CN102500906A - 一种异质奥氏体不锈钢板材的焊接方法 - Google Patents

一种异质奥氏体不锈钢板材的焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及异种钢焊接领域，具体地说是一种单相奥氏体不锈钢(HR-2)与沉淀强化奥氏体不锈钢(J75)异质板材(厚度2.0～5.0mm)的真空电子束焊接方法。本发明的HR-2与J75不锈钢异质板材真空电子束焊接方法，采用母材焊前处理→真空焊接室内装夹固定→焊接室抽真空→定位焊接→电子束单循环焊接(电子束采用偏转扫描)→焊后电子束散焦扫描焊缝的工艺路线。采用本发明焊接的HR-2和J75异种金属接头，接头中无气孔、夹杂缺陷，且在焊接熔池及J75合金一侧的热影响区无贫γ′区形成；本发明方法焊接的HR-2与J75不锈钢异质板材接头表面成形好，接头强度高于680～700MPa，与HR-2不锈钢的强度系数可达0.9以上。

Description

一种异质奥氏体不锈钢板材的焊接方法
技术领域
本发明涉及异种钢焊接领域，具体地说是一种单相奥氏体不锈钢(HR-2)与沉淀强化奥氏体不锈钢(J75)异质板材(厚度2.0～5.0mm)的真空电子束焊接方法。
背景技术
HR-2是单相奥氏体不锈钢，钢中除主元素Fe、Cr、Ni、Mn外，还添加0.2～0.34wt.％的固溶强化元素N。该不锈钢通常在固溶状态下使用，其屈服强度(σ0.2)≥350～400MPa、抗拉强度≥650～700MPa、延伸率≥45～55％、断面收缩率≥60～70％。J75是沉淀强化奥氏体不锈钢，通常在时效状态下使用，钢中除主元素Fe、Cr、Ni、Mo外，还添加了约2wt.％Ti和约0.3wt.％Al，时效过程中会析出的与基体具有共格关系的强化相γ′-Ni3(Al，Ti)，从而使不锈钢获得高强度和良好塑性匹配，其屈服强度(σ0.2)≥690～750MPa、抗拉强度≥980～1050MPa、延伸率≥22～25％、断面收缩率≥35～50％。
在航空、航天、化工及能源领域作为结构材料使用时，不可避免的遇到HR-2与J75不锈钢的连接问题。应提到的是，采用普通的熔化焊(如钨极氩弧焊)方法，由于其热输入大，接头的热影响区会很大，这会使J75不锈钢中析出的强化相γ′-Ni3(Al，Ti)回溶，在热影响区形成明显的贫γ′区，显著降低接头强度；同时，也易于在接头中形成刀状腐蚀等缺陷。此外，由于HR-2中含N，易于在接头金属凝固时易形成气孔缺陷，造成接头性能下降，不能满足与HR-2接头等强的要求。电子束焊接属于高能束流焊接的一种，由于具有热输入小、能量集中、焊深焊宽比大、不需填充金属和坡口，同时造成材料热影响区小等优点，已经在诸多领域的材料和构件连接上获得了应用。选用电子束焊接进行HR-2与J75不锈钢的异质材料连接，可防接头中刀状腐蚀等缺陷的形成，有利于改善接头性能。但仍会在J75合金一侧形成一定的热影响区，从而致使强化相γ′-Ni3(Al，Ti)回溶，在形成一定的贫γ′区，降低接头强度。同时，抑制接头中氮气孔的形成依然不容忽视。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单相奥氏体不锈钢(HR-2)与沉淀强化奥氏体不锈钢(J75)异质板材(厚度2.0～5.0mm)的真空电子束焊接方法，解决现有技术中存在的接头形成贫γ′区、易于造成氮气孔及接头强度低于单相HR-2不锈钢强度的问题。
本发明的技术方案是：
一种单相奥氏体不锈钢(HR-2)与沉淀强化奥氏体不锈钢(J75)异质板材的真空电子束焊接方法，其中HR-2不锈钢板材与J75不锈钢板材的厚度范围为2.0～5.0mm。
本发明的HR-2与J75不锈钢异质板材电子束焊接方法，采用：母材焊前处理→真空焊接室内装夹固定→焊接室抽真空→定位焊接→电子束单循环焊接(电子束采用偏转扫描)→焊后电子束散焦扫描焊缝的工艺路线。通过焊前处理，一方面可使母材对接紧密，防止焊缝凹陷；另一方面可去除母材表面的污渍，防止接头中的气孔和夹杂生成；通过焊缝前、中、后三点定位焊，防止焊接过程中母材错动；通过焊后电子束散焦焊缝扫描，使熔池和热影响区短时升温，以析出适量的γ′强化相，有效提高接头强度，具体步骤如下：
