CN112719555A - 一种用于空冷器镍基合金管箱的电子束焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于空冷器镍基合金管箱的电子束焊接方法。本发明方法将真空电子束焊接技术引入到空冷器管箱焊接中，首先对焊接工件进行机械打磨、丙酮擦洗，然后固定焊接工件，最后对焊点依次进行定位焊、焊接、修饰焊接。本发明所述焊接方法优点是焊缝深宽比大，焊接速度快，热影响区小，焊接变形，焊缝纯度高，再现性好，工艺适应性强，可焊材料多，环境污染小，产品批量制造成本小，焊接成本低，不用添加焊接材料，焊接头性能良好能够大幅提高焊接质量和焊接效率，降低企业制造成本，减少废渣废气的排放。

Description

一种用于空冷器镍基合金管箱的电子束焊接方法
技术领域
本发明涉及一种真空电子束焊接方法，具体地说是一种用于空冷器镍基合金管箱的电子束焊接方法。
背景技术
目前，真空电子束焊接已在国内外多个工业领域使用，真空电子束焊接(EBW) 相比传统焊接方法焊条电弧焊、钨极氩弧焊、埋弧自动焊等)在提高产品焊接质量在真空环境中施焊)及效率，降低焊接污染及排放等方面有显著优势。而国内空冷器制造行业对真空电子束焊接基本属于空白。申请人针对真空电子束在空冷器行业应用做了大量的技术准备，将真空电子束焊接技术引入到空冷器管箱焊接。该焊接技术可大幅提高焊接质量和焊接效率，降低企业制造成本，减少废渣废气的排放。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于空冷器镍基合金管箱的电子束焊接方法，将真空电子束焊接技术引入到空冷器管箱焊接中，该焊接技术能够大幅提高焊接质量和焊接效率，降低企业制造成本，减少废渣废气的排放。
为实现上述目的，本发明所述一种用于空冷器镍基合金管箱的电子束焊接方法，包括以下步骤：采用真空电子束焊接方法，包括如下步骤：
1)将母材的对接面采用磨光处理，表面粗糙度为Ra6.3μm～Ra3.2μm；
2)将步骤1)中磨光处理后的母材进行去污处理，处理时采用丙酮擦洗，所述去污处理需在焊前30min内进行；
3)将步骤2)处理后的母材对接固定，并进行点固焊，位置分别在焊缝的前、中、后三处，对接后的相邻两块母材成垂直状态放置；
4)将对接好的母材转至真空焊接室，关闭真空焊接室并抽真空，真空焊接室真空度为5×l0-2～5×l0-3Pa；
5)待真空焊接室达到步骤4)所要求的真空度时，对上述母材进行定位焊，定位焊采用点定位，位置分别在焊缝的前、中、后三处，所述定位焊点位置与点固焊点位置的前、中、后三处错开10-50mm；
定位焊工艺参数为：所述母材厚度为30mm-32mm、加速电压85KV～90KV，电子束流60mA～70mA、工作距离300mm～400mm、焊接速度420mm/min～440mm/min；
6)将经过步骤5)后的母材进行单循环焊；
单循环焊工艺参数为：所述母材厚度为30mm-32mm、加速电压85KV～90KV，电子束流210mA～220mA、工作距离300mm～400mm、焊接速度380mm/min～ 400mm/min；
7)将经过步骤6)后的母材进行焊缝表面修饰焊；
修饰焊工艺参数为：所述母材厚度为30mm-32mm、加速电压85KV～90KV，电子束流100mA～110mA、工作距离300mm～400mm、焊接速度430mm/min～ 450mm/min；
