CN114918570A - 一种快速熔焊金属铸锭的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种快速熔焊金属铸锭的方法，包括S1、样品预处理：对两个金属铸锭的表面进行除锈、脱油预处理；S2、快速熔焊：将步骤S1中预处理后得到的金属铸锭的抛光面对接，并放置于交变电磁场中，打开感应电源，利用电磁感应的集肤效应将两铸锭的接触面区域加热、熔化；S3、焊缝形成：关闭感应电源，将步骤二得到的接触面区域熔化的两块金属铸锭以一定的速度进行冷却，完成两金属铸锭的快速熔焊。本发明高效，焊缝无气孔，密封性好，有效提高焊缝组织均匀性，减小宏观偏析，同时不会引入夹杂物等有害物质，保证了铸锭的洁净。
Description
技术领域
本发明涉及冶金材料加工技术领域，尤其涉及一种快速熔焊金属铸锭的方法。
背景技术
金属液注入锭模冷却成锭，直接或再经轧制、挤压等方式加工成产品。在这一过程中，尺寸较大的大型金属铸锭受限于散热条件，往往存在中心偏析、缩孔缺陷，限制产品质量或给后续加工带来困难。在此背景下，涌现了电渣重熔、大锻件构筑成型等技术以制备高品质的金属铸锭。
电渣重熔技术利用电流通过熔渣时产生的电阻热熔作为热源进行熔炼的方法。经检索，申请号为CN201410396737.X的发明专利公开了一种电渣重熔制备大型发电机护环用空心钢锭的方法，包括以下步骤：(1)准备自耗电极组；(2)将渣料熔化成液态熔渣；(3)将自耗电极组插入电渣重熔空心锭结晶器中；(4)开启两个变压器；(5)液态熔渣注入到电渣重熔空心锭结晶器中；(6)自耗电极组接触到液态熔渣时，假电极、自耗电极组和底水箱之间形成通电回路；(7)液态熔渣接触到上段时，上段和底水箱以及与其连接的变压器之间形成回路；(8)调节两个变压器的输出电流和电压；(9)金属熔体接触到钢水液面检测装置时，启动抽锭装置进行抽锭；(10)进行自耗电极组交换；(11)将后续自耗电极组插入液态熔渣，重复步骤(8)-(10)，直至完成抽锭。该方法特点是浅熔池凝固，可以改善钢锭洁净度、组织及致密程度，但大型铸锭在重熔过程中，需要多次更换电极，极易因电流、电压的工艺波动而影响铸锭的质量稳定性。
大锻件构筑成型指在钢坯料构筑成型过程中，钢坯料之间采用封焊连接在一起的技术。该方法是一种新近研发的技术。经检索，申请号为CN201710084892.1的发明专利公开了一种9Ni大锻件构筑成型的设计方法，适用于大截面锻件的成形以及提升大锻件的质量可靠性，用于解决传统大锻件制工艺中的造成中心缩孔、疏松等难以控制的难题。该设计方法包括冶炼、洗削连铸坯表面、真空封装、高温加热、高压锻焊、锻造成形等工艺，采用金属无痕构筑思想：将多块均质化母材经表面清洁与真空封装后，在高温下大变形实现金属固态连接，充分愈合界面。该方法以小制大，变革了大构件均质化制备技术，但该方法实施成本较高。
发明内容
本发明针对现有大尺寸金属铸锭存在的偏析严重、疏松缩孔等质量问题，提供了一种快速熔焊金属铸锭的方法，该方法使用无明显偏析、疏松缩孔等问题的高品质小尺寸金属铸锭为原料，通过交变磁场的集肤效应将多个金属铸锭熔焊一体，最终制备大型金属铸锭。
本发明采用的技术方案如下：
本发明所提出的一种快速熔焊金属铸锭的方法，具体包括以下步骤：
S1、样品预处理：对两个金属铸锭的表面进行除锈、脱油预处理；
S2、快速熔焊：将步骤S1中预处理后得到的金属铸锭的抛光面对接，并放置于交变电磁场中，打开感应电源，利用电磁感应的集肤效应将两铸锭的接触面区域加热、熔化；
S3、焊缝形成：关闭感应电源，将步骤二得到的接触面区域熔化的两块金属铸锭以一定的速度进行冷却，完成两金属铸锭的快速熔焊。