(1)HR-2不锈钢板与J75不锈钢板材对接面采用磨光处理，表面粗糙度为Ra0.8～3.2μm；
(2)将步骤(1)中磨光处理后的母材进行去污处理，处理时首先选用石油醚除油，随后采用酒精擦洗，该去污处理需在焊前10分钟～3小时内进行；
(3)将步骤(2)处理后的HR-2不锈钢板与J75不锈钢在焊接室内装夹固定，对接面采用紧配合并保持二块母材水平放置；
(4)关闭真空焊接室并抽真空，焊接时真空度为1×10-3Pa～6×10-2Pa；
(5)待焊接室达到步骤(4)所要求的真空度时，先进行焊缝的定位焊，定位焊采用点定位，位置分别在焊缝的前、中、后三处，定位焊工艺参数为：加速电压40～60KV，焊接电流1～4mA，聚焦电流1.8～2.5A，时间0.5～2s；
(6)将经步骤(5)定位焊后的板材进行正式焊接，焊接采用单循环焊接方式，焊接工艺参数为：加速电压40～60KV，焊接电流18～30mA，聚焦电流1.8～2.5A，电子束偏转振幅0.5～0.8mm，频率270～350Hz，焊接速度0.5～1.5m/min；
(7)步骤(6)完成后，保持焊板装夹位置不动，采用电子束对焊缝进行散焦扫描，扫描工艺参数为：加速电压40～60KV，扫描电流8～25mA，聚焦电流1.2～2.0A，扫描速度0.5～1.5m/min，扫描次数10～20次。
本发明中，采用的真空电子束焊机为中压真空电子束焊机。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明将HR-2不锈钢板与J75不锈钢板材对接面进行磨光处理，同时在装配时采用紧配合并在焊接前进行定位焊，可有效控制焊接变形并防止焊缝表面金属凹陷缺陷的产生。
2、本发明在焊接过程施加了电子束自身的偏转扫描，一方面增加熔池金属流动、减小熔池金属偏析；另一方面也可有利于熔池中形成氮气浮出表面，减小接头中气孔缺陷的形成。
3、本发明中在焊后进行焊缝的电子束散焦扫描，可促使熔池及J75合金一侧的热影响区中析出适宜数量γ′强化相，消除其在焊接过程中形成的贫γ′区，显著提高接头强度。
4、采用本发明焊接的HR-2和J75异种金属接头，接头中无气孔、夹杂缺陷，且在焊接熔池及J75合金一侧的热影响区无贫γ′区形成；本发明方法焊接的HR-2不锈钢板与J75不锈钢异质板材接头表面成形好，接头强度高于680～700MPa，与母材(HR-2不锈钢)的强度系数可达0.9以上。
附图说明
图1(a)-图1(b)为HR-2与J75不锈钢异质板材接头微观组织图；其中，图1(a)接头横截面金相图；图1(b)J75母材与焊缝截面扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1：规格220(长)×80(宽)×3.2mm(厚)的HR-2不锈钢板与J75不锈钢板材的真空电子束焊接
具体实施过程为：
1、HR-2不锈钢板与J75不锈钢板材坯料皆为热轧板材，二种热轧板材的化学成分和力学性能满足GJB 5724-2006《抗氢钢棒规范》的要求。HR-2板材经1050℃/1h，水淬处理，J75板材经980℃/1h，水淬+740℃/8h，空冷处理，二种不锈钢板材力学性能如表1所示。热处理后的板材经机加工后至2.0～5.0mm(本实施例为3.2mm)，长度方向上采用磨床加工至粗糙度Ra1.0μm。
2、将步骤1中磨光处理后的母材进行去污处理，处理时首先选用石油醚除油，随后采用酒精擦洗，该去污处理需在焊前10分钟内进行；
3、将步骤2处理后的HR-2不锈钢板与J75不锈钢在焊接室内装夹固定，对接面采用紧配合并保持二块母材水平放置；
4、关闭真空焊接室并抽真空，焊接时真空度6×10-2Pa；
5、待焊接室达到步骤4所要求的真空度时，先进行焊缝的定位焊，定位焊采用点定位，位置分别在焊缝的前、中、后三处，定位焊工艺参数为：加速电压40～60KV(本实施例为50KV)，焊接电流1～4mA(本实施例为2mA)，聚焦电流1.8～2.5A(本实施例为2.325A)，时间0.5～2s(本实施例为1s)；
