CN113770503A - 一种异种合金焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种异种合金焊接方法，具体包括：步骤一、将第一待接合件和第二待接合件分别安装于摩擦焊接设备夹具上，使第一待接合件中心线和第二待接合件中心线位于同一水平线上；步骤二、将Al粉末利用等离子热喷涂工艺在第一待接合件焊接面制备Al涂层，将Cu粉末利用等离子热喷涂工艺在第二待接合件焊接面制备Cu涂层；步骤三、启动摩擦焊接设备，经一级加压阶段、二级加压阶段和顶锻阶段进行焊接；步骤四、对步骤三焊接后焊件进行热处理。本发明创造性地以摩擦焊接技术制备得到异种合金，满足锅炉过热器所用管材的抗腐蚀性、抗氧化性和高温蠕变性能的要求，具有焊接接头质量高、生产效率高、生产成本低、节能环保的特点。

Description

一种异种合金焊接方法
技术领域
本发明属于超超临界机组设备技术领域，具体涉及一种异种合金焊接方法。
背景技术
超超临界机组作为目前世界最先进的洁净煤发电技术以其高效环保和节能等优势成为我国目前及未来一段时期内火力发电的必然趋势。据不完全统计，我国目前正在建设和规划建设的超超临界机组有近50台，其容量为600MW和1000MW两个级别，这些机组从2007年起陆续投入运行，我国已经成为世界上拥有超超临界机组最多的国家。
发展超超临界机组机组的关键技术之一就是新型耐热钢的开发和应用，其中以Sup304H奥氏体耐热钢和以Incoloy800系列合金为代表的高温镍基合金正是应用于1000MW超超临界机组的材料。目前，我国超超临界机组所用设备材料主要依靠进口，自主研发新型材料是我国超超临界机组技术研究的重中之重。
我国超超临界机组机组在压力上高于日本，在温度上高于欧洲同类机组，在管道选材方面，目前世界上并无一台相同的机型可供借鉴。同时，依赖我国目前对异种合金焊接技术，尚无法满足我国超超临界机组设计、制造及安全运行的需求。因此，针对我国引进建设的超超临界机组的特点，开展焊接技术的研究是我国近期超超临界机组建设和安全运行的迫切需要。
超超临界机组机组中，过热器管、省煤器管、水冷壁管、再热器管作为机组中重要区域，其运行状况直接关系到超超临界机组机组运行，锅炉过热器各区域蒸汽温度不同，对所用管材的抗腐蚀性、抗氧化性和高温蠕变性能的要求也不同，在机组过热器管部件中存在大量焊接接头，焊接接头性能的优劣直接关系到机组的安全可靠运行，开发焊接技术，对于我国超超临界机组的技术研发和安全运行将会产生显著的经济效益和社会效益。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种异种合金焊接方法。本发明创造性地以摩擦焊接技术制备得到异种合金，满足锅炉过热器所用管材的抗腐蚀性、抗氧化性和高温蠕变性能的要求，具有焊接接头质量高、生产效率高、生产成本低、节能环保的特点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种异种合金焊接方法，其特征在于，包括利用摩擦焊接设备，将第一待接合件和第二待接合件进行焊接，所述第一待接合件材料和第二待接合件材料不同。
上述的一种异种合金焊接方法，其特征在于，所述焊接方法具体包括：
步骤一、将第一待接合件和第二待接合件分别安装于摩擦焊接设备夹具上，使第一待接合件中心线和第二待接合件中心线位于同一水平线上；
步骤二、将Al粉末利用等离子热喷涂工艺在第一待接合件焊接面制备Al涂层，将Cu粉末利用等离子热喷涂工艺在第二待接合件焊接面制备Cu涂层；
步骤三、启动摩擦焊接设备，经一级加压阶段、二级加压阶段和顶锻阶段进行焊接；
步骤四、对步骤三焊接后焊件进行热处理，完成异种合金的焊接；热处理具体包括：以200℃/h～400℃/h的升温速率升至850℃～950℃，保持2h～4h，以200℃/h～400℃/h的降温速率降至室温。
