CN112620878A - 一种高碳当量铁基合金深度失重型损伤的冷焊修复方法 - Google Patents

一种高碳当量铁基合金深度失重型损伤的冷焊修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高碳当量铁基合金深度失重型损伤的冷焊修复方法，从四个技术途径上来防止各区冷裂纹的发生：一是将产生的脆性组织范围控制在一个极薄的范围内，二是将产生的脆性组织晶粒尺寸控制在尽可能细小的范围内，三是将产生的脆性组织受到的拉应力作用控制在尽可能低的水平上，四是选用塑性优异的奥氏体填充焊材。

Description

一种高碳当量铁基合金深度失重型损伤的冷焊修复方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种高碳当量铁基合金深度失重型损伤的冷焊修复方法。
背景技术
失重型损伤(如磨损、切削型划伤、腐蚀型沟槽、腐蚀型凹坑等)是用金属材料制造的所有机器设备、工业结构、工业装备中，最为常见的一类损伤。该机器设备、工业结构、工业装备中的金属材料至少96％以上用的是铁基合金。轻微的失重型损伤往往对机器设备、工业结构、工业装备的运行安全，力学性能损伤未构成实质性威胁，不一定立即停产修复，而重型的深度失重型损伤一定是对设备和装备的安全运行构成了实质性威胁，必须要停产停车修复。现有的高碳当量铁基合金的冶金结合(原子结合)型修复技术大致分为下述3类：1.用同质焊材热焊修复技术；2.用镍基过渡层的冷焊修复技术；3.高塑性异质焊材的冷焊修复技术。上述技术目前存在的主要局限性如下：
(1)高碳当量铁基合金焊接最大的问题是冷裂敏感性极高，工艺技术稍有偏差，在热影响区淬硬层和近熔合区的焊缝内产生冷裂纹很难避免。解决该难题传统且广泛使用的是同质焊材热焊修复技术，该技术先将待修复的高碳当量铁基合金构件，预热到200℃左右并保持该温度，再用同质焊材热态下焊接，并采取焊后保温缓冷等措施来防止冷裂纹的产生。该技术主要局限性有：①对于尺寸较大的待修复构件，由于不均匀的加热而致的不均匀热变形十分严重，构件形位尺寸易偏离标准尺寸大，焊后不经过复杂的矫正，多数情况下不能修后直接使用；②修复周期很长，修复成本很高；③高温辐射使得焊接作业环境恶劣；④必须将待修复的构件从整机设备中拆除，不能实现非拆除步骤下原位修复。
(2)用镍基过渡层的冷焊修复技术基本上可克服技术(1)的大多数局限性，但镍基焊材昂贵，还需要至少两种以上的焊材。
(3)避免了镍基焊材过渡和需用多种焊材的局限性。修复工程中高塑性异质焊材大多选用奥氏体焊材，且只选用一种焊材。但现有冷态修复技术中，存在两个局限性，一是高碳当量铁基合金过热区脆性层内难于100％避免淬火裂纹的产生，二是修复填充的焊缝金属晶粒较粗大，抗晶间腐蚀能力较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种高碳当量铁基合金深度失重型损伤的冷焊修复方法，解决了现有修复技术存在的焊材昂贵、存在淬火裂纹及抗晶间腐蚀能力差的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种高碳当量铁基合金深度失重型损伤的冷焊修复方法，包括如下步骤：
步骤1，选用含碳量小于等于0.0 3％、铬当量大于等于25.9，镍当量大于等于11.8的奥氏体焊材；
步骤2，采用MAG焊接方法进行焊接；
步骤3，焊接时采用短路或频率小于3.5KW的颗粒过渡的电弧功率；
步骤4，采用断弧点焊方式进行焊接；
步骤5，焊接坡口采用曲率半径R≥10mm的圆弧坡口；
步骤6，冷焊之前在高碳当量铁基合金的熔合区预置压缩应变区；
步骤7，采用对称分段退焊法的焊接顺序；
步骤8，打底焊层焊后立即再用锤击法消除应力；
步骤9，在靠近焊补区的相对两侧分别设置流水渠堤，焊补过程中用冷态的流水持续散热。
本发明的特点还在于，
步骤2中，采用MAG焊接方法焊接时，焊丝直径小于等于1.0mm。保护气体为97.5％Ar和2.5％C02的混合气体。
步骤4中，采用断弧点焊方法进行焊接时，燃弧时间小于等于2秒，断弧与燃弧的比例大于等于5：1。
步骤4也可选用无横向摆动的窄熔宽分段连续焊接方法。
步骤6中，预置压缩应变区的方法为：锤击法，锤击的塑性变形坑的深度不小于1.5mm，相邻塑性变形坑之间均紧密相连。
步骤6中，采用锤击法时，尖锤端部的圆弧半径小于等于2mm，尖锤的质量大于等于1Kg。
本发明的有益效果如下：
1.完全克服了广泛使用的热态冶金结合修复技术的诸多弊端，修复周期缩短70％以上；
2.热态冶金结合修复技术通常使用同质焊材，焊补区的焊缝金属耐海水腐蚀能力很差；本技术用于在海水环境下运行的装备时，具有更高的修复性价比；
3.与使用镍基过渡层的冷态冶金结合修复技术比较，修复成本要降低60％以上；
4.与已有的高塑性异质焊材的冷焊修复技术比较，抗裂能力可靠而且彻底，修复接头的所有区域完全防止了各种冷裂纹的产生，尤其是高碳当量铁基合金的过热区内的淬火裂纹可100％防止。
5.与已有的高塑性异质焊材的冷焊修复技术比较，由于焊补焊缝区的晶粒更细小，耐海水腐蚀和其它化学腐蚀能力、耐晶间腐蚀能力更高。
6.可以在不拆出构件下原位修复，大量节约了维修工序、工时和维修资源的投入。
7.本发明既可修复深度(重型)失重型损伤，也可修复轻型(如失重深度1～2mm)的失重型损伤。
附图说明
