CN108856988B - 可有效控制热丝tig镍基合金堆焊层强度的焊接工艺 - Google Patents

可有效控制热丝tig镍基合金堆焊层强度的焊接工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可有效控制热丝TIG镍基合金堆焊层强度的焊接工艺，包含：S1、将低合金钢预热至预热温度，进行M层镍基合金热丝TIG堆焊，且控制层间温度小于等于200℃；S2、进行N层镍基合金热丝TIG堆焊，且控制层间温度小于等于200℃；其中，堆焊层数N根据堆焊层晶粒测试的结果确定；S3、在完成N层镍基合金热丝TIG堆焊后，将层间温度降温至室温与预热温度之间；S4、每完成K层镍基合金热丝TIG堆焊后，将层间温度降至室温与预热温度之间，期间控制层间温度小于等于200℃，直至堆焊完成。本发明通过控制堆焊过程中的预热温度及层间温度，降低镍基合金堆焊层的晶粒尺寸，提高堆焊层的强度，提高堆焊效率。

Description

可有效控制热丝TIG镍基合金堆焊层强度的焊接工艺
技术领域
本发明涉及一种核用镍基合金热丝TIG（Tungsten Inert Gas Welding，非熔化极惰性气体钨极保护焊）焊接工艺，具体是指一种能够有效控制热丝TIG镍基合金堆焊层强度的焊接工艺。
背景技术
镍基合金由于具有优异的耐腐蚀性能，因此被广泛的应用于核电设备中耐腐蚀层的焊接，例如接管端面的镍基隔离层堆焊、稳压器下封头堆焊等。在压力容器中，接管与安全端的焊缝属于压力边界，因此必须对镍基隔离层的力学性能进行考核，尤其是室温及高温力学性能。TIG焊是一种焊接热输入小、焊缝成型优良、且焊缝金属洁净的焊接工艺，因此被用于接管端面镍基隔离层的堆焊。
传统的TIG焊采用冷丝焊接，其效率非常低，通常一个接管端面的堆焊需要一个多月的时间，严重影响着产品的制造周期。而热丝TIG焊不仅保留了冷丝TIG焊的优点，同时通过增加焊丝预热，有效提高了接管端面的镍基合金的堆焊效率，约为冷丝TIG焊的2～2.5倍。但是，在实际的焊接过程中，镍基合金经热丝TIG焊堆焊后，堆焊层的强度却明显低于冷丝TIG焊，又使得产品无法满足设计要求。因此，如何提高热丝TIG镍基堆焊层的力学性能（强度），是核电设备制造过程中亟待解决的焊接工艺问题。
基于上述，本发明提出一种可有效控制热丝TIG镍基堆焊层强度的焊接工艺，通过对焊接步骤的工艺控制，有效解决现有技术中存在的热丝TIG镍基合金堆焊层的强度问题，不仅降低镍基合金堆焊层的晶粒尺寸，同时提高镍基合金堆焊层的强度，降低产品的制造周期。
发明内容
本发明的目的是提供一种可有效控制热丝TIG镍基合金堆焊层强度的焊接工艺，通过控制堆焊过程中的预热温度及层间温度，降低镍基合金堆焊层的晶粒尺寸，提高堆焊层的强度，提高堆焊效率。
为了实现上述目的，本发明提供一种可有效控制热丝TIG镍基合金堆焊层强度的焊接工艺，包含以下步骤：
S1、将低合金钢预热至预热温度，在低合金钢表面进行M层镍基合金热丝TIG堆焊，且在进行每层镍基合金热丝TIG堆焊时，控制层间温度小于等于200℃；
S2、继续进行N层镍基合金热丝TIG堆焊，且在进行每层镍基合金热丝TIG堆焊时，控制层间温度小于等于200℃；
其中，堆焊层数N根据预先进行的堆焊层晶粒测试的结果确定，即堆焊N+1层镍基合金热丝TIG堆焊时，堆焊层上产生粗大晶粒；
S3、在完成N层镍基合金热丝TIG堆焊后，将层间温度降温至大于等于室温且小于等于预热温度的范围之间；