上述的一种异种合金焊接方法，其特征在于，所述第一待接合件为钢管，所述第二待接合件为合金管。
上述的一种异种合金焊接方法，其特征在于，所述钢管为奥氏体耐热钢管，所述合金管为镍基合金管。
上述的一种异种合金焊接方法，其特征在于，步骤二所述Al涂层的厚度和Cu涂层的厚度均为100μm～200μm。
上述的一种异种合金焊接方法，其特征在于，步骤二所述等离子热喷涂工艺参数均为：电弧电压为100V～200V，电弧电流为600A～800A，氮气流量为20L/min～40L/min，氮气压力为1.0MPa～2.0MPa，氢气流量为20L/min～40L/min，氢气压力1.0MPa～2.0MPa，喷枪移动速度20mm/s～40mm/s，喷涂距离200mm～300mm。
上述的一种异种合金焊接方法，其特征在于，步骤二所述Al粉末为将铝粉烘干后得到的Al粉末，所述铝粉中Al含量﹥99.99％，平均粒径<20μm；所述Cu粉末为将铜粉烘干后得到的Cu粉末，所述铜粉中Cu含量﹥99.99％，平均粒径<30μm。
上述的一种异种合金焊接方法，其特征在于，步骤三所述一级加压转速为1200转/分～1600转/分，摩擦压力为40MPa～60MPa，摩擦时间为2秒～4秒；所述二级加压转速为1200转/分～1600转/分，摩擦压力为60MPa～120MPa，摩擦时间为6秒～8秒；所述顶锻压力为150MPa～250MPa，顶锻时间为4秒～6秒。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的异种合金焊接方法创造性地利用摩擦焊接技术，具有焊接接头质量高、生产效率高、生产成本低、节能环保的特点。
2、作为优选，本发明的异种合金焊接方法包括在待接合件的焊接面制备涂层，且涂层分别为Al涂层和Cu涂层，利用摩擦热使焊接面涂层Al金属和Cu金属热塑化后扩散和再结晶，可实现高的再结晶形核率和均匀大量形核，提高焊缝区再结晶组织动态化完善率，晶粒组织细化程度高，焊缝含有更多细晶或超细晶组织，组织致密且夹杂物弥散分布，焊缝接头具有高的连接质量和力学性能。
3、作为优选，本发明为奥氏体耐热钢管和镍基合金管利用摩擦焊进行异种焊接，充分结合奥氏体耐热钢的高蠕变断裂强度和抗高温蒸汽氧化性能以及高温镍基合金的耐氯化物的应力腐蚀开裂性、优良的蠕变断裂强度和耐均匀腐蚀性能，焊接界面不发生熔化，焊合区金属为锻造组织，可有效避免因焊接界面熔化造成的气孔、夹渣等缺陷，得到具有更高力学性能的奥氏体耐热钢和高温镍基合金异种合金焊件。
4、本发明的方法效率高、控制参数少、易于机械自动化，具有极高的生产效率和极低的生产成本，焊接过程不产生烟尘或有害气体，不产生飞溅，没有弧光和火花，节能环保。
5、本发明的焊接方法具有很高的推广应用价值。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为实施例1完成异种合金焊接后焊件的形貌示意图。
图2为实施例1完成异种合金焊接后焊件的焊接界面金相照片。
具体实施方式
以下实施例中，钢管优选奥氏体耐热钢管，比如日本Sup304H钢管，合金管优选镍基合金高温管，比如美国Incoloy 800H合金管，作为一种可行的实施方式，Sup304H钢管外径为45mm，厚度为9mm，Incoloy 800H合金管外径为45mm，厚度为9mm,钢管和合金管长度均为0.2m。
实施例1
本实施例提供一种异种合金的焊接方法，包括利用摩擦焊接设备，将第一待接合件和第二待接合件进行焊接，所述第一待接合件和第二待接合件为不同材料；
所述摩擦焊接设备满足以下性能要求：摩擦过程能实现两级加压，其中一级加压阶段转速满足(0～2000)转/分，摩擦压力满足(0～100)MPa，摩擦时间满足(0～10)秒；二级加压阶段转速满足(0～2000)转/分，摩擦压力满足(0～200)MPa，摩擦时间满足(0～10)秒，顶锻阶段顶锻压力满足(0～300)MPa，顶锻时间满足(0～10)秒；