图1是本发明一种高碳当量铁基合金深度失重型损伤的冷焊修复方法中预制的焊补坡口示意图；
图2是本发明一种高碳当量铁基合金深度失重型损伤的冷焊修复方法中预制焊补坡口内的密布塑性变形坑示意图；
图3是本发明一种高碳当量铁基合金深度失重型损伤的冷焊修复方法中塑性变形坑的预制锤外形示意图；
图4是本发明一种高碳当量铁基合金深度失重型损伤的冷焊修复方法中邻近焊补焊缝的流水渠堤示意图；
图5是本发明一种高碳当量铁基合金深度失重型损伤的冷焊修复方法中焊补顺序中的分段退焊与焊接方向示意图。
图中，1.高碳当量铁基合金构件，2.焊补坡口，3.塑性变形坑，4.预制钢锤，5.流水渠堤，6.流水，7.焊缝。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
高碳当量铁基合金过热区脆性层内产生淬火裂纹的物理本质原因有两个方面，一是过热区脆性层内有高脆性的组织产生，二是脆性层内转变后的高脆性组织受到了较大的拉应力作用。这两大原因缺一不可。在无预热的冷焊步骤下，其焊接热循环的冷却速度很高，过热区脆性层内发生低温转变是不可避免的，即脆性组织的产生是不可避免的，且焊缝金属结晶阶段产生拉应力作用也是不可避免的。
本发明同时从四个技术途径上来防止各区冷裂纹的发生：一是将产生的脆性组织范围控制在一个极薄的范围内，二是将产生的脆性组织晶粒尺寸控制在尽可能细小的范围内，三是将产生的脆性组织受到的拉应力作用控制在尽可能低的水平上，四是选用塑性优异的奥氏体填充焊材。
本发明一种高碳当量铁基合金深度失重型损伤的冷焊修复方法，修复时需要满足如下步骤：
1)选用含碳量小于等于0.0 3％、铬当量大于等于25.9，镍当量大于等于11.8的奥氏体焊材；
2)采用MAG焊接方法进行焊接；
采用MAG焊接方法焊接时，焊丝直径小于等于1.0mm。保护气体为97.5％Ar和2.5％C02的混合气体。
3)焊接时采用短路或频率小于3.5KW的颗粒过渡的电弧功率；
4)采用断弧点焊方式进行焊接；也可采用无横向摆动的窄熔宽分段连续焊接方法；
采用断弧点焊方法进行焊接时，燃弧时间小于等于2秒，断弧与燃弧的比例大于等于5：1。
5)焊接坡口采用曲率半径R≥10mm的圆弧坡口；
6)冷焊之前在高碳当量铁基合金的熔合区预置压缩应变区；
预置压缩应变区的方法为：锤击法，锤击的塑性变形坑的深度不小于1.5mm，相邻塑性变形坑之间均紧密相连。
采用锤击法时，尖锤端部的圆弧半径小于等于2mm，尖锤的质量大于等于1Kg。
7)采用对称分段退焊法的焊接顺序；
8)打底焊层焊后立即再用锤击法消除应力；
9)在靠近焊补区的相对两侧分别设置流水渠堤，焊补过程中用冷态的流水持续散热。
上述9个步骤需同时满足才能达到如下的技术效果：①高碳当量铁基合金的过热区内可靠消除淬火裂纹，也同时消除邻近熔合区的焊缝区裂纹；②焊缝区的晶粒度非常细小，抗晶间腐蚀能力优异；③焊补区的焊缝金属各项物理与机械性能与高碳当量的铁基合金基本一致，修复后设备/装备的力学性能、转动惯量、动平衡等性能恢复良好；④晶粒细小的奥氏体焊补区金属，在原构件材质本不具备耐腐蚀的步骤下，新增了良好的耐海水腐蚀能力，该技术对海洋环境下工作的装备适用，对其它所有有耐蚀要求的场合同样适用。
实施例
一种高碳当量铁基合金深度失重型损伤的冷焊修复方法，具体过程如下：
如图1所示，待修复的高碳当量铁基合金构件1，用磨削法除去腐蚀锈蚀的杂质层，露出纯净的金属层之后，仍用磨削法预制焊补坡口2，坡口底部的曲面圆滑过渡，曲面的曲率半径R等于10mm。
用预制钢锤4在圆滑的焊补坡口2表面锤击出密布的塑性变形坑3(参见图2)；如图3所示，预制钢锤4的端部形状为半圆形，曲率半径R等于1.5mm；预制钢锤4的质量1.2Kg；塑性变形坑3为1.5mm深。
如图4所示，用直径10mm的硅胶管在距离焊补坡口2约5mm的边缘预制流水渠堤5，流水渠堤5宽30mm，流水渠堤5高度10mm；流水渠堤5与高碳当量铁基合金构件1的结合部紧密且不渗漏水。
将待修复的高碳当量铁基合金构件1置于与水平面倾斜的位置，倾角20°；两路室温态的流水6按10L/min.的流量自上而下流入低处的盛水容器中。选择牌号308L直径1.0mm的超低碳奥氏体焊丝，用Ar97.5％+C022.5％的混合保护气体保护高温焊接区，流量12L/min。焊接电流80～150A，焊接电压19～20V。
如图5所示，按80mm的段距S将高碳当量铁基合金构件1待焊补的焊缝7进行分段，可8段内对称轮流循环，自右向左退焊；每段焊1条窄焊道后立即锤击，再退后到对称位置的段内上述操作；每层的同一焊道焊接完成后再焊该层的第二焊道，直至该层焊满；先焊底层，后焊填充层，最后焊盖面层；盖面层要高出原构件2mm左右作为富裕加工量。
与高碳当量铁基合金构件1接触的打底焊层全部焊接完成后，做一次中间渗透探伤，未见任何工艺缺陷方可继续后面的填充层和盖面层的焊接。有缺陷则应挖除后加大塑性变形坑3深度重焊。
焊补过程中随时检测修复构件的温升，若温升稍高于室温，可继续焊接，高于10℃应停止焊接，待构件冷至与室温接近时再继续焊接，直至所有的失重型沟槽全部焊接完成。
填满失重型沟槽高于原构件外表面的焊缝金属，依据构件的尺寸/体积/原位修复/车间修复/表面粗糙度要求等情况，可机械加工去除，也可手工磨削去除。
被焊补修复的失重型损伤部位的表面恢复原位要求后，应做一次验收性质的渗透探伤检验，结果存入维修档案。

