CN114833438A - 双相不锈钢与奥氏体不锈钢惯性摩擦焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双相不锈钢与奥氏体不锈钢惯性摩擦焊接方法，采用惯性摩擦焊接技术实现优质、高效、清洁的双相不锈钢与奥氏体不锈钢焊接，在海洋工程、石油化工、核电等异种不锈钢焊接领域具有广阔的应用前景；本焊接方法材料利用率高，焊接效率高且焊缝质量稳，焊接质量好；焊前采取整体预热，减少了焊接区域与母材区域的温度差，可降低焊接结构拘束度与焊接应力，减少裂纹发生率，优化焊接效果；双相不锈钢与奥氏体不锈钢的焊接接头具有良好的机械性能和耐腐蚀性；焊接界面的焊接结合情况良好。
Description
技术领域
本发明涉及不锈钢焊接领域，具体涉及一种双相不锈钢与奥氏体不锈钢惯性摩擦焊接方法。
背景技术
双相不锈钢，由于其兼具奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点，与奥氏体不锈钢相比强度高，特别是屈服强度显著提高，且耐晶间腐蚀、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳等性能有明显改善，它具有高强度、良好的冲击韧性以及良好的整体和局部抗腐蚀能力。2205双相不锈钢是使用量最大的双相不锈钢，在工程领域有逐渐取代奥氏体不锈钢的趋势；在制造一些海水设备时，存在316L奥氏体不锈钢和2205双相不锈钢的异种不锈钢焊接问题。比如在某电厂引进国外海水淡化装置时，需要将2205双相不锈钢材质的喷射器管道与316L不锈钢制成的管道连接在一起，就产生了双相不锈钢与奥氏体不锈钢焊接的问题。
因成分、组织、性能的差异，双相不锈钢和奥氏体不锈钢在焊接高温作用下，会发生有别于同种钢焊接特点。由于两者的物理、化学性能存在许多差异，导致焊接接头组织元素分布不均匀，双相不锈钢和奥氏体不锈钢Cr、Ni含量差距会造成碳迁移，形成增脱碳层，使接头强度和塑性降低。接头组织的不均匀性，双相不锈钢中含有大量铁素体，而奥氏体不锈钢铁素体含量很少，在焊接热循环以及成分不均匀的双重作用下，接头内各区域形成不同组织结构，甚至个别区域还会出现复杂的组织结构成分，焊接接头两相比例难以保证，进而导致性能的差异。
目前对异种不锈钢焊接方面的专利包括有CN201710155787.2、CN99805949.8 、CN201911014458.1等，大多采用熔焊用于材料的焊接，如焊条电弧焊、气体保护焊和埋弧焊等。但以电弧焊为代表的熔焊工艺焊接异种不锈钢时仍然存在一些缺陷，如专利CN201710155787.2 采用TIG焊和SMAW焊对两种不同奥氏体不锈钢进行焊接，焊接工艺复杂，所成形焊接接头晶间腐蚀性能可满足标准要求，但易出现裂纹、气孔等焊接缺陷；专利CN99805949.8公开了一种铁素体－奥氏体不锈钢自熔焊接方法，所成形焊接接头虽然保证了焊缝良好的抗蚀性，但抗拉强度存在一定程度的下降；专利CN201911014458.1提供了一种不锈钢与异种材料电弧焊接的方法，即采用直线秒顿方法焊接不锈钢与异种材料之间的对接焊缝，焊接过程工艺复杂，整体焊接效率不高。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种双相不锈钢与奥氏体不锈钢惯性摩擦焊接方法。
本发明解决技术问题所采用的方案是，一种双相不锈钢与奥氏体不锈钢惯性摩擦焊接方法，包括以下步骤：
步骤1：对需要待焊接的双相不锈钢、奥氏体不锈钢进行清洗；
步骤2：对不锈钢的待焊表面进行切割平整以去除焊件表面氧化物，然后，对加工后的焊接端面进行打磨抛光；
步骤3：使用丙酮浸泡不锈钢表面，防止油污、切削液等残留杂质污染不锈钢表面；
步骤4：对丙酮浸泡后的不锈钢进行预热；