所述焊接方法具体包括：
步骤一、将第一待接合件和第二待接合件分别安装于摩擦焊接设备夹具上，使第一待接合件中心线和第二待接合件中心线位于同一水平线上，夹紧第一待接合件和第二待接合件使不产生晃动，对第一待接合件焊接面和第二待接合件焊接面进行除锈、除氧化皮和除油清洁；所述第一待接合件为钢管，所述第二待接合件为合金管；
步骤二、利用等离子热喷涂工艺制备涂层，具体包括：将Al粉末利用等离子热喷涂工艺在第一待接合件焊接面制备Al涂层，以及将Cu粉末利用等离子热喷涂工艺在第二待接合件焊接面制备Cu涂层，所述Al涂层的厚度和Cu涂层的厚度均为100μm；在第一待接合件焊接面制备Al涂层和在第二待接合件焊接面制备Cu涂层所用等离子热喷涂工艺参数均为：电弧电压为100V，电弧电流为600A，氮气流量为20L/min，氮气压力为1.0MPa，氢气流量为20L/min，氢气压力1.0MPa，喷枪移动速度20mm/s，喷涂距离200mm；所述Al粉末为将铝粉在200℃烘箱中烘干60min后得到的Al粉末，所述铝粉中Al含量﹥99.99％，平均粒径<20μm；所述Cu粉末为将铜粉在200℃烘箱中烘干60min后得到的Cu粉末，所述铜粉中Cu含量﹥99.99％，平均粒径<30μm；
步骤三、启动摩擦焊接设备，经一级加压阶段、二级加压阶段和顶锻阶段进行焊接；所述一级加压转速为1200转/分，摩擦压力为40MPa，摩擦时间为2秒；所述二级加压转速为1200转/分，摩擦压力为60MPa，摩擦时间6秒；所述顶锻压力为150MPa，顶锻时间为4秒；
步骤四、对步骤三焊接后焊件的接头处进行热处理，完成异种合金的焊接；热处理具体包括：以200℃/h的升温速率升至850℃，保持2h，以200℃/h的降温速率降至室温；所述室温为20℃～25℃。
性能测试：
图1实施例1完成异种合金焊接后焊件的形貌示意图，图2为实施例1完成异种合金焊接后焊件焊接界面的金相照片，根据图1和图2可知，接头界面以细晶组织为主，界面清晰平直，表明采用本发明的焊接方法得到的焊件，焊接界面具有良好的力学性能。
对比例1
本对比例为利用氩弧焊将实施例1的钢管和合金管进行焊接的方法，其中，焊丝选用H1Cr18Ni9Ti，氩气为保护气，氩气流量8L/min，电焊机为直流电焊机，焊接电流150A，焊接电压18V。
对比例2
本对比例与实施例1相同，其中不同之处在于，不经过步骤二。
实施例2
本实施例提供一种异种合金的焊接方法，包括利用摩擦焊接设备，将第一待接合件和第二待接合件进行焊接，所述第一待接合件和第二待接合件为不同材料；
所述摩擦焊接设备满足以下性能要求：摩擦过程能实现两级加压，其中一级加压阶段转速满足(0～2000)转/分，摩擦压力满足(0～100)MPa，摩擦时间满足(0～10)秒；二级加压阶段转速满足(0～2000)转/分，摩擦压力满足(0～200)MPa，摩擦时间满足(0～10)秒，顶锻阶段顶锻压力满足(0～300)MPa，顶锻时间满足(0～10)秒；
所述焊接方法具体包括：
步骤一、将第一待接合件和第二待接合件分别安装于摩擦焊接设备夹具上，使第一待接合件中心线和第二待接合件中心线位于同一水平线上，夹紧第一待接合件和第二待接合件使不产生晃动，对第一待接合件焊接面和第二待接合件焊接面进行除锈、除氧化皮和除油清洁；所述第一待接合件为钢管，所述第二待接合件为合金管；
步骤二、利用等离子热喷涂工艺制备涂层，具体包括：将Al粉末利用等离子热喷涂工艺在第一待接合件焊接面制备Al涂层，以及将Cu粉末利用等离子热喷涂工艺在第二待接合件焊接面制备Cu涂层，所述Al涂层的厚度和Cu涂层的厚度均为150μm；在第一待接合件焊接面制备Al涂层和在第二待接合件焊接面制备Cu涂层所用等离子热喷涂工艺参数均为：电弧电压为150V，电弧电流为700A，氮气流量为30L/min，氮气压力为1.5MPa，氢气流量为30L/min，氢气压力1.5MPa，喷枪移动速度30mm/s，喷涂距离250mm；所述Al粉末为将铝粉在200℃烘箱中烘干60min后得到的Al粉末，所述铝粉中Al含量﹥99.99％，平均粒径<20μm；所述Cu粉末为将铜粉在200℃烘箱中烘干60min后得到的Cu粉末，所述铜粉中Cu含量﹥99.99％，平均粒径<30μm；