6、将经步骤5定位焊后的板材进行正式焊接，焊接采用单循环焊接方式，焊接工艺参数为：加速电压40～60KV(本实施例为50KV)，焊接电流18～30mA(本实施例为23mA)，聚焦电流1.8～2.5A(本实施例为2.325A)，电子束偏转振幅0.5～0.8mm(本实施例为0.6mm)，频率270～350Hz(本实施例为300Hz)，焊接速度0.5～1.5m/min(本实施例为1m/min)；
7、步骤6完成后，保持焊板装夹位置不动，采用电子束对焊缝进行散焦扫描，扫描工艺参数为：加速电压40～60KV(本实施例为50KV)，扫描电流8～25mA(本实施例为10MA)，聚焦电流1.2～2.0A(本实施例为1.825A)，扫描速度0.5～1.5m/min(本实施例为1.5m/min)，扫描次数10～20次(本实施例为12次)。
8、步骤7完成后，按JB/T4730.2-2005，《承压设备无损检测第2部分射线检测》进行焊接接头x射线检测，结果表明接头无气孔、夹杂等缺陷生成。
9、截取按步骤7处理的焊接接头横截面试样进行微观组织分析，结果显示焊接接头无裂纹等缺陷生成，具体见图1(a)-(b)。将按步骤7处理的异种合金接头按GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行力学性能测试，结果见表2。
表1J75与HR-2板材力学性能
Figure BDA0000105551490000051
表2J75/HR-2焊接接头力学性能
Figure BDA0000105551490000052
实验结果表明，本实施例焊接的板厚为3.2mm的HR-2与J75不锈钢异质接头无任何缺陷产生，且抗拉强度不低于680MPa，与母材HR-2的强度系数可达0.91以上。从而，可以看出采用本发明方法焊接的HR-2与J75不锈钢异质接头具有较高强度、接近与HR-2等强的要求。
实施例2：规格220(长)×80(宽)×4.5mm(厚)的HR-2不锈钢板与J75不锈钢板材的真空电子束焊接
与实施例1不同之处在于，所焊接的J75与HR-2板材厚度均为4.5mm，相应调整了焊接工艺参数与焊后电子束扫描次数。
采用与实施例1经相同热处理的HR-2不锈钢板与J75不锈钢板材坯料，热处理后机加工至4.5mm厚，长度方向上采用磨床加工至粗糙度为Ra1.2μm；焊前20分钟选用石油醚除油，并用酒精擦洗磨光处理后的母材；随后采用对接、紧配合方式将HR-2不锈钢板与J75不锈钢在焊接室内装夹固定，并保持二块母材水平放置；关闭真空焊接室并将真空度抽至5×10-2Pa后进行焊缝的定位焊，定位焊采用点定位，位置分别在焊缝的前、中、后三处，定位焊工艺参数为：加速电压60KV，焊接电流1mA，聚焦电流2.335A，时间1s；采用单循环方式进行正式焊接，焊接工艺参数为：加速电压60KV，焊接电流24.5mA，聚焦电流为2.335A，电子束偏转振幅0.6mm，频率300Hz，焊接速度1m/min；采用加速电压50KV，扫描电流11mA，聚焦电流1.835A，扫描速度1.5m/min对焊缝进行散焦扫描，扫描次数15次。按JB/T4730.2-2005，《承压设备无损检测第2部分射线检测》进行焊接接头x射线检测，结果表明接头无气孔、夹杂等缺陷生成；截取异种合金接头试样，按GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行力学性能测试，结果见表3。
表3J75/HR-2焊接接头力学性能
Figure BDA0000105551490000061
实验结果表明，本实施例焊接的板厚为4.5mm的HR-2与J75不锈钢异质接头无气孔、夹杂等缺陷产生，且抗拉强度不低于690MPa，与母材HR-2的强度系数可达0.93以上。从而，可以看出采用本发明方法焊接的HR-2与J75不锈钢异质接头具较高有高强度、接近与HR-2板材等强的要求。
实施例3：规格220(长)×80(宽)×2.5mm(厚)的HR-2不锈钢板与J75不锈钢板材的真空电子束焊接
与实施例1不同之处在于，所焊接的J75与HR-2板材厚度均为2.5mm，相应调整了焊接工艺参数与焊后电子束扫描次数。
