐热合金是通过添加Ni、Cr合金元素铸造而成的，具有良好的抗热冲击、抗蠕变、耐高温氧化和抗腐蚀性，广泛用于化工设备、发动机、压缩机等机械结构件。由于这种耐热合金在室温及高温下有良好的抗冲击性和抗磨损性能，与奥氏体不锈钢焊接形成的异种金属结构扩大了其应用范围，可应用于石油化工、能源工程、航空航天、交通运输及冶金机械等领域，具有很好的应用前景。

采用耐热铸造合金与不锈钢异种材料制造焊接结构，可以节约大量的优质贵重材料，充分发挥不同材料的性能优势。例如日本在发动机排气歧管制造中，采用球墨铸铁与不锈钢焊接在一起，这样可以有效利用不锈钢的耐热性和球墨铸铁耐磨性的特点，提高发动机性能和使用寿命。

目前国内外对耐热铸造合金的研制主要集中在合金成分、铸造工艺、机械加工等方面，对其焊接工艺研究较少，特别是针对耐热铸造合金与不锈钢的焊接涉及得更少。对于耐热铸造合金焊接一般采用同质或异质焊接材料，通过焊条电弧焊和气体保护焊方法进行焊接。由于耐热铸造合金与不锈钢的组织结构、热物理性能差异很大，焊接性较差，焊接时存在很多问题，例如两种材料的线膨胀系数不同，易引起热应力，使接头区产生裂纹；特别是较厚的铸造合金与很薄的不锈钢(0.5mm～1.0mm)焊接在一起难度更大。因此，针对线膨胀系数和厚度差别很大的耐热铸造合金与不锈钢异种材料，若能在焊接工艺上实现其可靠地连接，对扩大其应用将有重要的意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种耐热铸造合金与奥氏体不锈钢异种金属之间的微束等离子弧焊接方法。即采用微束等离子弧焊接技术，配合适当工艺装备，通过严格控制焊接工艺参数，实现耐热铸造合金与奥氏体不锈钢的快速焊接，扩大耐热铸造合金与奥氏体不锈钢异种结构件的应用范围。

本发明所述的耐热铸造合金与奥氏体钢异种金属微束等离子弧焊接方法，步骤是：

(1)焊前先采用丙酮或酒精对耐热铸造合金与奥氏体不锈钢工件接头处表面进行清理，除去表面的油污或锈蚀，待用；

(2)用非磁性材料制造的装配夹具对接并固定上述耐热铸造合金与奥氏体不锈钢工件接头，且使对接缝不留间隙，待焊；

上述装配夹具的尺寸要求精密可靠，装卸方便，焊缝周围的夹具件要用非磁性材料制造，防止焊接时微束等离子弧产生偏吹。特别是较薄的不锈钢一侧应压紧，对接缝不留间隙。

(3)以焊接电流10A～21A，焊接电压24V～25V，焊接速度120cm/min～300cm/min，离子气流量0.25L/min～0.60L/min，保护气流量6L/min～12L/min的焊接参数，采用直径0.5mm～1.0mm铈钨电极对步骤(2)所述工件接头处的对接缝实施微束等离子弧焊接；其中，在焊接运动中焊枪稍向前倾，并保持与焊件之间的夹角为80°～90°；对于平直焊缝，保持工件不动(装配定位)，焊枪直线运动；对于环形焊缝，保持焊枪不动，工件转动，实现环缝焊接。

其中：步骤(1)所述耐热铸造合金的化学成分以质量百分数计为：C 2％～3％，Si1.0％～3.0％，Mn 0.5％～1.5％，Cr≤2.5％，Ni 13％～18％，Cu 5％～8％，S≤0.1％，P≤0.2％，其余为Fe；耐热铸造合金的抗拉强度≥170MPa，抗弯强度≥388MPa，硬度120HBS～160HBS；板厚6mm～12mm。

其中：步骤(1)所述奥氏体不锈钢的化学成分以质量百分数计为：C≤0.12％，Si≤1.0％，Mn≤2.0％，Cr 17％～19％，Ni 8％～10％，S≤0.03％，P≤0.035％，Ti 5×(C％0.02)-0.8％，其余为Fe；奥氏体不锈钢的屈服强度≥206MPa，抗拉强度≥520MPa，伸长率≥40％，硬度≤87HBS；板厚0.5mm～1.0mm。

上述耐热铸造合金与奥氏体钢异种金属微束等离子弧焊接方法中：步骤(1)所述对耐热铸造合金和奥氏体不锈钢工件接头处表面进行清理或采用质量百分数为8％～12％NaCO₃溶液，清理完毕后用冷风将工件清理面吹干，待用。