进一步的，所述步骤S1具体包括：将两个金属铸锭表面打磨平整并进一步抛光，随后采用酒精、丙酮等有机溶剂去除抛光面附着的有机物、粉尘等污染物以减少表面污染物影响。
进一步的，所述步骤S2具体包括：将预处理后得到的金属铸锭的抛光面以水平或垂直的方向对接，并放置于交变电磁场中，交变磁场的磁场方向垂直于焊接方向，同时保证抛光接触面处于电磁场中心；打开感应电源，利用电磁集肤效应将两金属铸锭的接触面区域加热、熔化。
进一步的，所述金属铸锭焊接区域的熔化温度高于具有高熔点铸锭熔点50℃～200℃，升温速度为50℃/min～500℃/min。
进一步的，所述步骤S3具体包括：关闭感应电源，将步骤S2得到两金属铸锭进行冷却，降温速度为10℃/s～1000℃/s，冷却方式为气冷或水冷；待铸锭冷却至室温，即完成两个金属铸锭之间的快速熔焊。
进一步的，所述熔焊过程中，保证样品处于惰性气体环境；样品熔炼过程保护气体的流量为10～50L/min，样品冷却过程保护气体的流量为50～200L/min。
进一步的，所述金属铸锭材质为金属单质或金属合金，两种金属为同种材质或异种材质；金属铸锭的外形为长方体或正方体或圆柱体或其他不规则的立方体。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明整体解决了现有大尺寸金属铸锭存在的偏析严重、中心缩孔等质量问题，提供了一种快速熔焊金属铸锭方法。该方法使用无明显偏析、中心缩孔等问题的高品质小尺寸金属铸锭为原料，通过交变磁场的集肤效应将多个金属铸锭熔焊一体。因电磁感应加热具有加热速度快优点，可以实现金属铸锭的快速熔化；因电磁感应加热具有搅拌作用，不仅可以脱除熔区中残余的气泡，减少焊缝疏松缩孔缺陷，还可以促进成分均匀，避免成分偏析；又因为金属熔体在磁场作用下会产生电磁力，不导电或导电性差的夹杂物将在电磁力的作用下运动至熔区边缘，提高了熔区中心的洁净度；此外，电磁感应加热方式不受工件尺寸和形状的影响、限制。通过多个小尺寸金属铸锭的熔焊，最终高效率、低成本的制备出高品质的大型金属铸锭。
附图说明
图1是本发明所提出的一种快速熔焊金属铸锭的方法的流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
实施例1
本实施例提出的一种快速熔焊金属铸锭方法，包括：首先将待熔焊的两块金属铸锭的表面进行除锈脱油预处理；其次将铸锭的抛光面对接，放置于交变电磁场中，保证接触界面置于外场中心；利用电磁感应的集肤效应将两铸锭的接触面区域加热、熔化；随后关闭感应电源，降低熔焊温度，使金属铸锭接触面凝固，实现交变磁场下的金属铸锭的快速熔焊；整个熔焊过程处于惰性气体环境。具体步骤如下：
S1：样品预处理
选用两块轴承钢铸坯作为原料，外形均为圆柱体；对两个轴承钢铸坯表面进行除锈脱油处理，打磨平整，并进一步抛光，随后采用酒精、丙酮等有机溶剂去除抛光面附着的有机物、粉尘等污染物以减少表面污染物影响。
S2：快速熔焊
将预处理后得到的两块轴承钢铸锭的抛光面以水平方向对接，并放置于交变电磁场中，所述交变磁场的磁场方向垂直于焊接方向，同时保证抛光接触面处于电磁场中心；打开感应电源，利用电磁集肤效应将两轴承钢铸锭的接触面区域加热、熔化，样品焊接区域的熔化温度高于轴承钢铸坯的熔点125℃，升温速度为500℃/min，同时采用Ar作为保护气体，保护气体的流量为10L/min。
S3：焊缝形成
关闭感应电源，将步骤S2得到的两块轴承钢铸锭进行冷却，降温速度为1000℃/s，冷却方式为Ar气冷，Ar流量为200L/min；待轴承钢铸锭冷却至室温，即完成了轴承钢铸锭的快速熔焊。