8)步骤7)完成后对对接母材焊缝进行RT 100％I级合格检测。
所述真空焊接室的真空度到达预定值后在定位焊前，用电子束流对待焊母材进行30min的预热；
所述预热工艺参数为：所述母材厚度为30mm-32mm、加速电压85KV～90KV，电子束流50mA～60mA、工作距离300mm～400mm、焊接速度420mm/min～440mm/min。
所述母材为镍基合金。
所述镍基合金厚度为32mm。
所述镍基合金管的主要合金元素是Ni、Cr、Mo、Cu，其中合金元素占镍基合金的百分数为60％～70％。
所述焊接时焊缝与水平面垂直。
所述将步骤2)处理后的母材采用全自动组对接模具固定，对接后的母材用手工钨极氩弧焊进行点固焊。
所述对接后的母材的对接缝与水平面呈垂直状态放置。
所述母材为空冷器镍基合金管箱中的管箱盖板。
所述真空电子束焊的基本原理为真空电子束(真空度为10-1～10Pa范围内)撞击到焊件表面，电子的动能就转变为热能，使金属迅速熔化和蒸发；在高压金属蒸气的作用下熔化的金属被排开，电子束就能继续撞击深处的固态金属，同时很快在被焊焊件上“钻”出一个匙孔(见图1)，小孔的周围被液态金属包围；随着子束与焊件的相对移动，液态金属沿小孔周围流向熔池后部，逐渐冷却、凝固形成了焊缝。
在电子束焊接过程中，焊接熔池始终存在一个匙孔；匙孔的存在，从根本上改变了焊接熔池的传质、传热规律，由一般熔焊方法的“热导焊”转变为“穿孔焊”。
本发明所述一种用于空冷器镍基合金管中的电子束焊接方法，其有益效果在于：1.电子束穿透能力强，焊缝深宽比大；2.焊接速度快，热影响区小，焊接变形小；3.焊缝纯度高，接头质量好；4.再现性好，工艺适应性强；5.可焊材料多；6.环境污染小；7.产品批量制造成本小；8.焊接成本低，不用添加焊接材料；9.焊接头性能良好。
附图说明
图1为真空电子束焊原理图；
图2为焊接接头结构一；
图3为焊接接头结构二；
图4为焊接接头结构三；
图5为电子束焊接外观；
图6为SMAW+SAW焊接外观；
图7为电子束焊缝剖面；
图8为SMAW+SAW焊缝剖面。
具体实施方式
试验用母材的化学成分及力学性能见表1和表2。
试验的母材：板材NS1402为攀钢集团江油长城特殊钢有限公司生产，交货状态为固溶酸洗。
表1母材的化学成分
Figure BDA0002852157820000031
表2母材的力学性能
Figure BDA0002852157820000032
实施例1
如图2所示，本发明所述一种用于空冷器镍基合金管箱的电子束焊接方法，包括以下步骤：采用真空电子束焊接方法，包括如下步骤：
1)将试板母材的对接面采用磨光处理，表面粗糙度为Ra3.2μm；
2)将步骤1)中磨光处理后的试板母材进行去污处理，处理时采用丙酮擦洗，该去污处理需在焊前30min范围内进行；
调节焊接室真空度，所述焊接室真空度到达预定值后，用电子束流对母材进行30min的预热；
所述预热工艺参数为：试板母材厚度为32mm、加速电压85KV，电子束流50mA、工作距离300mm、预热速度420mm/min；
3)将步骤2)处理后的试板母材采用装夹模具固定，并用手工钨极氩弧焊进行点固焊，位置分别在焊缝的前、中、后三处，组对后的试板母材呈长方体状态并保持相邻两块试板母材之间的焊缝与水平面呈垂直状态放置；
4)将组对好的试板母材转至真空焊接室装夹工装，并送入真空焊接室，关闭真空焊接室并抽真空，真空焊接室焊接时真空度为5×l0-2；
