CN115139065B - 一种镍基合金封头冲压成型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镍基合金封头冲压成型的方法，由两张或两张以上镍基合金钢板拼成圆形的待冲压坯料，相邻的两张镍基合金钢板拼缝处进行分层焊接，且焊接过程进行水冷，焊接层间温度在15‑60℃；镍基合金对热裂纹敏感，焊接过程中熔敷金属的层间温度过高，会导致焊缝产生晶间裂纹以及多变化裂纹。对焊缝打磨，在待冲压坯料对应成型后封头外表面的焊缝位置焊接压板，待冲压坯料经过过加热冲压，以及固溶处理后封头成型，能够适应镍基合金材料，防止其成型过程中形成裂纹。

Description

一种镍基合金封头冲压成型的方法

技术领域

本发明属于封头冲压工艺领域，尤其涉及一种镍基合金封头冲压成型的方法。

背景技术

新能源多晶硅行业内的发展趋势，很多用户偏向于采用国产镍合金材料制冷氢化反应器。因此，有必要对国产镍基合金材料（N08810）制冷氢化反应器的材料、设计、关键制造技术进行研究，优化和改进制造工艺，提高产品安全质量。针对N08810流化床反应器，制作相关焊接工艺性评定试验，结合已完工产品封头成型方式，研究封头不同的成型方式，即原来的先瓜瓣成型后再组焊形成封头，由于瓜瓣焊接拼缝在后，瓜瓣成型在前，完成一个封头要多个瓜瓣板材分别在不同模具中进行冲压，存在生产繁琐周期长的缺陷，其次在将瓜瓣焊接拼缝时，由于焊缝是弧形走向，焊接操作困难，更是存在生产繁琐周期长的缺陷。在当下多晶硅行业内，大规模项目层出不穷，因此制造质量、成本以及生产周期尤为重要。如果将先瓜瓣冲压成型后再组焊成型变为先拼焊后整板冲压成型新的方法，将会解决上述缺陷，对于先拼焊后整板冲压成型目前虽然针对其他材料的封头中有所应用，例如专利文献公开号CN109531057A所公开的一种9Ni钢封头的加工方法，先通过点焊固定，然后对分瓣之间的缝隙采用并行同步焊接，之后通过冲压成型，但是对于镍基合金材料（N08810）来说，单纯采用在接缝处焊接的方式，由于镍基合金材料高温合金元素复杂，存在易形成裂纹缺陷。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种用镍基合金材料采用先拼焊后整板冲压成型并且能够适应镍基合金材料，防止其成型过程中形成裂纹的冲压成型方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种镍基合金封头冲压成型的方法，包括以下步骤：

步骤一,由两张或两张以上镍基合金钢板拼成圆形的待冲压坯料，相邻的两张镍基合金钢板拼缝处进行分层焊接，且焊接过程进行水冷，焊接层间温度在15-60℃；

步骤二，对焊缝打磨，待冲压坯料对应成型后封头内表面的一面的焊缝与待冲压坯料齐平，另一面焊缝不得高于母材 0-0.5mm，焊缝表面打磨粗糙度不低于 240μm；

步骤三，在待冲压坯料对应成型后封头外表面的焊缝位置焊接压板，压板连接相邻的两张镍基合金钢板，压板为镍基合金材质；

步骤四，加热冲压，待冲压坯料室温入炉后快速升温至850℃，大于850℃后升温速度≤200℃/h, 加热至保温温度，保温温度在1160~1180℃之间，保温最少65min后出炉送入模具进行压制，终压温度≥950℃，模具压制封头过程中，采用多次压制，末次压制成型脱模后趁热入炉，入炉温度不小于900 ℃，随后升温至1160~1180℃，并保温40～60min后进行冷却；

步骤五，固溶处理，封头入炉后快速升温至 850℃，控制升温速度≤200℃/h，加热至保温温度, 保温温度在1160~1180℃之间，保温最少100min后出炉快速水冷，并确保封头出水温度低于40℃。

进一步的技术方案在于，步骤五中，在入炉前对封头内外表面进行酸洗，封头底部中心开≤300mm 的孔。

进一步的技术方案在于，步骤五中，出炉到入水间隔时间小于 3min。

进一步的技术方案在于，步骤一中，对焊缝进行硬度检测 HV10≤238（HB230），检测位置间距最大400mm。

进一步的技术方案在于，步骤三后，在待冲压坯料周边约 1000mm 范围内进行放射状抛光处理，抛磨精度不低于 240μm。

进一步的技术方案在于，步骤一中，分层焊接前对镍基合金钢板拼缝处坡口进行100% PT检测。

进一步的技术方案在于，步骤三中，每条焊缝处设置至少三块压板。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