上述耐热铸造合金与奥氏体钢异种金属微束等离子弧焊接方法中：步骤(2)所述非磁性材料制造的装配夹具优选采用紫铜垫板。

上述耐热铸造合金与奥氏体钢异种金属微束等离子弧焊接方法中：步骤(3)所述离子气或保护气均采用纯度为99.999％的高纯氩。

上述耐热铸造合金与奥氏体钢异种金属微束等离子弧焊接方法中：步骤(3)所述铈钨电极的电极尖端优选磨成10°～15°的圆锥角。

上述耐热铸造合金与奥氏体钢异种金属微束等离子弧焊接方法中：步骤(3)所述焊接中微束等离子弧中心应与待焊焊缝对中，并稍偏向较厚的铸造合金一侧，防止焊偏或产生咬边；焊接中电弧熄灭或焊接结束熄弧时，焊枪要在原处停留4s～8s，并使保护气体继续保护高温的焊缝，以防氧化。

本发明的实施方案是用一种小电流熔入型微束等离子弧焊接工艺，采用孔径0.6mm～1.0mm的小孔径压缩喷嘴及联合型电弧。焊接时一个是燃烧于电极与喷嘴之间的非转移弧，用于引弧和维弧，使转移弧在电流小至0.3A时仍非常稳定；另一个是燃烧于电极与焊件之间的转移弧，用于熔化工件进行快速焊接。这种工艺具有能量集中、焊接速度快、电弧稳定性好、热影响区小等特点，用来焊接厚度差较大的耐热铸造合金与不锈钢薄板时，可获得的焊接接头性能良好，外观光洁、无裂纹、无咬边等缺陷的焊接接头，满足耐热铸造合金与奥氏体不锈钢异种金属焊接件的使用要求，而且能大大提高焊接生产效率。与钨极氩弧焊工艺相比，生产效率提高2倍以上。

具体实施方式

实施例1：

采用微束等离子弧焊接方法，对厚度12mm耐热铸造合金与厚度0.8mm不锈钢进行焊接。耐热铸造合金长度120mm、宽度40mm，奥氏体不锈钢长度120mm，宽度60mm.

焊前先用丙酮或酒精将工件接头处表面的油污去除，在环境温度15℃以上的条件下直接进行焊接。焊接工艺参数为：焊接电流15A～20A、焊接电压24V，焊接速度150cm/min～180cm/min；离子气流量0.45L/min～0.55L/min，保护气流量8L/min～12L/min，离子气和保护气均采用99.999％的高纯氩。采用直径1.0mm的铈钨电极。

焊接过程中，工件保持不动，焊枪直线运动，保持焊枪铈钨电极与焊缝水平板之间成85°角，微束等离子弧始终处于保护气体(Ar)之中，微弧中心稍偏向铸造合金一侧，整条焊缝一次连续焊接完成。焊接结束时通过电流衰减逐渐熄灭电弧，滞后5s以后自动关闭保护气流开关。

实施例2：

采用本发明技术将厚度0.6mm、内径60mm的奥氏体不锈钢圆筒，焊接在厚度8mm、直径60mm的耐热铸造合金圆形底板上。焊前先用丙酮或酒精对两种母材待焊处进行清洗，去掉油污，用工装夹具夹紧待焊件后调整好位置，即可实施焊接。

在环境温度20℃的条件下利用旋转工装直接进行焊接，微束等离子弧焊枪保持不动，工件旋转实现焊接。焊接工艺参数为：焊接电流12A～16A、焊接电压24V，焊接速度220cm/min～260cmm/min；离子气流量0.30L/min～0.45L/min，保护气流量6L/min～11L/min，离子气和保护气均采用99.999％的高纯氩。采用直径0.5mm的铈钨电极。

焊接过程中，工件旋转(旋转速度与焊接速度同步)，焊枪保持不动，保持微束等离子弧中心稍偏向耐热铸造合金底板一侧，微束等离子弧始终处于保护气(Ar)保护中，整条环形焊缝一次连续完成。环缝焊接结束时，通过电流衰减逐渐熄灭电弧，滞后6s以后断开保护气流。

实施例3：

耐热铸造合金的化学成分以质量百分数计为：C 2％～3％，Si 1.0％～3.0％，Mn0.5％～1.5％，Cr≤2.5％，Ni 13％～18％，Cu 5％～8％，S≤0.1％，P≤0.2％，其余为Fe；耐热铸造合金的抗拉强度≥170MPa，抗弯强度≥388MPa，硬度120～160HBS；板厚12mm。

奥氏体不锈钢的化学成分以质量百分数计为：C≤0.12％，Si≤1.0％，Mn≤2.0％，Cr 17％～19％，Ni 8％～10％，S≤0.03％，P≤0.035％，Ti 5×(C％0.02)-0.8％，其余为Fe；奥氏体不锈钢的屈服强度≥206MPa，抗拉强度≥520MPa，伸长率≥40％，硬度≤87HBS；板厚1.0mm。