步骤5：将步骤4中完成预处理后的不锈钢夹持于惯性摩擦焊设备；
步骤6：设置惯性摩擦焊机的焊接参数，主轴带动工件和飞轮加速到预设转速，在所设定轴向压力作用下两工件端面互相摩擦，焊接界面温度在摩擦热的作用下迅速升高逐渐达到高温塑性状态，进而形成惯性摩擦焊接头；
步骤7：去除工件连接处沿径向挤出的飞边。
进一步的，在步骤1中，双相不锈钢和奥氏体不锈钢分别为2205/316L不锈钢。
进一步的，在步骤1中，采用激光清洗机进行清洗，清洗时激光功率为300-400W，激光的重复频率为8-10KHZ，转盘速度为25-30°/h。
进一步的，在步骤3、步骤7中，均采用采用数控加工中心对不锈钢进行加工。
进一步的，在步骤3中，采用千叶轮进行打磨抛光。
进一步的，在步骤3中，丙酮浸泡时间为20-25分钟，浸泡时采用不锈钢钢丝刷对焊接端面进行刷洗。
进一步的，在步骤4中，采用加热炉对不锈钢进行预热，温度控制在150-200℃。
进一步的，在步骤5中，刚性夹紧装置通过液压装夹的方式，控制焊接装夹后对中偏差小于0.8mm，以良好对中保证接头的焊接质量。
进一步的，在步骤6中，转速2100-3100rpm，压力为4-10MPa，转动惯量为4.17kg·m^2，保压时间为10-15秒。
进一步的，步骤7完成后，对焊接后的不锈钢构件进行成品检查，对焊接后的不锈钢进行拉伸强度和显微硬度等分析测试。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过惯性摩擦焊，实现优质、高效、清洁的双相不锈钢与奥氏体不锈钢焊接，在海洋工程、石油化工、核电等异种不锈钢焊接领域具有广阔的应用前景；材料利用率高，焊接效率高且焊缝质量稳，焊接质量好；焊前采取整体预热，减少了焊接区域与母材区域的温度差，可降低焊接结构拘束度与焊接应力，减少裂纹发生率，优化焊接效果；双相不锈钢与奥氏体不锈钢的焊接接头具有良好的机械性能和耐腐蚀性；焊接界面的焊接结合情况良好，金相组织中铁素体和奥氏体比均衡。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为本发明焊件拉伸曲线图。
图2为本发明316L母材拉伸曲线图。
图3为本发明焊件显微硬度图。
图4为本发明焊件焊缝微观金相图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-4所示，所采用的2205/316L不锈钢均为直径35mm的棒材，初始均为热轧态。
实施例1
（1）将待焊接的2205/316L不锈钢棒材送入激光清洗机中进行清洗，激光清洗机清洗时的功率为350W，激光的重复频率为9kHz，转盘速度为25°/h。
（2）采用数控加工中心对不锈钢的待焊表面进行切割平整以去除焊件表面氧化物，后使用千叶轮对加工后的焊接端面进行打磨抛光；
（3）使用丙酮浸泡打磨后的不锈钢待摩擦表面20分钟，并用不锈钢钢丝刷对焊接端面进行刷洗，防止油污、切削液等残留杂质污染不锈钢表面；
（4）将浸泡清洁后的不锈钢放入加热炉进行预热至150℃；
（5）将完成预处理后的焊件与焊接夹具装配，2205双相不锈钢式件装入惯性摩擦焊设备主轴端的飞轮侧，316L奥氏体不锈钢试件与焊接夹具装配后装入惯性摩擦焊设备尾座部分的顶锻侧；焊件夹具包括分瓣加紧夹具和刚性加紧装置，惯性摩擦焊接设备通过液压制动夹紧焊接夹具，通过机械调整控制双相不锈钢和奥氏体不锈钢焊件的对中偏差小于0.8mm；