S4、每完成K层镍基合金热丝TIG堆焊后，将层间温度降至大于等于室温且小于等于预热温度的范围之间；在每K层镍基合金热丝TIG堆焊的过程中，控制层间温度小于等于200℃，直至堆焊完成。
在本发明的一个优选实施例中，所述的S1中，在低合金钢表面进行2～5层镍基合金热丝TIG堆焊。
在本发明的一个优选实施例中，所述的S1中，在低合金钢表面进行M层共4mm～6mm厚度的镍基合金热丝TIG堆焊。
所述的S2中，堆焊层晶粒测试的具体步骤为：
在第M层镍基合金堆焊层上，继续进行镍基合金热丝TIG堆焊，且控制层间温度小于等于200℃；并在每完成一层堆焊后，判断该堆焊层的形貌；
若当前第n层堆焊层产生柱状晶粒时，继续进行下一层镍基合金热丝TIG堆焊；若当前第n层堆焊层产生粗大晶粒时，确定堆焊层数N=n-1。
所述的S4中，每堆焊3层镍基合金堆焊层后，将层间温度降至大于等于室温且小于等于预热温度的范围之间。
本发明中，所述的预热温度大于等于121℃。
本发明中，所述的层间温度大于等于预热温度，且小于等于200℃。
本发明中，在进行每一层的镍基合金热丝TIG堆焊时，焊接电流为340～360A，焊接电压为14～18V，焊接速度为90～130 mm/min。
综上所述，本发明提供的可有效控制热丝TIG镍基合金堆焊层强度的焊接工艺，通过控制镍基合金热丝TIG堆焊过程中的预热温度及层间温度，通过控制焊缝金属的冷却速率，降低镍基合金堆焊层的奥氏体晶粒尺寸，提高镍基合金热丝TIG堆焊层的强度，提高镍基合金热丝TIG堆焊的效率。
附图说明
图1a和图1b分别为本发明中的堆焊层晶粒测试中的镍基合金堆焊层的形貌示意图；
图2为本发明中的镍基合金热丝TIG堆焊过程中的堆焊层形貌示意图；
图3为本发明中的可有效控制热丝TIG镍基合金堆焊层强度的焊接工艺的流程图。
具体实施方式
以下结合图1～图3，详细说明本发明的一个优选实施例。
如图3所示，为本发明提供的可有效控制热丝TIG镍基合金堆焊层强度的焊接工艺，包含以下步骤：
S1、将低合金钢预热至预热温度，在低合金钢表面进行M层镍基合金热丝TIG堆焊，且在进行每层镍基合金热丝TIG堆焊时，控制层间温度小于等于200℃；
S2、在第M层镍基合金堆焊层上，继续进行N层镍基合金热丝TIG堆焊，且在进行每层镍基合金热丝TIG堆焊时，控制层间温度小于等于200℃；
其中，堆焊层数N根据预先进行的堆焊层晶粒测试的结果确定，即堆焊N+1层镍基合金热丝TIG堆焊时，堆焊层上将产生粗大晶粒；
S3、在完成N层镍基合金热丝TIG堆焊后，将层间温度降温至大于等于室温且小于等于预热温度的范围之间；
S4、在第M+N层镍基合金堆焊层上，每完成K层镍基合金热丝TIG堆焊后，将层间温度降至大于等于室温且小于等于预热温度的范围之间；在每K层镍基合金热丝TIG堆焊的过程中，控制层间温度小于等于200℃，直至堆焊完成。
在本发明的一个优选实施例中，所述的S1中，在低合金钢表面进行2～5层镍基合金热丝TIG堆焊，即M的取值范围为2～5。例如，选择进行3层镍基合金热丝TIG堆焊。需要注意的是，在S1中对于堆焊层数的选择，是实际操作时通过不断的实验摸索而得到的结果，其中结合考虑了不同设备的热输入等因素。
在本发明的一个优选实施例中，所述的S1中，在低合金钢表面进行M层共4mm～6mm厚度的镍基合金热丝TIG堆焊。例如，选择进行2层镍基合金热丝TIG堆焊，每层厚2.5mm，厚度总共为5mm。需要注意的是，在S1中堆焊的总厚度值不能太大，否则会导致堆焊层的力学性能的降低。
