CN110883416B - 一种铸造高温合金与马氏体不锈钢电子束焊接方法 - Google Patents

一种铸造高温合金与马氏体不锈钢电子束焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种铸造高温合金与马氏体不锈钢电子束焊接方法，除去两块焊接母材的表面氧化物；用夹具夹紧两块焊接母材，夹具在与焊缝平行的方向对焊接母材施加夹紧力；在真空下，采用散焦对焊缝及周围部分预热后进行焊接；然后将电子束聚焦位置向铸造高温合金板材一侧移动0.5‑1.5mm，然后进行二次焊接。本发明工艺简单，可操作性强，无需增加特殊设备或添加过渡层金属，就可以实施焊接。此外焊前散焦预热可以起到消除内应力作用，二次焊接可以起到焊后热处理的作用，改善接头力学性能、避免产生宏观裂纹。采用本发明方法焊接后，焊缝处经荧光及X射线检验未发现裂纹、气孔等缺陷，焊缝质量良好。

Description

一种铸造高温合金与马氏体不锈钢电子束焊接方法
技术领域
本发明属于异种材料熔化焊接领域，涉及一种铸造高温合金与马氏体不锈钢电子束焊接方法。
背景技术
铸造高温合金是在高温及氧化腐蚀环境中长期稳定工作的金属结构材料，在航空工业上最重要的用途是制造航空发动机涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘等零件。马氏体不锈钢具有很高的热强性，不仅中温瞬时强度高，而且中温持久性、抗蠕变性、抗应力腐蚀及冷热疲劳性能良好，适合制造压气机叶片、压气机盘、涡轮轴等零件。采用螺栓、榫齿等机械结构连接这两种材料增加了结构的复杂性和加工成本，同时增加了构件重量和应力集中；采用传统焊接方法时，工艺控制不当易产生裂纹、未溶合、未焊透等缺陷，且接头力学性能差。电子束穿透能力强，热量集中，能够改善接头力学性能、减少缺陷、保证焊接稳定性。但由于这两种材料物理化学性能差别比较大，采用电子束焊接时易在高温合金处形成冷裂纹，因此有必要研究铸造高温合金与马氏体不锈钢异种材料电子束焊接方法。
发明内容
本发明的目的在于解决铸造高温合金和马氏体不锈钢电子束焊接容易产生宏观冷裂纹问题，提供一种铸造高温合金与马氏体不锈钢电子束焊接方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种铸造高温合金与马氏体不锈钢电子束焊接方法，包括以下步骤：
步骤一：除去两块焊接母材的表面氧化物；其中，一块为铸造高温合金板材，另一块为马氏体不锈钢板材；
步骤二：用夹具夹紧两块焊接母材，夹具在与焊缝平行的方向对焊接母材施加夹紧力；
步骤三：在真空下，采用散焦对焊缝及周围部分进行预热；
步骤四：进行焊接；
步骤五：将电子束聚焦位置向铸造高温合金板材一侧移动0.5-1.5mm，然后进行二次焊接。
本发明进一步的改进在于，步骤一中，两块焊接母材厚度均为3.5-8.0mm。
本发明进一步的改进在于，步骤一中，采用酸溶液擦拭每块焊接母材，除去板材的表面氧化物。
本发明进一步的改进在于，酸溶液中氢氟酸的质量浓度为4％，硝酸的质量浓度为4％。
本发明进一步的改进在于，步骤二中，焊缝接头处局部间隙不超过0.08mm，错位不大于0.75mm。
本发明进一步的改进在于，步骤三中，真空度为4×10-3至6×10-3Pa。
本发明进一步的改进在于，步骤三中，预热的条件为：加速电压为60kV，电子束流为5-15mA，聚焦电流为2200-2250mA，焊接速度为300-600mm/min。
本发明进一步的改进在于，步骤四中，焊接的具体条件为：加速电压为60kV，电子束流为30-70mA，聚焦电流为1800-1850mA，焊接速度为600-1000mm/min。
本发明进一步的改进在于，步骤五中，二次焊接的条件为：焊接的加速电压为60kV，电子束流为20-60mA，聚焦电流为1820-1850mA，焊接速度为600-900mm/min。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