值得注意的是，电磁感应利用集肤效应可以使得铸锭表面区域快速熔化。正是由于加热是在样品表面进行，避免了高温热处理对铸锭组织的破坏。电磁感应作用还会对金属焊接熔区产生搅拌，促进成分均匀，消除气泡，进而避免了气孔等缺陷。同时在电磁力作用下还会促使熔区中夹杂物迁移至熔区外侧，从而提高了焊缝处洁净度。
本实施例最终获得熔焊一体的轴承钢铸锭，焊缝区域夹杂物数密度降低约20％，无中心缩孔，且焊缝气密性优异。
实施例2
本实施例提出的一种快速熔焊金属铸锭方法，包括：首先将待熔焊的两块金属铸锭的表面进行除锈脱油预处理；其次将铸锭的抛光面对接，放置于交变电磁场中，保证接触界面置于外场中心；利用电磁感应的集肤效应将两铸锭的接触面区域加热、熔化；随后关闭感应电源，降低熔焊温度，使金属铸锭接触面凝固，实现交变磁场下的金属铸锭的快速熔焊；整个熔焊过程处于惰性气体环境。具体步骤如下：
S1：样品预处理
选用两块紫铜铸坯作为原料，外形均为长方体；对两块紫铜铸坯表面进行除锈脱油处理，打磨平整，并进一步抛光，随后采用酒精、丙酮等有机溶剂去除抛光面附着的有机物、粉尘等污染物以减少表面污染物影响。
S2：快速熔焊
将预处理后得到的两块紫铜铸锭的抛光面以水平方向对接，并放置于交变电磁场中，所述交变磁场的磁场方向垂直于焊接方向，同时保证抛光接触面于电磁场中心；打开感应电源，利用电磁集肤效应将两金属铸锭的接触面区域加热、熔化。样品焊接区域的熔化温度高于紫铜铸坯的熔点50℃，升温速度为50℃/min，采用N2作为保护气体，保护气体的流量为30L/min。
S3：焊缝形成
关闭感应电源，将步骤二得到两金属铸锭进行冷却，降温速度为505℃/s，冷却方式为N2气冷，N2流量为50L/min，待紫铜铸锭冷却至室温，即完成了金属铸锭的快速熔焊
本实施例最终获得熔焊一体的紫铜铸锭，焊缝区域夹杂物数密度降低约40％，无中心缩孔，且焊缝气密性优异。
实施例3
本实施例提出的一种快速熔焊金属铸锭方法，包括：首先将待熔焊的两块金属铸锭的表面进行除锈脱油预处理；其次将铸锭的抛光面对接，放置于交变电磁场中，保证接触界面置于外场中心；利用电磁感应的集肤效应将两铸锭的接触面区域加热、熔化；随后关闭感应电源，降低熔焊温度，使金属铸锭接触面凝固，实现交变磁场下的金属铸锭的快速熔焊；整个熔焊过程处于惰性气体环境。具体步骤如下：
S1：样品预处理
选用两块铝铸坯作为原料，外形均为正方体；对两块铝铸坯表面进行除锈脱油处理，打磨平整，并进一步抛光，随后采用酒精、丙酮等有机溶剂去除抛光面附着的有机物、粉尘等污染物以减少表面污染物影响。
S2：快速熔焊
将预处理后得到的两块铝铸锭的抛光面以垂直方向对接，并放置于交变电磁场中，所述交变磁场的磁场方向垂直于焊接方向，同时保证抛光接触面于电磁场中心；打开感应电源，利用电磁集肤效应将两金属铸锭的接触面区域加热、熔化；样品焊接区域的熔化温度高于铝铸锭的熔点200℃，升温速度为275℃/min，采用N2作为保护气体，保护气体的流量为50L/min。
S3：焊缝形成
关闭感应电源，将步骤S2得到的两金属铸锭进行冷却，降温速度为10℃/s，冷却方式为水冷，待铝铸锭冷却至室温，即完成了金属铝铸锭的快速熔焊。
本实施例最终获得熔焊一体的铝铸锭，焊缝区域夹杂物数密度降低约30％，无中心缩孔，且焊缝气密性优异。
实施例4
本实施例提出的一种快速熔焊金属铸锭方法，包括：首先将待熔焊的两块异质金属铸锭的表面进行除锈脱油预处理；其次将铸锭的抛光面对接，放置于交变电磁场中，保证接触界面置于外场中心；利用电磁感应的集肤效应将两铸锭的接触面区域加热、熔化；随后关闭感应电源，降低熔焊温度，使金属铸锭接触面凝固，实现交变磁场下的金属铸锭的快速熔焊；整个熔焊过程处于惰性气体环境。具体步骤如下：