步骤三、启动摩擦焊接设备，经一级加压阶段、二级加压阶段和顶锻阶段进行焊接；所述一级加压转速为1400转/分，摩擦压力为50MPa，摩擦时间为3秒；所述二级加压转速为1400转/分，摩擦压力为80MPa，摩擦时间7秒；所述顶锻压力为200MPa，顶锻时间为5秒；
步骤四、对步骤三焊接后焊件的接头处进行热处理，完成异种合金的焊接；热处理具体包括：以300℃/h的升温速率升至900℃，保持3h，以300℃/h的降温速率降至室温；所述室温为20℃～25℃。
本实施例的焊件性能与实施例1基本一致。
对比例3
本对比例为利用氩弧焊将实施例2的钢管和合金管进行焊接的方法，其中，焊丝选用H1Cr18Ni9Ti，氩气为保护气，氩气流量10L/min，电焊机为直流电焊机，焊接电流160A，焊接电压20V。
对比例4
本对比例与实施例2相同，其中不同之处在于，不经过步骤二。
实施例3
本实施例提供一种异种合金的焊接方法，包括利用摩擦焊接设备，将第一待接合件和第二待接合件进行焊接，所述第一待接合件和第二待接合件为不同材料；
所述摩擦焊接设备满足以下性能要求：摩擦过程能实现两级加压，其中一级加压阶段转速满足(0～2000)转/分，摩擦压力满足(0～100)MPa，摩擦时间满足(0～10)秒；二级加压阶段转速满足(0～2000)转/分，摩擦压力满足(0～200)MPa，摩擦时间满足(0～10)秒，顶锻阶段顶锻压力满足(0～300)MPa，顶锻时间满足(0～10)秒；
所述焊接方法具体包括：
步骤一、将第一待接合件和第二待接合件分别安装于摩擦焊接设备夹具上，使第一待接合件中心线和第二待接合件中心线位于同一水平线上，夹紧第一待接合件和第二待接合件使不产生晃动，对第一待接合件焊接面和第二待接合件焊接面进行除锈、除氧化皮和除油清洁；所述第一待接合件为钢管，所述第二待接合件为合金管；
步骤二、利用等离子热喷涂工艺制备涂层，具体包括：将Al粉末利用等离子热喷涂工艺在第一待接合件焊接面制备Al涂层，以及将Cu粉末利用等离子热喷涂工艺在第二待接合件焊接面制备Cu涂层，所述Al涂层的厚度和Cu涂层的厚度均为200μm；在第一待接合件焊接面制备Al涂层和在第二待接合件焊接面制备Cu涂层所用等离子热喷涂工艺参数均为：电弧电压为200V，电弧电流为800A，氮气流量为40L/min，氮气压力为2.0MPa，氢气流量为40L/min，氢气压力2.0MPa，喷枪移动速度40mm/s，喷涂距离300mm；所述Al粉末为将铝粉在200℃烘箱中烘干60min后得到的Al粉末，所述铝粉中Al含量﹥99.99％，平均粒径<20μm；所述Cu粉末为将铜粉在200℃烘箱中烘干60min后得到的Cu粉末，所述铜粉中Cu含量﹥99.99％，平均粒径<30μm；
步骤三、启动摩擦焊接设备，经一级加压阶段、二级加压阶段和顶锻阶段进行焊接；所述一级加压转速为1600转/分，摩擦压力为60MPa，摩擦时间为4秒；所述二级加压转速为1600转/分，摩擦压力为120MPa，摩擦时间8秒；所述顶锻压力为250MPa，顶锻时间为6秒；
步骤四、对步骤三焊接后焊件的接头处进行热处理，完成异种合金的焊接；热处理具体包括：以400℃/h的升温速率升至950℃，保持4h，以400℃/h的降温速率降至室温；所述室温为20℃～25℃。
本实施例的焊件性能与实施例1基本一致。
对比例5
本对比例为利用氩弧焊将实施例3的钢管和合金管进行焊接的方法，其中，焊丝选用H1Cr18Ni9Ti，氩气为保护气，氩气流量12L/min，电焊机为直流电焊机，焊接电流140A，焊接电压16V。