所述的S1中，采用始终保持预热温度进行若干层的镍基合金热丝TIG堆焊的方式，主要是由于涉及到低合金钢与镍基合金之间的异种合金的焊接连接，始终维持预热温度，并且将层间温度也维持在与预热温度一致，是为了避免发生冷裂纹以及界面剥离的现象。
所述的S2中，堆焊层晶粒测试是在第M层镍基合金堆焊层上进行的，在此期间，考虑到焊接热输入的不同，需要根据最终堆焊层的组织形貌来确定需要控制层间温度的堆焊层数，具体步骤为：
在第M层镍基合金堆焊层上，继续进行镍基合金热丝TIG堆焊，且控制层间温度小于等于200℃；并在每完成一层堆焊后，判断该堆焊层的形貌；
若当前第n层堆焊层产生如图1a所示的柱状晶粒时，继续进行下一层镍基合金热丝TIG堆焊；若当前第n层堆焊层产生如图1b所示的粗大晶粒时，确定堆焊层数N=n-1。
所述的S4中，每堆焊3层镍基合金堆焊层后，将层间温度降至大于等于室温且小于等于预热温度的范围之间。
所述的S4中，如图2所示，其表示在完成M+N层堆焊层且对层间温度降温后，再进行第M+N+1层堆焊后的进行金相观察所得的堆焊层截面形貌。图2中能够明显看出下层晶粒较为粗大，但上层的晶粒就较为细小，这说明对层间温度的降温对后续堆焊起到了降低晶粒尺寸的作用。
所述的S3和S4中，对于层间温度的降温，在理论上是降至室温所能达到的技术效果是最好的，但是这将耗费较长的时间，因此考虑将层间温度降温至室温与预热温度之间的范围内即可。并且在这两个步骤中，考虑对于层间温度进行降温，主要是因为堆焊层如果始终处于高温的条件下进行后续堆焊，堆焊产生的晶粒将会越来越大，从而导致堆焊层的强度下降（因为晶粒越小，强度越高）。因此，先对层间温度降温后再进行后续堆焊焊接，能够有效促进晶粒形核，也就是相当于重新开始堆焊，这样能够避免堆焊层中粗大晶粒的出现，从能也就能够有效提高堆焊层的强度。
另外，本发明还能够通过控制堆焊层的冷却速率降低晶粒尺寸。例如当堆焊前的温度为200℃，相比于室温，其冷却速度相对较慢。因此，冷却速率的控制是通过堆焊当前堆焊层前的温度进行控制。堆焊前的温度越低，冷却速率越快，最终形成的晶粒越细小。因此，本发明中对于各层的层间温度的控制是相当重要的，也是经常需要降低层间温度的原因之一。
本发明中，所述的预热温度大于等于121℃。
本发明中，所述的层间温度大于等于预热温度，且小于等于200℃。
本发明中，在进行每一层的镍基合金热丝TIG堆焊时，焊接电流为340～360A（热丝电流为60～80A），焊接电压为14～18V，焊接速度为90～130 mm/min（送丝速度为4000～4800 mm/min）。
以下通过一个具体实施例，详细说明本发明的焊接工艺。以在SA508Gr3低合金钢表面进行ERNiCrFe-7A镍基合金热丝TIG堆焊为例，详细的堆焊过程如下：
S1、将SA508Gr3低合金钢锻件预热至121℃，并在该锻件表面进行2层ERNiCrFe-7A镍基合金热丝TIG堆焊，每层厚度为2.8mm；在此过程中，控制层间温度小于等于200℃；
S2、在第2层镍基合金堆焊层上，继续进行4层ERNiCrFe-7A镍基合金热丝TIG堆焊，且在进行每层镍基合金热丝TIG堆焊时，控制层间温度小于等于200℃；
其中，堆焊层数4是根据预先进行的堆焊层晶粒测试的结果确定；由于在堆焊层晶粒测试中，在堆焊前4层镍基合金热丝TIG堆焊后，堆焊层上产生的都是如图1a所示的柱状晶粒，只有在堆焊第5层镍基合金热丝TIG堆焊后，发现堆焊层上开始产生如图1b所示的粗大晶粒，因此最终确定堆焊层数为5-1=4层；
