CN103231160B

CN103231160B - 以Fe-Cr-Ni合金为填充材料的铁铝基合金与不锈钢的熔焊工艺

Info

Publication number: CN103231160B
Application number: CN201310117785.6A
Authority: CN
Inventors: 李亚江; 王娟; 张永兰
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2013-04-07
Filing date: 2013-04-07
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2033-04-07
Also published as: CN103231160A

Abstract

本发明公开了一种以Fe-Cr-Ni合金为填充材料的铁铝基合金与不锈钢的熔焊工艺，包括以下步骤：1）将待焊铁铝基合金板材工件与不锈钢板材工件表面经过机械加工，去除待焊工件表面的氧化膜、油污和锈蚀；2）将铁铝基合金板材工件与不锈钢板材工件装配成对接接头，在室温不预热条件下电弧焊，电弧焊采用填充材料镍基焊条打底焊、超低碳Cr25Ni13Mo2不锈钢焊条盖面焊；所述步骤2）采用直流逆变电弧焊机施焊，适应范围广，能够实现在室温条件下获得无裂纹、结合强度较高的铁铝基合金与不锈钢的焊条电弧焊，采用这种方法获得的焊接接头的抗拉强度达到720MPa，能够满足铁铝基合金与不锈钢熔焊接头在耐磨、耐腐蚀场合中的使用要求。

Description

以Fe-Cr-Ni合金为填充材料的铁铝基合金与不锈钢的熔焊工艺

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及异种金属的焊接方法，尤其涉及一种以Fe-Cr-Ni合金为填充材料的铁铝基合金与不锈钢的熔焊工艺。

背景技术

铁铝基合金具有高的高温比强度、比刚度，以及优异的抗高温氧化、硫化和耐腐蚀性能，而且其比重低，使用成本相对低廉，在石油化工及能源、电力行业等领域有广阔的发展前景，是极具应用潜力的耐磨、耐热和耐腐蚀的结构材料。焊接作为结构材料制造的重要手段，是铁铝基合金推广应用的关键工艺，但是铁铝基合金的脆性大、焊接性差，熔焊时容易产生热裂纹及冷裂纹。尽管铁铝基合金的焊接难度很大，但是由于工程结构上的迫切需求，许多研究者作出了很大努力，取得了一些重要的成果。目前针对铁铝基合金采用的焊接方法主要有电子束焊、钨极氩弧焊、真空扩散焊、钎焊等，但离工业化大规模应用仍有相当距离。

现有技术的铁铝基合金薄板焊接时，采用高能量密度的焊接方法（如电子束焊）在较低的焊速下可以获得满意的焊接接头。对于中厚板，大多采取较高温度的焊前预热及焊后热处理工艺且严格控制工艺参数才能获得无裂纹的焊接接头。而采用真空扩散焊、钎焊等虽然能够获得界面结合紧密的接头，但在高温、高压、长时间保温的条件下，会造成接头区组织粗化，导致接头力学性能降低，且由于设备昂贵（如真空扩散焊）及工件尺寸受到限制等因素而无法满足大批量工业化应用的要求。如果通过优化焊接填充材料，实现铁铝基合金与不锈钢的不预热无裂纹焊接，将大大推进铁铝基合金作为高温结构材料的应用。

现有技术中有的采用中低碳Cr-Mo钢焊丝作填充材料进行铁铝基合金的焊接，焊后经350℃～500℃保温1～2小时并随炉冷却至室温。采用Cr-Mo钢焊丝或焊条作填充材料虽然能保证焊接接头的力学性能，但由于Cr含量较低（0.5%～2.0%，质量百分数），焊缝金属的耐热和耐腐蚀性较差，在热、酸性环境中容易在焊缝处失效。采用本发明提出的焊接工艺和填充材料，能够满足铁铝基合金与不锈钢作为耐热结构件在耐磨、耐腐蚀性场合的使用要求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述的不足，提供一种以Fe-Cr-Ni合金为填充材料的铁铝基合金与不锈钢的熔焊工艺；适应范围广，能够实现在室温条件下获得无裂纹、结合强度较高的铁铝基合金与不锈钢的焊条电弧焊，采用这种方法获得的焊接接头的抗拉强度达到720MPa，能够满足铁铝基合金与不锈钢熔焊接头在耐磨、耐腐蚀场合中的使用要求。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

以Fe-Cr-Ni合金为填充材料的铁铝基合金与不锈钢的熔焊工艺，包括以下步骤：

1）将待焊铁铝基合金板材工件与不锈钢板材工件表面经过机械加工，去除待焊工件表面的氧化膜、油污和锈蚀；

2）将铁铝基合金板材工件与不锈钢板材工件装配成对接接头，在室温不预热条件下电弧焊，电弧焊采用填充材料镍基焊条打底焊，采用超低碳Cr25Ni13Mo2不锈钢焊条盖面焊。

所述步骤2）采用直流逆变电弧焊机施焊，焊条电弧焊工艺参数为：直流反极性，焊接电压24V，打底焊的焊接电流80A～100A，焊接热输入8kJ/cm～12kJ/cm；盖面焊的焊接电流90A～120A，焊接热输入10kJ/cm～15kJ/cm。