本发明工艺简单，可操作性强，无需增加特殊设备或添加过渡层金属，就可以实施焊接。此外焊前散焦预热可以起到消除内应力作用，二次焊接可以起到焊后热处理的作用，改善接头力学性能、避免产生宏观裂纹。采用本发明方法焊接后，焊缝处经荧光及X射线检验未发现裂纹、气孔等缺陷，焊缝质量良好。
具体实施方式
下面对本发明进行详细说明。
本发明中焊接母材为两块厚度3.5-8.0mm的板材，其中，一块为铸造高温合金板材，另一块为马氏体不锈钢板材；具体步骤如下：
步骤一：焊前使用丙酮或酒精清洗待焊件，确保表面无油污、油漆、外来杂物等污染物质。
步骤二：用浓度为4％HF+4％HNO3+92％H2O的溶液(即溶液中，氢氟酸的质量百分数为4％，硝酸的质量百分数为4％)擦拭待焊件的焊接面，去除表面氧化物。两块焊接件中，一块为铸造高温合金板材，另一块为马氏体不锈钢板材；
步骤三：用无磁性或已经去磁且表面清理过的夹具夹紧焊接件，夹具仅在焊接件的与焊缝平行的方向施加夹紧力，焊缝接头处局部间隙不得超过0.08mm，错位不大于0.75mm。
步骤四：抽真空至真空度为4×10-3至6×10-3Pa，采用散焦对焊缝及周围部分进行预热，加速电压为60kV，电子束流为5-15mA，聚焦电流为2200-2250mA，焊接速度为300-600mm/min。
步骤五：步骤四完成之后，立即进行焊接，加速电压为60kV，电子束流为30-70mA，聚焦电流为1800-1850mA，焊接速度为600-1000mm/min。
步骤六：将电子束聚焦位置向铸造高温合金板材一侧移动0.5-1.5mm，然后开始二次焊接，此次焊接的加速电压为60kV，电子束流为20-60mA，聚焦电流为1820-1850mA，焊接速度为600-900mm/min。
步骤七：停止焊接，在真空室中冷却5min后，取出焊接完成的板材。
下面为具体实施例。
实施例1
焊接母材是两块厚度为3.5-4.5mm的板材，板材的材料种类分别为K423高温合金和1Cr12Ni3MoV不锈钢，具体步骤为：
步骤一：焊前使用丙酮或酒精清洗待焊件，确保表面无油污、油漆、外来杂物等污染物质。
步骤二：用浓度为4％HF+4％HNO3+92％H2O的溶液擦拭焊接面，去除表面氧化物。
步骤三：用无磁性或已经去磁其表面清理过的夹具夹紧焊接件，夹具仅在焊接件的与焊缝平行的方向施加夹紧力，焊缝接头处局部间隙不得超过0.08mm，错位不大于0.75mm。
步骤四：抽真空至真空度为4×10-3至6×10-3Pa，采用散焦对焊缝及周围部分进行预热，加速电压为60kV，电子束流为5-10mA，聚焦电流为2250mA，焊接速度为300-600mm/min。
步骤五：步骤四完成之后，立即进行焊接，加速电压为60kV，电子束流为30-40mA，聚焦电流为1830mA，焊接速度为600-1000mm/min。
步骤六：将电子束聚焦位置向铸造高温合金板材一侧移动0.5-0.8mm，然后开始二次焊接，此次焊接的加速电压为60kV，电子束流为20-30mA，聚焦电流为1850mA，焊接速度为600-900mm/min。
步骤七：停止焊接，在真空室冷却5min之后，取出焊接完成的板材。
经荧光检验，焊缝区域未发现裂纹、气孔等缺陷，接头抗拉强度σb为862MPa。
实施例2
焊接母材是两块厚度为4.5-6.0mm的板材，材料种类分别为K423高温合金和1Cr12Ni3MoV不锈钢，焊接方法与实施例1的区别在于：
步骤四：抽真空至真空度为4×10-3至6×10-3Pa，采用散焦对焊缝及周围部分进行预热，加速电压为60kV，电子束流为5-12mA，聚焦电流为2250mA，焊接速度为300-600mm/min。
步骤五：步骤四完成之后，立即进行焊接，加速电压为60kV，电子束流为40-50mA，聚焦电流为1830mA，焊接速度为600-1000mm/min。