对比例6
本对比例与实施例3相同，其中不同之处在于，不经过步骤二。
力学评价：
分别对实施例1～3和对比例1～6所得焊件力学性能进行测试，测试方法依据《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》(NB/T 47016-2011)，采用电子万能材料试验机进行拉伸强度试验，每试样对应标准拉伸试样6个，取平均值。冲击韧性试验依据《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》(GB/T 229-2007)，每试样对应6个标准试样，取平均值，测试结果见表1。
根据表1可知，采用本发明焊接方法进行焊接的焊接接头抗拉强度和冲击韧性均远高于相应利用氩弧焊和未喷涂摩擦焊两种焊接工艺进行焊接的焊接接头力学性能，采用本发明焊接方法进行焊接的焊接接头拉伸试样断裂位置在奥氏体耐热钢钢管母材处，而不是在焊缝处，表明采用本发明焊接工艺焊接的奥氏体耐热钢钢管和高温镍基合金管焊接接头具有良好的力学性能。
表1焊件焊接接头抗拉强度和冲击韧性
Figure BDA0003260612340000101
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种异种合金焊接方法，其特征在于，包括利用摩擦焊接设备，将第一待接合件和第二待接合件进行焊接，所述第一待接合件材料和第二待接合件材料不同。
2.根据权利要求1所述的一种异种合金焊接方法，其特征在于，所述焊接方法具体包括：
步骤一、将第一待接合件和第二待接合件分别安装于摩擦焊接设备夹具上，使第一待接合件中心线和第二待接合件中心线位于同一水平线上；
步骤二、将Al粉末利用等离子热喷涂工艺在第一待接合件焊接面制备Al涂层，将Cu粉末利用等离子热喷涂工艺在第二待接合件焊接面制备Cu涂层；
步骤三、启动摩擦焊接设备，经一级加压阶段、二级加压阶段和顶锻阶段进行焊接；
步骤四、对步骤三焊接后焊件进行热处理，完成异种合金的焊接；热处理具体包括：以200℃/h～400℃/h的升温速率升至850℃～950℃，保持2h～4h，以200℃/h～400℃/h的降温速率降至室温。
3.根据权利要求2所述的一种异种合金焊接方法，其特征在于，所述第一待接合件为钢管，所述第二待接合件为合金管。
4.根据权利要求3所述的一种异种合金焊接方法，其特征在于，所述钢管为奥氏体耐热钢管，所述合金管为镍基合金管。
5.根据权利要求2所述的一种异种合金焊接方法，其特征在于，步骤二所述Al涂层的厚度和Cu涂层的厚度均为100μm～200μm。
6.根据权利要求2所述的一种异种合金焊接方法，其特征在于，步骤二所述等离子热喷涂工艺参数均为：电弧电压为100V～200V，电弧电流为600A～800A，氮气流量为20L/min～40L/min，氮气压力为1.0MPa～2.0MPa，氢气流量为20L/min～40L/min，氢气压力1.0MPa～2.0MPa，喷枪移动速度20mm/s～40mm/s，喷涂距离200mm～300mm。
7.根据权利要求2所述的一种异种合金焊接方法，其特征在于，步骤二所述Al粉末为将铝粉烘干后得到的Al粉末，所述铝粉中Al含量﹥99.99％，平均粒径<20μm；所述Cu粉末为将铜粉烘干后得到的Cu粉末，所述铜粉中Cu含量﹥99.99％，平均粒径<30μm。
8.根据权利要求2所述的一种异种合金焊接方法，其特征在于，步骤三所述一级加压转速为1200转/分～1600转/分，摩擦压力为40MPa～60MPa，摩擦时间为2秒～4秒；所述二级加压转速为1200转/分～1600转/分，摩擦压力为60MPa～120MPa，摩擦时间为6秒～8秒；所述顶锻压力为150MPa～250MPa，顶锻时间为4秒～6秒。
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