5)待真空焊接室达到步骤4)所要求的真空度时，对上述母材进行定位焊，定位焊采用点定位，位置分别在焊缝的前、中、后三处，所述定位焊点位置与点固焊点位置的前、中、后三处错开50mm；
定位焊工艺参数为：加速电压85KV，电子束流60mA、工作距离300mm～400mm、焊接速度420mm/min～440mm/min；
6)将经过步骤5)后的试板母材进行单循环焊；
单循环焊工艺参数为：加速电压90KV，电子束流210mA、工作距离300mmmm、焊接速度380mm/min；
7)将经过步骤6)后的试板母材进行焊缝表面修饰焊，完成焊接；
修饰焊工艺参数为：试板规格为32mm、加速电压90KV，电子束流100mA、工作距离300mm、焊接速度430mm/min。
实施例2
如图3所示，本发明所述一种用于空冷器镍基合金管箱的电子束焊接方法，包括以下步骤：采用真空电子束焊接方法，包括如下步骤：
1)将试板母材的对接面采用磨光处理，表面粗糙度为Ra6.3μm；
2)将步骤1)中磨光处理后的试板母材进行去污处理，处理时采用丙酮擦洗，该去污处理需在焊前30min范围内进行；
调节焊接室真空度，焊接室真空度到达预定值后，用电子束流对母材进行 30min的预热；
所述预热工艺参数为：试板母材厚度为32mm、加速电压90KV，电子束流60mA、工作距离400mm、预热速度420mm/min；
3)将步骤2)处理后的试板母材采用全自动组对装夹模具固定，并用手工钨极氩弧焊进行点固焊，位置分别在焊缝的前、中、后三处，组对后的试板母材之间的焊缝与水平面呈垂直状态放置；
4)将组对好的试板母材转至真空焊接室装夹工装，并送入真空焊接室，关闭真空焊接室并抽真空，真空焊接室焊接时真空度为5×l0-3Pa；
5)待真空焊接室达到步骤4)所要求的真空度时，对上述母材进行定位焊，定位焊采用点定位，位置分别在焊缝的前、中、后三处，所述定位焊点位置与点固焊点位置的前、中、后三处错开20mm；
定位焊工艺参数为：加速电压90KV，电子束流70mA、工作距离400mm、焊接速度430mm/min；
6)将经过步骤5)后的试板母材采用单循环焊；
单循环焊工艺参数为：加速电压90KV，电子束流220mA、工作距离300mm、焊接速度400mm/min；
7)将经过步骤6)后试板母材进行焊缝表面修饰焊，完成焊接；
修饰焊工艺参数为：加速电压90KV，电子束流100mA、工作距离400mm、焊接速度430mm/min。
实施例3
如图4所示，本发明所述一种用于空冷器镍基合金管箱的电子束焊接方法，包括以下步骤：采用真空电子束焊接方法，包括如下步骤：
1)将两块试板母材(一个为厚度方向)采用磨光处理，表面粗糙度为Ra3.2 μm；
2)将步骤1)中磨光处理后的试板母材进行去污处理，处理时采用丙酮擦洗，该去污处理需在焊前40min范围内进行；
调节焊接室真空度，所述焊接室真空度到达预定值后，用电子束流对试板母材进行30min的预热；
所述预热工艺参数为：试板母材厚度为30mm和48mm、加速电压87KV，电子束流55mA、工作距离350mm、预热速度420mm/min；
3)将步骤2)处理后的试板母材采用装夹模具固定，并用手工钨极氩弧焊进行点固焊，位置分别在焊缝的前、中、后三处，组对后的试板母材呈直角状态；
4)将组对好的试板母材转至真空焊接室装夹工装，并送入真空焊接室，关闭真空焊接室并抽真空，焊接室焊接时真空度为5×l0-3；