S3、在完成上述S2中的4层镍基合金热丝TIG堆焊后，将层间温度降温至大于等于室温且小于等于121℃的范围之间；
S4、在第6层镍基合金堆焊层上，每堆焊3层ERNiCrFe-7A镍基合金堆焊层后，都需要将层间温度降至大于等于室温且小于等于121℃的范围之间；且在每堆焊3层ERNiCrFe-7A镍基合金堆焊层的过程中，控制层间温度小于等于200℃，直至完成堆焊。
综上所述，本发明提供的可有效控制热丝TIG镍基合金堆焊层强度的焊接工艺，通过控制和改变镍基合金热丝TIG堆焊过程中的预热温度及层间温度，通过控制焊缝金属的冷却速率，降低了镍基合金堆焊层的奥氏体晶粒尺寸，进而提高镍基合金热丝TIG堆焊层的强度（力学性能），同时提高堆焊效率，解决现有技术中镍基合金热丝TIG堆焊层强度无法满足考核要求的问题。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种可有效控制热丝TIG镍基合金堆焊层强度的焊接工艺，其特征在于，包含以下步骤：
S1、将低合金钢预热至预热温度，在低合金钢表面进行M层镍基合金热丝TIG堆焊，且在进行每层镍基合金热丝TIG堆焊时，控制层间温度小于等于200℃；
S2、继续进行N层镍基合金热丝TIG堆焊，且在进行每层镍基合金热丝TIG堆焊时，控制层间温度小于等于200℃；
其中，堆焊层数N根据预先进行的堆焊层晶粒测试的结果确定，即堆焊N+1层镍基合金热丝TIG堆焊时，堆焊层上产生粗大晶粒；
S3、在完成N层镍基合金热丝TIG堆焊后，将层间温度降温至大于等于室温且小于等于预热温度的范围之间；
S4、每完成K层镍基合金热丝TIG堆焊后，将层间温度降至大于等于室温且小于等于预热温度的范围之间；在每K层镍基合金热丝TIG堆焊的过程中，控制层间温度小于等于200℃，直至堆焊完成。
2.如权利要求1所述的可有效控制热丝TIG镍基合金堆焊层强度的焊接工艺，其特征在于，所述的S1中，在低合金钢表面进行2～5层镍基合金热丝TIG堆焊。
3.如权利要求1所述的可有效控制热丝TIG镍基合金堆焊层强度的焊接工艺，其特征在于，所述的S1中，在低合金钢表面进行M层共4mm～6mm厚度的镍基合金热丝TIG堆焊。
4.如权利要求1所述的可有效控制热丝TIG镍基合金堆焊层强度的焊接工艺，其特征在于，所述的S2中，堆焊层晶粒测试的具体步骤为：
在第M层镍基合金堆焊层上，继续进行镍基合金热丝TIG堆焊，且控制层间温度小于等于200℃；并在每完成一层堆焊后，判断该堆焊层的形貌；
若当前第n层堆焊层产生柱状晶粒时，继续进行下一层镍基合金热丝TIG堆焊；若当前第n层堆焊层产生粗大晶粒时，确定堆焊层数N=n-1。
5.如权利要求4所述的可有效控制热丝TIG镍基合金堆焊层强度的焊接工艺，其特征在于，所述的S4中，每堆焊3层镍基合金堆焊层后，将层间温度降至大于等于室温且小于等于预热温度的范围之间。
6.如权利要求5所述的可有效控制热丝TIG镍基合金堆焊层强度的焊接工艺，其特征在于，所述的预热温度大于等于121℃。
7.如权利要求5所述的可有效控制热丝TIG镍基合金堆焊层强度的焊接工艺，其特征在于，所述的层间温度大于等于预热温度，且小于等于200℃。
8.如权利要求5所述的可有效控制热丝TIG镍基合金堆焊层强度的焊接工艺，其特征在于，在进行每一层的镍基合金热丝TIG堆焊时，焊接电流为340～360A，焊接电压为14～18V，焊接速度为90～130mm/min。
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