（6）设置惯性摩擦焊机的焊接参数，装载的飞轮转动惯量为4.17kg•m[1]，最高转速为2900rpm，摩擦转速为2700rpm，顶端转速为2100rpm，摩擦压力为6 MPa ，顶端压力为9MPa。设置好参数后在电机驱动作用下，工件和飞轮在主轴的带动下加速到预设最高转速2900rpm，焊接能量转化为储存在转动飞轮中的动能，在飞轮与驱动电机发生脱离时移动端与旋转端相接触，当飞轮转速降至摩擦转速2700rpm时，施加预设轴向摩擦压力6 MPa使得两工件端面相互摩擦，在摩擦热的作用下使得工件界面温度迅速升高逐渐进入高温塑性状态，高温塑性金属在轴向摩擦力作用下沿工件径向逐渐挤出飞边。随着飞轮主轴的动能消耗，飞轮转速下降至顶端转速2100rpm时，移动端焊接件在顶锻压力9MPa作用下产生顶锻刹车，直到飞轮和主轴的动能消耗为零之后，此时并不立即撤去轴向焊接压力，维持焊接压力10秒后再撤去轴向焊接压力。
（7）撤销轴向焊接压力后，2205/316L不锈钢焊接为一体成为组合件，在移动滑台后退至指定位置后松开移动滑台上的焊接夹持工装，将焊接件卸下。
（8）采用数控加工中心去除工件连接处沿径向挤出的飞边。
实施例2
（1）将待焊接的2205/316L不锈钢棒材送入激光清洗机中进行清洗，激光清洗机清洗时的功率为350W，激光的重复频率为9kHz，转盘速度为25°/h。
（2）采用数控加工中心对不锈钢的待焊表面进行切割平整以去除焊件表面氧化物，后使用千叶轮对加工后的焊接端面进行打磨抛光；
（3）使用丙酮浸泡打磨后的不锈钢待摩擦表面20分钟，并用不锈钢钢丝刷对焊接端面进行刷洗，防止油污、切削液等残留杂质污染不锈钢表面；
（4）将浸泡清洁后的不锈钢放入加热炉进行预热至200℃；
（5）将完成预处理后的焊件与焊接夹具装配，2205双相不锈钢式件装入惯性摩擦焊设备主轴端的飞轮侧，316L奥氏体不锈钢试件与焊接夹具装配后装入惯性摩擦焊设备尾座部分的顶锻侧；焊件夹具包括分瓣加紧夹具和刚性加紧装置，惯性摩擦焊接设备通过液压制动夹紧焊接夹具，通过机械调整控制双相不锈钢和奥氏体不锈钢焊件的对中偏差小于0.8mm；
（6）设置惯性摩擦焊机的焊接参数，装载的飞轮转动惯量为4.17kg•m[1]，最高转速为3100rpm，摩擦转速为2900rpm，顶端转速为2300rpm，摩擦压力为4 MPa ，顶端压力为7MPa，保压时间为10s。
（7）撤销轴向焊接压力后，2205/316L不锈钢焊接为一体成为组合件，在移动滑台后退至指定位置后松开移动滑台上的焊接夹持工装，将焊接件卸下。
（8）采用数控加工中心去除工件连接处沿径向挤出的飞边。
实施例3
（1）将待焊接的2205/316L不锈钢棒材送入激光清洗机中进行清洗，激光清洗机清洗时的功率为350W，激光的重复频率为9kHz，转盘速度为25°/h。
（2）采用数控加工中心对不锈钢的待焊表面进行切割平整以去除焊件表面氧化物，后使用千叶轮对加工后的焊接端面进行打磨抛光；
（3）使用丙酮浸泡打磨后的不锈钢待摩擦表面20分钟，并用不锈钢钢丝刷对焊接端面进行刷洗，防止油污、切削液等残留杂质污染不锈钢表面；
（4）将浸泡清洁后的不锈钢放入加热炉进行预热至150℃；
（5）将完成预处理后的焊件与焊接夹具装配，2205双相不锈钢式件装入惯性摩擦焊设备主轴端的飞轮侧，316L奥氏体不锈钢试件与焊接夹具装配后装入惯性摩擦焊设备尾座部分的顶锻侧；焊件夹具包括分瓣加紧夹具和刚性加紧装置，惯性摩擦焊接设备通过液压制动夹紧焊接夹具，通过机械调整控制双相不锈钢和奥氏体不锈钢焊件的对中偏差小于0.8mm；
（6）设置惯性摩擦焊机的焊接参数，装载的飞轮转动惯量为4.17kg•m[1]，最高转速为3000rpm，摩擦转速为2800rpm，顶端转速为2200rpm，摩擦压力为5 MPa ，顶端压力为8MPa，保压时间为15s。
（7）撤销轴向焊接压力后，2205/316L不锈钢焊接为一体成为组合件，在移动滑台后退至指定位置后松开移动滑台上的焊接夹持工装，将焊接件卸下。
（8）采用数控加工中心去除工件连接处沿径向挤出的飞边。