步骤六：将电子束聚焦位置向铸造高温合金板材一侧移动0.5-1.1mm，然后开始二次焊接，此次焊接的加速电压为60kV，电子束流为30-40mA，聚焦电流为1850mA，焊接速度为600-900mm/min。
经荧光检验，焊缝区域未发现裂纹、气孔等缺陷，接头抗拉强度σb为859MPa。
实施例3
焊接母材是两块厚度为6.0-8.0mm的板材，材料种类分别为K423高温合金和1Cr12Ni3MoV不锈钢，焊接方法与实施例1的区别在于：
步骤四：抽真空至真空度为4×10-3至6×10-3Pa，采用散焦对焊缝及周围部分进行预热，加速电压为60kV，电子束流为5-15mA，聚焦电流为2250mA，焊接速度为300-600mm/min。
步骤五：步骤四完成之后，立即进行焊接，加速电压为60kV，电子束流为50-65mA，聚焦电流为1830mA，焊接速度为600-1000mm/min。
步骤六：将电子束聚焦位置向铸造高温合金板材一侧移动0.5-1.5mm，然后开始二次焊接，此次焊接的加速电压为60kV，电子束流为40-55mA，聚焦电流为1850mA，焊接速度为600-900mm/min。
经荧光检验，焊缝区域未发现裂纹、气孔等缺陷，接头抗拉强度σb为853MPa。
实施例4
焊接母材是两块厚度为3.5-4.5mm的板材，材料种类分别为K405高温合金和1Cr12Ni2WMoVNb不锈钢，焊接方法与实施例1的区别在于：
步骤四：抽真空至真空度为4×10-3至6×10-3Pa，采用散焦对焊缝及周围部分进行预热，加速电压为60kV，电子束流为5-10mA，聚焦电流为2200mA，焊接速度为300-600mm/min。
步骤五：步骤四完成之后，立即进行焊接，加速电压为60kV，电子束流为35-45mA，聚焦电流为1800mA，焊接速度为600-1000mm/min。
步骤六：将电子束聚焦位置向铸造高温合金板材一侧移动0.5-0.8mm，然后开始二次焊接，此次焊接的加速电压为60kV，电子束流为25-35mA，聚焦电流为1820mA，焊接速度为600-900mm/min。
经荧光检验，焊缝区域未发现裂纹、气孔等缺陷，接头抗拉强度σb为847MPa。
实施例5
焊接母材是两块厚度为4.5-6.0mm的板材，材料种类分别为K405高温合金和1Cr12Ni2WMoVNb不锈钢，焊接方法与实施例1的区别在于：
步骤四：抽真空至真空度为4×10-3至6×10-3Pa，采用散焦对焊缝及周围部分进行预热，加速电压为60kV，电子束流为5-12mA，聚焦电流为2200mA，焊接速度为300-600mm/min。
步骤五：步骤四完成之后，立即进行焊接，加速电压为60kV，电子束流为45-55mA，聚焦电流为1800mA，焊接速度为600-1000mm/min。
步骤六：将电子束聚焦位置向铸造高温合金板材一侧移动0.5-1.1mm，然后开始二次焊接，此次焊接的加速电压为60kV，电子束流为35-45mA，聚焦电流为1820mA，焊接速度为600-900mm/min。
经荧光检验，焊缝区域未发现裂纹、气孔等缺陷，接头抗拉强度σb为839MPa。
实施例6
焊接母材是两块厚度为6.0-8.0mm的板材，材料种类分别为K405高温合金和1Cr12Ni2WMoVNb不锈钢，焊接方法与实施例1的区别在于：
步骤四：抽真空至真空度为4×10-3至6×10-3Pa，采用散焦对焊缝及周围部分进行预热，加速电压为60kV，电子束流为5-15mA，聚焦电流为2200mA，焊接速度为300-600mm/min。
步骤五：步骤四完成之后，立即进行焊接，加速电压为60kV，电子束流为55-70mA，聚焦电流为1800mA，焊接速度为600-1000mm/min。
步骤六：将电子束聚焦位置向铸造高温合金板材一侧移动0.5-1.5mm，然后开始二次焊接，此次焊接的加速电压为60kV，电子束流为45-60mA，聚焦电流为1820mA，焊接速度为600-900mm/min。