由两张或两张以上镍基合金钢板拼成圆形的待冲压坯料，相邻的两张镍基合金钢板拼缝处进行分层焊接，且焊接过程进行水冷，焊接层间温度在15-60℃；镍基合金对热裂纹敏感，焊接过程中熔敷金属的层间温度过高，会导致焊缝产生晶间裂纹以及多变化裂纹。

对焊缝打磨，待冲压坯料对应成型后封头内表面的一面的焊缝与待冲压坯料齐平，另一面焊缝不得高于母材 0-0.5mm，焊缝表面打磨粗糙度不低于 240 μm；镍基合金钢板本身的硬度为170左右HV10，属于比较软的金属，钢板表面存在不同程度的粗糙度，在使用模具冲压过程中，粗糙度过大会使表面部分存在加大的应力集中，致使存在表面裂纹。

在待冲压坯料对应成型后封头外表面的焊缝位置焊接压板，压板连接相邻的两张镍基合金钢板，压板为镍基合金材质；在封头变形最大的部分装焊压板，使得此部位变形最大的焊缝应力得到部分释放，均布分散在压板之上，避免焊缝产生裂纹。

待冲压坯料室温入炉后快速升温至850℃，大于850℃后升温速度≤200℃/h, 加热至保温温度，保温温度在1160~1180℃之间，保温最少65min后出炉送入模具进行压制，终压温度≥950℃，尽可能做到温度衰减少，模具压制封头过程中，采用多次压制，末次压制成型脱模后趁热入炉，入炉温度不小于900 ℃，随后升温至1160~1180℃，并保温40～60min后进行冷却；镍基合金的热成型温度以及固溶温度的保温时间分别为板厚厚度的时间以及1.5倍板厚厚度时间；使焊缝性能以及硬度达到标准要求，达到冲压要求，保证焊缝质量，

封头入炉后快速升温至 850℃，控制升温速度≤200℃/h，加热至保温温度, 保温温度在1160~1180℃之间，保温 最少100min后出炉快速水冷，并确保封头出水温度低于40℃，出水温度小于40℃，是保证固溶热处理后的水冷彻底，即快速冷却效果，避免出水温度过高，冷却方式由水冷变更为空冷，使焊缝内部组织的发生变化，通过以上工艺能够适应镍基合金材料，防止其成型过程中形成裂纹。

附图说明

图1是镍基合金钢板拼成圆形的待冲压坯料的示意图；

图2是焊缝水冷示意图；

图3是封头成型示意图；

图4是先拼焊后整板冲压成型较之先瓜瓣后组焊的材料相关费用对比图表。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1-图4所示，一种镍基合金封头冲压成型的方法，包括以下步骤：

步骤一,由两张或两张以上镍基合金钢板拼成圆形的待冲压坯料，相邻的两张镍基合金钢板拼缝处进行分层焊接，且焊接过程进行水冷，焊接层间温度在15-60℃；

步骤二，对焊缝打磨，待冲压坯料对应成型后封头内表面的一面的焊缝与待冲压坯料齐平，另一面焊缝不得高于母材 0-0.5mm，焊缝表面打磨粗糙度不低于 240μm；

步骤三，在待冲压坯料对应成型后封头外表面的焊缝位置焊接压板，压板连接相邻的两张镍基合金钢板，压板为镍基合金材质；

步骤四，待冲压坯料室温入炉后快速升温至850℃，大于850℃后升温速度≤200℃/h, 加热至保温温度，保温温度在1160~1180℃之间，保温最少65min后出炉送入模具进行压制，终压温度≥950℃，模具压制封头过程中，采用多次压制，末次压制成型脱模后趁热入炉，入炉温度不小于900 ℃，随后升温至1160~1180℃，并保温40～60min后进行冷却；

步骤五，封头入炉后快速升温至 850℃，控制升温速度≤200℃/h，加热至保温温度, 保温温度在1160~1180℃之间，保温最少100min后出炉快速水冷，并确保封头出水温度低于40℃。

在压制准备钢板，确定好镍基合金钢板尺寸、表面质量（无划伤、凹坑等表面保护完好）、实际厚度、标识、并做好记录。进行表面 100%PT 检测，Ⅰ级合格； 100%UT 检测，Ⅰ级合格，切割镍基合金钢板，使由两张或两张以上镍基合金钢板能够拼成圆形的待冲压坯料，以下用用三张镍基合金钢板拼成圆形的待冲压坯料为例，对待冲压坯料进行焊接坡口制作按要求进行机加工坡口，坡口表面进行 100%PT 检测，I 级合格，焊接过程中注意标识坡口内外，便于压制时装炉。