5)待真空焊接室达到步骤4)所要求的真空度时，对上述母材进行定位焊，定位焊采用点定位，位置分别在焊缝的前、中、后三处，所述定位焊点位置与点固焊点位置的前、中、后三处错开30mm；
定位焊工艺参数为：加速电压87KV，电子束流50mA、工作距离350mm、焊接速度425mm/min；
6)将经过步骤5)后的试板母材进行单循环焊；
单循环焊工艺参数为：加速电压87KV，电子束流190mA、工作距离350mmmm、焊接速度380mm/min；
7)将经过步骤6)后的试板母材进行焊缝表面修饰焊，完成焊接；
修饰焊工艺参数为：加速电压87KV，电子束流105mA、工作距离350mm、焊接速度435mm/min。
焊接接头性能检测试验
对上述焊接接头从外观、化分等相关性能试验方面与传统焊接方法SMAW、 SAW进行了对比(对比焊接外观如图5-8)。
1)外观：
焊接方法 结构形式 焊接前变形量mm/m 焊接后变形量mm/m
电子束 空冷器管箱 0.4 0.8
SMAW+SAW 空冷器管箱 0.4 3.4
由试验可得：电子束焊接管箱的变形更小。
Figure BDA0002852157820000061
Figure BDA0002852157820000071
电子束焊接焊缝深宽比大，热影响区小，不使用焊接材料，节约成本，且焊缝成形优于传统焊接方法SMAW+SAW。
性能检测
(1)化学成分，见表3。
表3化学分析
方法 C Si S P Mn Cr Ni Mo Ti Fe
原材料 0.014 0.18 0.002 0.015 0.27 21.98 42.35 3.19 0.69 其余
电子束 0.017 0.19 0.001 0.013 0.30 22.05 43.98 3.27 0.68 其余
SMAW 0.026 0.32 0.001 0.014 0.42 22.57 48.36 5.44 0.76 其余
SAW 0.022 0.28 0.001 0.015 0.38 22.68 53.34 6.30 0.79 其余
由试验可得：电子束焊缝化学成分更接近原材料,与原材料更匹配，焊缝纯度更高。
(2)接头板材拉伸，焊接接头室温拉伸试验，见表4。
表4室温拉伸试验
焊接方法 实验温度(℃) So(mm<sup>2</sup>) Rm(MPa) 断裂位置
电子束 15 660.4 667/664 母材
SMAW 15 662.6 645/654 热影响区
SAW 15 665.2 635/644 热影响区
由试验可得：电子束焊接接头抗拉强度更好。
(3)高温圆棒拉伸，焊接接头高温圆棒拉伸试验，见表5。
表5高温拉伸试验
Figure BDA0002852157820000072
Figure BDA0002852157820000081
由试验可得：电子束焊接接头在100℃、200℃、300℃的高温下，都要优于传统焊接方法SMAW、SAW。
(4)横向弯曲，焊接接头横向弯曲试验，见表6。
表6横向弯曲试验
焊接方法 弯曲直径 弯曲角度 厚度 判定结果
电子束 d＝4a α＝180° a＝10mm 合格
SMAW d＝4a α＝180° a＝10mm 合格
SAW d＝4a α＝180° a＝10mm 合格
由试验可得：电子束焊接接头与传统焊接方法一样，能够满足标准要求。
(5)低温冲击，焊缝、热影响区低温冲击试验，见表7。
表7低温冲击试验
Figure BDA0002852157820000082
由试验可得：电子束焊接接头的低温冲击韧性优于SMAW/SAW.