采用与实施例1经相同热处理的HR-2不锈钢板与J75不锈钢板材坯料，热处理后机加工至2.5mm厚，长度方向上采用磨床加工至粗糙度为Ra1.2μm；焊前10分钟选用石油醚除油，并用酒精擦洗磨光处理后的母材；随后采用对接、紧配合方式将HR-2不锈钢板与J75不锈钢在焊接室内装夹固定，并保持二块母材水平放置；关闭真空焊接室并将真空度抽至1×10-2Pa后进行焊缝的定位焊，定位焊采用点定位，位置分别在焊缝的前、中、后三处，定位焊工艺参数为：加速电压45KV，焊接电流1.5mA)，聚焦电流2.315A，时间1s；采用单循环方式进行正式焊接，焊接工艺参数为：加速电压45KV，焊接电流21mA，聚焦电流为2.315A，电子束偏转振幅0.6mm，频率300Hz，焊接速度0.8m/min；采用加速电压45KV，扫描电流12mA，聚焦电流1.815A，扫描速度1.5m/min对焊缝进行散焦扫描，扫描次数10次。按JB/T4730.2-2005，《承压设备无损检测第2部分射线检测》进行焊接接头x射线检测，结果表明接头无气孔、夹杂等缺陷产生；截取异种合金接头试样，按GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行力学性能测试，结果见表4。
表4J75/HR-2焊接接头力学性能
Figure BDA0000105551490000071
实验结果表明，本实施例焊接的板厚为2.5mm的HR-2与J75不锈钢异质接头无气孔、夹杂等缺陷生成，且抗拉强度不低于685MPa，与母材HR-2的强度系数可达0.92。从而，可以看出采用本发明方法焊接的HR-2与J75不锈钢异质接头具较高有高强度、接近与HR-2板材等强的要求。
结果表明，采用本发明技术方案的工艺参数范围内，均可实现本发明目的，所焊接的HR-2与J75不锈钢异质接头无气孔、夹杂等缺陷生成，且抗拉强度680～700MPa，可接近与HR-2不锈钢板材等强的目的。

Claims (5)

1.一种异质奥氏体不锈钢板材的焊接方法，其特征在于，异质奥氏体不锈钢为单相奥氏体不锈钢与沉淀强化奥氏体不锈钢，包括如下步骤：
(1)单相奥氏体不锈钢板与沉淀强化奥氏体不锈钢板对接面采用磨光处理，表面粗糙度为Ra0.8～3.2μm；
(2)将步骤(1)中磨光处理后的母材进行去污处理，处理时首先选用石油醚除油，随后采用酒精擦洗，该去污处理需在焊前10分钟～3小时内进行；
(3)将步骤(2)处理后的单相奥氏体不锈钢板与沉淀强化奥氏体不锈钢板在焊接室内装夹固定，对接面采用紧配合并保持二块母材水平放置；
(4)关闭真空焊接室并抽真空，焊接时真空度为1×10-3Pa～6×10-2Pa；
(5)待焊接室达到步骤(4)所要求的真空度时，先进行焊缝的定位焊，定位焊采用点定位，位置分别在焊缝的前、中、后三处，定位焊工艺参数为：加速电压40～60KV，焊接电流1～4mA，聚焦电流1.8～2.5A，时间0.5～2s；
(6)将经步骤(5)定位焊后的焊板进行正式焊接，焊接采用单循环焊接方式，焊接工艺参数为：加速电压40～60KV，焊接电流18～30mA，聚焦电流1.8～2.5A，电子束偏转振幅0.5～0.8mm，频率270～350Hz，焊接速度0.5～1.5m/min；
(7)步骤(6)完成后，保持焊板装卡位置不动，采用电子束对焊缝进行散焦扫描，扫描工艺参数为：加速电压40～60KV，扫描电流8～25mA，聚焦电流1.2～2.0A，扫描速度0.5～1.5m/min，扫描次数10～20次。
2.按照权利要求1所述的异质奥氏体不锈钢板材的焊接方法，其特征在于，焊接采用真空电子束焊机。
3.按照权利要求1所述的异质奥氏体不锈钢板材的焊接方法，其特征在于，真空电子束焊机为中压电子束焊机。
4.按照权利要求1所述的异质奥氏体不锈钢板材的焊接方法，其特征在于，单相奥氏体不锈钢板与沉淀强化奥氏体不锈钢板的厚度范围分别为2.0～5.0mm。
5.按照权利要求1所述的异质奥氏体不锈钢板材的焊接方法，其特征在于，单相奥氏体不锈钢的牌号为HR-2，沉淀强化奥氏体不锈钢的牌号为J75。
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