所述步骤2）镍基焊条型号为ENiCrMo-0，所述不锈钢焊条型号为E309MoL-16。

所述ENiCrMo-0镍基焊条化学成分的质量百分数为：C0.03%～0.05%，Cr13%～16%，Ni60%～75%，Mo2%～6%，Nb3%～5%，余为Fe。

所述E309MoL-16不锈钢焊条化学成分的质量百分数为：C0.02%～0.04%，Cr22%～25%，Ni12%～14%，Mo2%～4%，Mn0.5%～2.5%，Si0.6%～0.9%，Cu0.5%～0.7%，余为Fe。

所述步骤2）焊接过程中保持焊条与焊缝水平板之间的倾角保持在80°～85°，打底层焊条不摆动，保持直线短弧施焊。

所述步骤2）焊接结束时，填满弧坑后再熄灭电弧。

所述步骤2）在焊接厚度6～10mm尺寸的铁铝基合金和不锈钢板工件焊接前，将石棉板置于工件下面，焊后对工件接头处覆盖石棉板以缓慢冷却。

所述步骤2)焊接前将工件对接接头处打磨成约60°的V形坡口，钝边3mm。

本发明的工作原理：

本发明提出的采用镍基焊条（ENiCrMo-0）打底焊、超低碳Cr25Ni13Mo2不锈钢焊条（E309MoL-16）盖面焊是实现铁铝基合金与不锈钢室温不预热焊接的关键。铁铝基合金的焊接裂纹敏感性很强，应选用塑、韧性较好的焊条打底焊，但是并非韧性越好的合金就越适合作焊接材料，如纯镍焊条由于成分和相组成的差异，对铁铝基合金的焊接性产生不良影响。因此，在选择填充材料时不但要求填充合金本身具有良好的塑韧性，而且要含有能提高铁铝基合金塑、韧性的合金元素，以便在焊接过程中通过合金元素过渡的方式提高铁铝基合金熔焊接头熔合区的塑、韧性。

铁铝基合金与不锈钢焊接中加入Ni形成两相组织能改善焊缝根部的塑、韧性。本发明提出采用含有能增强铁铝基合金塑、韧性的合金元素Cr和Ni且本身具有良好塑、韧性的Fe-Cr-Ni合金系焊条作为铁铝基合金与不锈钢熔焊的填充材料。采用该发明进行铁铝基合金与不锈钢的焊接，可以大大简化焊接工艺过程，可操作性强。

铁铝基合金与钢熔焊时，在一定的焊接速度下，焊接电流太大或太小都容易引起焊接裂纹。电流较小时，由于焊接热输入较小，焊缝冷却速度快，特别是在流动的氩气作用下，焊缝的冷却速度更快，焊后即产生明显的宏观裂纹。焊接电流较大时，焊接热输入较大，熔池过热时间较长而导致焊缝组织严重粗化进而诱发裂纹的产生。只有焊接电流适中时，才能获得无裂纹的铁铝基合金与钢的焊接接头。

在焊接电流一定的条件下，随着焊接速度的增加，铁铝基合金与不锈钢焊缝的裂纹越来越严重。由于铁铝基合金本身具有较高的线胀系数和较低的热导率，使得在焊接速度较快的条件下，铁铝基合金焊缝、熔合区、热影响区之间的温度梯度很大，导致焊缝处产生较大的残余应力，易诱发焊接裂纹的产生。且由于焊接速度较快时导致接头熔深较小，造成接头的结合强度较低。因此，在不预热、不焊后热处理的条件下，针对铁铝基合金与不锈钢的焊接应采用较低的焊接速度，控制焊接热输入在8kJ/cm～12kJ/cm，才能避免焊缝根部裂纹的产生。

本发明的有益效果：

1.采用该发明对铁铝基合金与不锈钢工件进行焊接，简化焊接工艺过程，可操作性强。

2.本发明的焊接电流适中，能够获得无裂纹的铁铝基合金与钢的焊接接头。

3.本发明在不预热、不焊后热处理的条件下，针对铁铝基合金与不锈钢的焊接应采用较低的焊接速度，控制焊接热输入在8kJ/cm～12kJ/cm，避免焊缝根部裂纹的产生。

4.本发明用镍基焊条打底焊、Fe-Cr-Ni合金盖面焊的铁铝基合金与不锈钢的熔焊工艺，能够实现铁铝基合金和不锈钢的不预热无裂纹焊接，得到铁铝基合金与不锈钢对接接头的抗拉强度达到720MPa，能够可保证焊缝的力学性能和耐热、耐腐蚀性能，且无须焊前及焊后热处理，操作更加简单、实效，尤其适用于工业化生产中（如石化、炼油、电力等）耐热、抗腐蚀条件下铁铝基合金与不锈钢异种金属板材（厚度6mm～12mm）的焊接。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：对长度为180mm、宽度为110mm、厚度为10mm的铁铝基合金工件与铁素体不锈钢板材工件（2Cr13）的对接焊，采用直径为3.2mm的镍基焊条（ENiCrMo-0）打底焊、超低碳Cr25Ni13Mo2不锈钢焊条（E309MoL-16）盖面焊，工艺步骤为：