经荧光检验，焊缝区域未发现裂纹、气孔等缺陷，接头抗拉强度σb为833MPa。
实施例7
焊接母材是两块厚度为6.0mm的板材，材料种类分别为K405高温合金和1Cr12Ni2WMoVNb不锈钢，焊接方法与实施例1的区别在于：
步骤四：抽真空至真空度为4×10-3至6×10-3Pa，采用散焦对焊缝及周围部分进行预热，加速电压为60kV，电子束流为5mA，聚焦电流为2230mA，焊接速度为300mm/min。
步骤五：步骤四完成之后，立即进行焊接，加速电压为60kV，电子束流为30mA，聚焦电流为1850mA，焊接速度为1000mm/min。
步骤六：将电子束聚焦位置向铸造高温合金板材一侧移动1.5mm，然后开始二次焊接，此次焊接的加速电压为60kV，电子束流为20mA，聚焦电流为1830mA，焊接速度为600mm/min。
实施例8
焊接母材是两块厚度为8.0mm的板材，材料种类分别为K405高温合金和1Cr12Ni2WMoVNb不锈钢，焊接方法与实施例1的区别在于：
步骤四：抽真空至真空度为4×10-3至6×10-3Pa，采用散焦对焊缝及周围部分进行预热，加速电压为60kV，电子束流为10mA，聚焦电流为2220mA，焊接速度为600mm/min。
步骤五：步骤四完成之后，立即进行焊接，加速电压为60kV，电子束流为70mA，聚焦电流为1840mA，焊接速度为600mm/min。
步骤六：将电子束聚焦位置向铸造高温合金板材一侧移动0.5mm，然后开始二次焊接，此次焊接的加速电压为60kV，电子束流为60mA，聚焦电流为1840mA，焊接速度为900mm/min。
电子束一次焊接后易在高温合金处形成冷裂纹，本发明中采用二次焊接后可以起到焊后热处理作用，有效避免产生裂纹。

Claims (6)

1.一种铸造高温合金与马氏体不锈钢电子束焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：除去两块焊接母材的表面氧化物；其中，一块为铸造高温合金板材，另一块为马氏体不锈钢板材；
步骤二：用夹具夹紧两块焊接母材，夹具在与焊缝平行的方向对焊接母材施加夹紧力；
步骤三：在真空下，采用散焦对焊缝及周围部分进行预热；其中，预热的条件为：加速电压为60kV，电子束流为5-15mA，聚焦电流为2200-2250mA，焊接速度为300-600mm/min；
步骤四：进行焊接；其中，焊接的具体条件为：加速电压为60kV，电子束流为30-70mA，聚焦电流为1800-1850mA，焊接速度为600-1000mm/min；步骤五：将电子束聚焦位置向铸造高温合金板材一侧移动0.5-1.5mm，然后进行二次焊接； 其中，二次焊接的条件为：焊接的加速电压为60kV，电子束流为20-60mA，聚焦电流为1820-1850mA，焊接速度为600-900mm/min。
2.根据权利要求1所述的一种铸造高温合金与马氏体不锈钢电子束焊接方法，其特征在于，步骤一中，两块焊接母材厚度均为3.5-8.0mm。
3.根据权利要求1所述的一种铸造高温合金与马氏体不锈钢电子束焊接方法，其特征在于，步骤一中，采用酸溶液擦拭每块焊接母材，除去板材的表面氧化物。
4.根据权利要求3所述的一种铸造高温合金与马氏体不锈钢电子束焊接方法，其特征在于，酸溶液中氢氟酸的质量浓度为4％，硝酸的质量浓度为4％。
5.根据权利要求1所述的一种铸造高温合金与马氏体不锈钢电子束焊接方法，其特征在于，步骤二中，焊缝接头处局部间隙不超过0.08mm，错位不大于0.75mm。
6.根据权利要求1所述的一种铸造高温合金与马氏体不锈钢电子束焊接方法，其特征在于，步骤三中，真空度为4×10-3至6×10-3Pa。
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