S1：样品预处理
选用紫铜和钢铸坯两种异质金属作为原料，外形均为长方体；对紫铜和钢铸坯表面进行除锈脱油处理，打磨平整，并进一步抛光，随后采用酒精、丙酮等有机溶剂去除抛光面附着的有机物、粉尘等污染物以减少表面污染物影响。
S2：快速熔焊
将预处理后得到的紫铜和钢铸坯的抛光面以水平方向对接，并放置于交变电磁场中，所述交变磁场的磁场方向垂直于焊接方向，同时保证抛光接触面于电磁场中心；打开感应电源，利用电磁集肤效应将紫铜和钢铸坯的接触面区域加热、熔化；样品焊接区域的熔化温度高于具有高熔点金属铸坯的熔点100℃，升温速度为400℃/min，采用He作为保护气体，保护气体的流量为40L/min。
S3：焊缝形成
关闭感应电源，将步骤二得到两金属铸锭进行冷却，降温速度为1000℃/s，冷却方式为He气冷，He流量为125L/min，待紫铜和钢铸冷却至室温，即完成了金属铸锭的快速熔焊
本实施例最终获得熔焊一体的紫铜和钢铸，焊缝区域夹杂物数密度降低约50％，无中心缩孔，且焊缝气密性优异。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种快速熔焊金属铸锭的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、样品预处理：对两个金属铸锭的表面进行除锈、脱油预处理；
S2、快速熔焊：将步骤S1中预处理后得到的金属铸锭的抛光面对接，并放置于交变电磁场中，打开感应电源，利用电磁感应的集肤效应将两铸锭的接触面区域加热、熔化；
S3、焊缝形成：关闭感应电源，将步骤二得到的接触面区域熔化的两块金属铸锭以一定的速度进行冷却，完成两金属铸锭的快速熔焊。
2.根据权利要求1所述的一种快速熔焊金属铸锭的方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括：将两个金属铸锭表面打磨平整并进一步抛光，随后采用酒精、丙酮等有机溶剂去除抛光面附着的有机物、粉尘等污染物以减少表面污染物影响。
3.根据权利要求2所述的一种快速熔焊金属铸锭的方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括：将预处理后得到的金属铸锭的抛光面以水平或垂直的方向对接，并放置于交变电磁场中，交变磁场的磁场方向垂直于焊接方向，同时保证抛光接触面处于电磁场中心；打开感应电源，利用电磁集肤效应将两金属铸锭的接触面区域加热、熔化。
4.根据权利要求3所述的一种快速熔焊金属铸锭的方法，其特征在于：所述金属铸锭焊接区域的熔化温度高于具有高熔点铸锭熔点50℃～200℃，升温速度为50℃/min～500℃/min。
5.根据权利要求3所述的一种快速熔焊金属铸锭的方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括：关闭感应电源，将步骤S2得到两金属铸锭进行冷却，降温速度为10℃/s～1000℃/s，冷却方式为气冷或水冷；待铸锭冷却至室温，即完成两个金属铸锭之间的快速熔焊。
6.根据权利要求1所述的一种快速熔焊金属铸锭的方法，其特征在于：所述熔焊过程中，保证样品处于惰性气体环境；样品熔炼过程保护气体的流量为10～50L/min，样品冷却过程保护气体的流量为50～200L/min。
7.根据权利要求1所述的一种快速熔焊金属铸锭的方法，其特征在于：所述金属铸锭材质为金属单质或金属合金，两种金属为同种材质或异种材质；金属铸锭的外形为长方体或正方体或圆柱体或其他不规则的立方体。
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