Claims (6)

1.一种高碳当量铁基合金深度失重型损伤的冷焊修复方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，选用含碳量小于等于0.03％、铬当量大于等于25.9，镍当量大于等于11.8的奥氏体焊材；
步骤2，采用MAG焊接方法进行焊接；
步骤3，焊接时采用短路或频率小于3.5KW的颗粒过渡的电弧功率；
步骤4，采用断弧点焊方式进行焊接；
步骤5，焊接坡口采用曲率半径R≥10mm的圆弧坡口；
步骤6，冷焊之前在高碳当量铁基合金的熔合区预置压缩应变区；
步骤7，采用对称分段退焊法的焊接顺序；
步骤8，打底焊层焊后立即再用锤击法消除应力；
步骤9，在靠近焊补区的相对两侧分别设置流水渠堤，焊补过程中用冷态的流水持续散热。
2.根据权利要求1所述的一种高碳当量铁基合金深度失重型损伤的冷焊修复方法，其特征在于：所述步骤2中，采用MAG焊接方法焊接时，焊丝直径小于等于1.0mm。保护气体为97.5％Ar和2.5％C02的混合气体。
3.根据权利要求1所述的一种高碳当量铁基合金深度失重型损伤的冷焊修复方法，其特征在于：所述步骤4中，采用断弧点焊方法进行焊接时，燃弧时间小于等于2秒，断弧与燃弧的比例大于等于5：1。
4.根据权利要求1所述的一种高碳当量铁基合金深度失重型损伤的冷焊修复方法，其特征在于：所述步骤4也可选用无横向摆动的窄熔宽分段连续焊接方法。
5.根据权利要求1所述的一种高碳当量铁基合金深度失重型损伤的冷焊修复方法，其特征在于：所述步骤6中，预置压缩应变区的方法为：锤击法，锤击的塑性变形坑的深度不小于1.5mm，相邻塑性变形坑之间均紧密相连。
6.根据权利要求5所述的一种高碳当量铁基合金深度失重型损伤的冷焊修复方法，其特征在于：所述步骤6中，采用锤击法时，尖锤端部的圆弧半径小于等于2mm，尖锤的质量大于等于1Kg。
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