(6)硬度试验，焊缝、热影响区硬度试验，见表8。
表8硬度试验
Figure BDA0002852157820000083
Figure BDA0002852157820000091
由试验可得：电子束焊接接头的硬度明显低于SMAW/SAW焊接接头，因此接头性能更好。
(5)腐蚀试验
晶间腐蚀试验(ASTM A262-C法)5个周期腐蚀速率(mm/月)[≤0.075]，见表7。
表7晶间腐蚀试验(ASTM A262-C法5个周期)
Figure BDA0002852157820000092
由试验可得：电子束焊接接头的耐腐蚀性能要优于SMAW/SAW焊接接头，抗腐蚀能力更强。
综上可知本发明所述焊接方法优点是，焊缝深宽比大，焊接速度快，热影响区小，焊接变形小，焊缝纯度高，再现性好，工艺适应性强，环境污染小，产品批量制造成本小，焊接成本低，不用添加焊接材料，焊接头性能良好能够大幅提高焊接质量和焊接效率，降低企业制造成本，减少废渣废气的排放。

Claims (9)

1.一种用于空冷器镍基合金管箱的电子束焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：采用真空电子束焊接方法，包括如下步骤：
1)将母材的对接面采用磨光处理，表面粗糙度为Ra6.3μm～Ra3.2μm；
2)将步骤1)中磨光处理后的母材进行去污处理，处理时采用丙酮擦洗，所述去污处理需在焊前30min内进行；
3)将步骤2)处理后的母材对接固定，并进行点固焊，位置分别在焊缝的前、中、后三处，对接后的相邻两块母材成垂直状态放置；
4)将对接好的母材转至真空焊接室，关闭真空焊接室并抽真空，真空焊接室真空度为5×l0-2～5×l0-3Pa；
5)待真空焊接室达到步骤4)所要求的真空度时，对上述母材进行定位焊，定位焊采用点定位，位置分别在焊缝的前、中、后三处，所述定位焊点位置与点固焊点位置的前、中、后三处错开10-50mm；
定位焊工艺参数为：所述母材厚度为30mm-32mm、加速电压85KV～90KV，电子束流60mA～70mA、工作距离300mm～400mm、焊接速度420mm/min～440mm/min；
6)将经过步骤5)后的母材进行单循环焊；
单循环焊工艺参数为：所述母材厚度为30mm-32mm、加速电压85KV～90KV，电子束流210mA～220mA、工作距离300mm～400mm、焊接速度380mm/min～400mm/min；
7)将经过步骤6)后的母材进行焊缝表面修饰焊；
修饰焊工艺参数为：所述母材厚度为30mm-32mm、加速电压85KV～90KV，电子束流100mA～110mA、工作距离300mm～400mm、焊接速度430mm/min～450mm/min；
8)步骤7)完成后对对接母材焊缝进行RT 100％I级合格检测。
2.如权利要求1所述一种用于空冷器镍基合金管箱的电子束焊接方法，其特征在于：所述真空焊接室的真空度到达预定值后在定位焊前，用电子束流对待焊母材进行30min的预热；
所述预热工艺参数为：所述母材厚度为30mm-32mm、加速电压85KV～90KV，电子束流50mA～60mA、工作距离300mm～400mm、焊接速度420mm/min～440mm/min。
3.如权利要求2所述一种用于空冷器镍基合金管箱的电子束焊接方法，其特征在于：所述母材为镍基合金。
4.如权利要求3所述一种用于空冷器镍基合金管箱的电子束焊接方法，其特征在于：所述镍基合金厚度为32mm。
5.如权利要求4所述一种用于空冷器镍基合金管箱的电子束焊接方法，其特征在于：所述镍基合金管的主要合金元素是Ni、Cr、Mo、Cu，其中合金元素占镍基合金的百分数为60％～70％。
6.如权利要求5所述一种用于空冷器镍基合金管箱的电子束焊接方法，其特征在于：所述焊接时焊缝与水平面垂直。
7.如权利要求6所述一种用于空冷器镍基合金管箱的电子束焊接方法，其特征在于：所述将步骤2)处理后的母材采用全自动组对接模具固定，对接后的母材用手工钨极氩弧焊进行点固焊。
8.如权利要求7所述一种用于空冷器镍基合金管箱的电子束焊接方法，其特征在于：所述对接后的母材的对接缝与水平面呈垂直状态放置。
9.如权利要求1-8所述一种用于空冷器镍基合金管箱的电子束焊接方法，其特征在于：所述母材为空冷器镍基合金管箱中的管箱盖板。
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