（1）用手动砂轮将铁铝基合金工件和铁素体不锈钢板材工件的接头处表面打磨至露出金属光泽，将工件对接接头处打磨成约60°的V形坡口，钝边3mm；

（2）镍基打底焊条（ENiCrMo-0）的化学成分的以质量百分比计为：C0.04%5%，Cr15%，Ni70%，Mo4%，Nb4，余为Fe；盖面层的Cr25Ni13Mo2超低碳不锈钢焊条（E309MoL-16）的化学成分的质量百分数为：C0.02%，Cr25%，Ni13%%，Mo3%，Mn1.5%，Si0.5%%，Cu0.6%，余为Fe。

（3）点焊工件并将石棉板置于对接试板下面，采用直流反极性进行焊接。焊接工艺参数为：直流反极性，焊接电压24V，打底焊的焊接电流85A，焊接热输入7kJ/cm～9kJ/cm；盖面焊的焊接电流105A，焊接热输入9kJ/cm～12kJ/cm。

（4）焊接过程中，保持焊条与焊缝水平板之间的倾角保持在80°～85°，焊条不摆动，打底层始终保持直线短弧施焊。盖面焊保持焊接速度稍慢些。焊接结束时，填满弧坑后再熄灭电弧。

（5）焊接过程中不断用石棉板覆盖刚焊好的焊缝，对整条焊接接头覆盖石棉板以缓慢冷却。

实施例2：对长度为160mm、宽度为100mm、厚度为6mm的铁铝基合金工件与奥氏体不锈钢板材（1Cr18Ni9Ti）工件的对接焊，采用直径为3.2mm的镍基焊条（ENiCrMo-0）打底焊、超低碳Cr25Ni13Mo2不锈钢焊条（E309MoL-16）盖面焊，工艺步骤为：

（1）用手动砂轮将铁铝基合金工件和1Cr18Ni9Ti不锈钢板材工件的工件接头处表面打磨至露出金属光泽，将工件对接接头处打磨成约60°的V形坡口，钝边3mm；

（3）点固工件并采用直流反极性进行焊接。焊接工艺参数为：直流反极性，焊接电压24V，打底焊的焊接电流85A，焊接热输入8kJ/cm～9kJ/cm；盖面焊的焊接电流110A，焊接热输入10kJ/cm～12kJ/cm。

（5）焊后对接头处覆盖石棉板以缓慢冷却。

上述虽然对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种以Fe-Cr-Ni合金为填充材料的铁铝基合金与不锈钢的熔焊工艺，其特征是，包括以下步骤：

1)将待焊铁铝基合金板材工件与不锈钢板材工件表面经过机械加工，去除待焊工件表面的氧化膜、油污和锈蚀；

2)将铁铝基合金板材工件与不锈钢板材工件装配成对接接头，在室温不预热条件下电弧焊，电弧焊采用填充材料镍基焊条打底焊、超低碳Cr25Ni13Mo2不锈钢焊条盖面焊；

所述步骤2)采用直流逆变电弧焊机施焊，焊条电弧焊工艺参数为：直流反极性，焊接电压24V，打底焊的焊接电流80A～100A，焊接热输入8kJ/cm～12kJ/cm；所述镍基焊条型号为ENiCrMo-0，所述不锈钢焊条型号为E309MoL-16；盖面焊的焊接电流90A～120A，焊接热输入10kJ/cm～15kJ/cm；

所述ENiCrMo-0镍基焊条化学成分的质量百分数为：C 0.03％～0.05％，Cr13％～16％，Ni 60％～75％，Mo 2％～6％，Nb 3％～5％，余为Fe；

所述E309MoL-16不锈钢焊条化学成分的质量百分数为：C 0.02％～0.04％，Cr 22％～25％，Ni 12％～14％，Mo 2％～4％，Mn 0.5％～2.5％，Si 0.6％～0.9％，Cu 0.5％～0.7％，余为Fe。

2.如权利要求1所述的以Fe-Cr-Ni合金为填充材料的铁铝基合金与不锈钢的熔焊工艺，其特征是，所述步骤2)焊接过程中保持焊条与焊缝水平板之间的倾角保持在80°～85°，打底层焊条不摆动，保持直线短弧施焊。

3.如权利要求1所述的以Fe-Cr-Ni合金为填充材料的铁铝基合金与不锈钢的熔焊工艺，其特征是，所述步骤2)焊接结束时，填满弧坑后再熄灭电弧。

4.如权利要求1所述的以Fe-Cr-Ni合金为填充材料的铁铝基合金与不锈钢的熔焊工艺，其特征是，所述步骤2)在焊接厚度6～10mm尺寸的铁铝基合金和不锈钢板焊接工件前，将石棉板置于工件下面，焊后对工件接头处覆盖石棉板以缓慢冷却工件。

5.如权利要求1所述的以Fe-Cr-Ni合金为填充材料的铁铝基合金与不锈钢的熔焊工艺，其特征是，所述步骤2)焊接前将工件的对接接头处打磨成60°的V形坡口，钝边3mm。