(1)焊前先采用质量百分数为8％～12％NaCO₃溶液对耐热铸造合金与奥氏体不锈钢工件接头处表面进行清理，除去表面的油污或锈蚀，清理完毕后用冷风将清理面吹干，待用；

(2)用紫铜制装配夹具对接并固定上述耐热铸造合金与奥氏体不锈钢工件接头，且使对接缝不留间隙，待焊；

(3)以焊接电流10A～11A，焊接电压25V，焊接速度200cm/min～250cm/min，离子气流量0.45L/min～0.50L/min，保护气流量8L/min～9L/min的焊接参数，采用直径0.8mm铈钨电极对步骤(2)所述工件接头处的对接缝实施微束等离子弧焊接；其中，在焊接运动中焊枪稍向前倾，并保持与焊件之间的夹角为80°～90°；对于平直焊缝，保持工件不动，焊枪直线运动；对于环形焊缝，保持焊枪不动，工件转动，实现环缝焊接。

上述离子气或保护气采用纯度为99.999％的高纯氩。

上述铈钨电极的电极尖端磨成10°～15°的圆锥角。

上述焊接中微束等离子弧中心应与待焊焊缝对中，并稍偏向较厚的耐热铸造合金一侧，防止焊偏或产生咬边；焊接中电弧熄灭或焊接结束熄弧时，焊枪要在原处停留7s，并使保护气体继续保护高温的焊缝，以防氧化。

Claims

1.一种耐热铸造合金与奥氏体不锈钢的微束等离子弧焊接方法，步骤是：

(3)以焊接电流10A～21A，焊接电压24V～25V，焊接速度120cm/min～300cm/min，离子气流量0.25L/min～0.60L/min，保护气流量6L/min～12L/min的焊接参数，采用直径0.5mm～1.0mm铈钨电极对步骤(2)所述工件接头处的对接缝实施微束等离子弧焊接；其中，在焊接运动中焊枪稍向前倾，并保持与焊件之间的夹角为80°～90°；对于平直焊缝，保持工件不动，焊枪直线运动；对于环形焊缝，保持焊枪不动，工件转动，实现环缝焊接。

2.如权利要求1所述耐热铸造合金与奥氏体不锈钢的微束等离子弧焊接方法，其特征是：步骤(1)所述耐热铸造合金的化学成分以质量百分数计为：C 2％～3％，Si 1.0％～3.0％，Mn 0.5％～1.5％，Cr≤2.5％，Ni 13％～18％，Cu 5％～8％，S≤0.1％，P≤0.2％，其余为Fe；耐热铸造合金的抗拉强度≥170MPa，抗弯强度≥388MPa，硬度120HBS～160HBS；板厚6mm～12mm。

3.如权利要求1所述耐热铸造合金与奥氏体不锈钢的微束等离子弧焊接方法，其特征是：步骤(1)所述奥氏体不锈钢的化学成分以质量百分数计为：C≤0.12％，Si≤1.0％，Mn≤2.0％，Cr 17％～19％，Ni 8％～10％，S≤0.03％，P≤0.035％，Ti 5×(C％0.02)-0.8％，其余为Fe；奥氏体不锈钢的屈服强度≥206MPa，抗拉强度≥520MPa，伸长率≥40％，硬度≤87HBS；板厚0.5mm～1.0mm。

4.如权利要求1所述耐热铸造合金与奥氏体不锈钢的微束等离子弧焊接方法，其特征是：步骤(1)所述清理或采用质量百分数为8％～12％NaCO₃溶液对耐热铸造合金和奥氏体不锈钢工件接头处表面进行清理，清理完毕后用冷风将工件清理面吹干，待用。

5.如权利要求1所述耐热铸造合金与奥氏体不锈钢的微束等离子弧焊接方法，其特征是：步骤(2)所述非磁性材料制造的装配夹具是紫铜垫板。

6.如权利要求1所述耐热铸造合金与奥氏体不锈钢的微束等离子弧焊接方法，其特征是：步骤(3)所述离子气或保护气均采用纯度为99.999％的高纯氩。

7.如权利要求1所述耐热铸造合金与奥氏体不锈钢的微束等离子弧焊接方法，其特征是：步骤(3)所述铈钨电极的电极尖端磨成10°～15°的圆锥角。

8.如权利要求1所述耐热铸造合金与奥氏体不锈钢的微束等离子弧焊接方法，其特征是：步骤(3)所述焊接中微束等离子弧中心应与待焊焊缝对中，并稍偏向较厚的铸造合金一侧，防止焊偏或产生咬边；焊接中电弧熄灭或焊接结束熄弧时，焊枪要在原处停留4s～8s，并使保护气体继续保护高温的焊缝，以防氧化。