各个实施例所成形焊件表面需无冷热裂纹、气孔、凹坑、未熔合等焊接缺陷，焊缝整体平齐为锻造组织结构，结合良好无明显缺陷。对摩擦焊接头进行拉伸强度测试表明，接头强度最大可达766.2 MPa，拉伸曲线如图1所示；测得316L不锈钢构件母材抗拉强度为772.3MPa，拉伸曲线如图2所示，焊接接头系数达0.99。硬度值在187-320Hv之间，焊缝处达到最大值如图3所示。金相观察焊接界面如图4所示，其焊接结合情况良好。
本专利如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双相不锈钢与奥氏体不锈钢惯性摩擦焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对需要待焊接的双相不锈钢、奥氏体不锈钢进行清洗；
步骤2：对不锈钢的待焊表面进行切割平整以去除焊件表面氧化物，然后，对加工后的焊接端面进行打磨抛光；
步骤3：使用丙酮浸泡不锈钢表面；
步骤4：对丙酮浸泡后的不锈钢进行预热；
步骤5：将步骤4中完成预处理后的不锈钢夹持于惯性摩擦焊设备；
步骤6：设置惯性摩擦焊机的焊接参数，主轴带动工件和飞轮加速到预设转速，在所设定轴向压力作用下两工件端面互相摩擦，焊接界面温度在摩擦热的作用下迅速升高逐渐达到高温塑性状态，进而形成惯性摩擦焊接头；
步骤7：去除工件连接处沿径向挤出的飞边。
2.根据权利要求1所述的双相不锈钢与奥氏体不锈钢惯性摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤1中，双相不锈钢和奥氏体不锈钢分别为2205/316L不锈钢。
3.根据权利要求1或2所述的双相不锈钢与奥氏体不锈钢惯性摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤1中，采用激光清洗机进行清洗，清洗时激光功率为300-400W，激光的重复频率为8-10KHZ，转盘速度为25-30°/h。
4.根据权利要求1所述的双相不锈钢与奥氏体不锈钢惯性摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤3、步骤7中，均采用采用数控加工中心对不锈钢进行加工。
5.根据权利要求1所述的双相不锈钢与奥氏体不锈钢惯性摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤3中，采用千叶轮进行打磨抛光。
6.根据权利要求1所述的双相不锈钢与奥氏体不锈钢惯性摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤3中，丙酮浸泡时间为20-25分钟，浸泡时采用不锈钢钢丝刷对焊接端面进行刷洗。
7.根据权利要求1所述的双相不锈钢与奥氏体不锈钢惯性摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤4中，采用加热炉对不锈钢进行预热，温度控制在150-200℃。
8.根据权利要求1所述的双相不锈钢与奥氏体不锈钢惯性摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤5中，刚性夹紧装置通过液压装夹的方式，控制焊接装夹后对中偏差小于0.8mm。
9.根据权利要求1所述的双相不锈钢与奥氏体不锈钢惯性摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤6中，转速2100-3100rpm，压力为4-10MPa，转动惯量为4.17kg·m^2，保压时间为10-15秒。
10.根据权利要求1所述的双相不锈钢与奥氏体不锈钢惯性摩擦焊接方法，其特征在于：步骤7完成后，对焊接后的不锈钢构件进行成品检查，对焊接后的不锈钢进行拉伸强度和显微硬度等分析测试。
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