相邻的两张镍基合金钢板1拼缝处进行分层焊接，且焊接过程进行水冷，焊接层间温度在15-60℃，焊接时用支架2支撑起三块镍基合金钢板1，三块镍基合金钢板的两条焊缝3底部设置喷水管4，焊接焊缝的底部位置，后通过喷水管向焊缝的底部位置进行喷水冷却，既能起到对分层焊接位置的降温的作用，有能避免水进入焊缝中，其镍基合金对热裂纹敏感，焊接过程中熔敷金属的层间温度过高，会导致焊缝产生晶间裂纹以及多变化裂纹。焊接时易产生焊缝的宏观热裂纹及微裂纹或二者同时存在的热裂纹，特别在弧坑易产生火口裂纹，热裂纹有凝固裂纹（或称结晶裂纹）、多边化裂纹等。 晶间液膜是引起镍基合金单相奥氏体焊缝凝固裂纹的最主要的冶金因素。焊缝金属在凝固过程中随着柱状晶的成长使剩余液态金属中硫、磷等杂质元素而形成的低熔点化合物含量增加。凝固最后阶段在柱状晶间形成低熔点液态薄膜，由于液态薄膜强度低，且变形能力很差，这样就在较小的拉应力作用下，即可使液态薄膜破坏形成裂纹。 多边化裂纹的形成：焊缝金属由液相到固相结晶速度很快，不平衡的结晶过程导致晶体点阵原子排列很不完整，形成大量的晶格缺陷，如空穴和错位等。这种晶格缺陷在固相线以下的高温区，随着时间的推移和冷却变形应力的作用必然从不平衡的位置向比较稳定的状态变化，即逐渐合并、聚集，形成与一次结晶界不同的新晶界即多边化晶界。该晶界在金相显微镜下是可见的，往往是弯曲的封闭线网。该多边化晶界薄弱，增加了合金的高温脆性，在一定拉应力作用下最终形成了多边化裂纹。

对焊缝打磨，待冲压坯料对应成型后封头内表面的一面的焊缝与待冲压坯料齐平，另一面焊缝不得高于母材 0-0.5mm，焊缝表面打磨粗糙度不低于 240μm；镍基合金钢板本身的硬度为170左右HV10，属于比较软的金属，钢板表面存在不同程度的粗糙度，在使用模具冲压过程中，粗糙度过大会使表面部分存在加大的应力集中，致使存在表面裂纹，通过打磨降低粗糙度，避免产生裂纹。

在待冲压坯料对应成型后封头外表面的焊缝位置焊接压板5，焊接形式为小规格焊条圆周满焊，压板5连接相邻的两张镍基合金钢板，压板5为镍基合金材质；在封头6变形最大的部分装焊压板，使得此部位变形最大的焊缝应力得到部分释放，均布分散在压板之上，避免焊缝产生裂纹。

入炉炉前检查坯料质量，对坯料表面进行清理及 0.5mm 以下的表面缺陷抛磨处理并 PT 合格，打磨边缘毛刺及棱角、切割氧化物等硬物；入炉前标识移植后，全部清洗去除，不能留痕迹。坯料周边约 1000mm 范围内进行放射状抛光处理，抛磨精度不低于 240目；（砂带抛光后，百叶轮进行抛光，表面不得有细纹），经质检对粗糙度检测， PT 检测均合格后进行清洗，清洗后蓝点检测合格；吹干后方可以装炉。入炉前将炉膛清理干净，确保加热中无杂物掉脱落。天然气加热炉所用的天然气中的含硫量应少于 0.57g/m3，坯料距离火焰至少 400mm。坯料底部垫高≥300mm，垫高工装应为镂空设计，保证空气有效对流；垫高支点数量和面积保证坯料受热变形不能下沉. 坯料的正下方放置一块清洗干净的不锈钢料片；以便半成品封头与炉底隔离，采用热电偶直接接触坯料测温，以热电偶实测数据为准进行控温。热电偶在坯料上放置两支；一支尽量靠近坯料中心，一支放置距边缘约300mm 处；

待冲压坯料室温入炉后快速升温至850℃，大于850℃后升温速度≤200℃/h, 加热至保温温度，保温温度在1160~1180℃之间，保温最少65min后出炉送入模具进行压制；终压温度≥950℃尽可能做到温度衰减少。压制前，模具准备：模具抛光处理，粗糙度不低于200 目，并去除油污和其它异物。压制过程中用红外测温仪测温，严格控制终压温度≥950℃ ；封头压制再次入炉前，迅速吹扫坯料表面杂物。并确保坯料入炉温度不小于900 ℃，润滑剂选用，用干净的机油+石墨粉。模具压制封头过程中，采用多次压制，末次压制成型脱模后趁热入炉，入炉温度不小于900 ℃，随后升温至1160~1180℃，并保温40～60min后进行冷却；镍基合金的热成型温度以及固溶温度的保温时间分别为板厚厚度的时间以及1.5倍板厚厚度时间；使焊缝性能以及硬度达到标准要求，达到冲压要求，保证焊缝质量，

封头入炉后快速升温至 850℃，控制升温速度≤200℃/h，加热至保温温度, 保温温度在1160~1180℃之间，保温 最少100min后出炉快速水冷，并确保封头出水温度低于40℃，出水温度小于40℃，是保证固溶热处理后的水冷彻底，即快速冷却效果，避免出水温度过高，冷却方式由水冷变更为空冷，使焊缝内部组织的发生变化。

成型后，检查封头端面尺寸、高度、椭圆度等，做好表面防护措施留余量按用户图纸进行机加工处理。最终封头内外表面酸洗。酸洗后检查封头内外表面 PT 检测 I 级合格；焊缝内外表面 100%RT 检测 II（AB 级）合格，内外表面进行 100%UT、PT 检测，Ⅰ级合格；表面质量：表面无裂纹、凹坑、皱折、鼓包等明显缺陷，如有表面缺陷，在保证最小厚度前提下进行抛磨处理，同时对封头母材、焊缝硬度值检测（每道焊缝每间隔400mm 测量 1 次；母材硬度值，均分六个方位，每个方位上每间隔 400mm 测量 1 次），并做好记录。按图工艺要求进行检测，口径Φ3500（-5～-6）,椭圆度≤18mm；厚度：按图要求进行厚度检测 ，最小厚度≥ 56mm；封头形状偏差按 GB/T25198-2010 执行。

步骤五中，在入炉前对封头内外表面进行酸洗，封头底部中心开≤300mm 的孔。

步骤五中，出炉到入水间隔时间小于 3min，尽快入水冷却。

步骤一中，对焊缝进行硬度检测 HV10≤238（HB230），检测位置间距最大400mm，保证检测效果。

步骤三后，在待冲压坯料周边约 1000mm 范围内进行放射状抛光处理，抛磨精度不低于 240 目，降低待冲压坯料表面粗糙度，在使用模具冲压过程中，进一步避免因粗糙度过大使表面部分存在加大的应力集中，而导致裂纹。

步骤一中，分层焊接前对镍基合金钢板拼缝处坡口进行100% PT检测，避免由于坡口缺陷导致焊接处产生缺陷。

步骤三中，每条焊缝处设置至少三块压板。

以下是将先瓜瓣成型后组焊形成封头的方式与先拼焊后整体成型的方式中冲压次数、焊接速度进行对比的情况

成型方式	先瓜瓣成型后组焊	先拼焊后整体成型
			冲压次数（次）	14	3-4
焊接速度（mm/min）	95-120	400-450

先拼焊后整体成型比先瓜瓣成型后组焊快3.95倍。其二在压制次数上先拼焊后整体冲压成型比先瓜瓣成型后组焊少10次左右。

如图4所示，先拼焊后整板冲压成型较之先瓜瓣后组焊的材料相关费用对比，综上所述，先拼焊后整板冲压成型较之先瓜瓣后组焊共节约制造成本13.6万元/个封头。

以上仅为本发明的较佳实施例而已。

Claims (7)

1.一种镍基合金封头冲压成型的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一,由两张或两张以上镍基合金钢板拼成圆形的待冲压坯料，相邻的两张镍基合金钢板拼缝处进行分层焊接，且焊接过程进行水冷，焊接层间温度在15-60℃；

步骤二，对焊缝打磨，待冲压坯料对应成型后封头内表面的一面的焊缝与待冲压坯料齐平，另一面焊缝不得高于母材 0-0.5mm，焊缝表面打磨粗糙度不低于 240μm；

步骤三，在待冲压坯料对应成型后封头外表面的焊缝位置焊接压板，压板连接相邻的两张镍基合金钢板，压板为镍基合金材质；

步骤四，加热冲压，待冲压坯料室温入炉后快速升温至850℃，大于850℃后升温速度≤200℃/h, 加热至保温温度，保温温度在1160~1180℃之间，保温 最少65min后出炉送入模具进行压制，终压温度≥950℃，模具压制封头过程中，采用多次压制，末次压制成型脱模后趁热入炉，入炉温度不小于900 ℃，随后升温至1160~1180℃，并保温40～60min后进行冷却；

步骤五，固溶处理，封头入炉后快速升温至 850℃，控制升温速度≤200℃/h，加热至保温温度, 保温温度在1160~1180℃之间，保温最少100min后出炉快速水冷，并确保封头出水温度低于40℃。

2.根据权利要求1所述的一种镍基合金封头冲压成型的方法，其特征在于，步骤五中，在入炉前对封头内外表面进行酸洗，封头底部中心开≤300mm 的孔。

3.根据权利要求1所述的一种镍基合金封头冲压成型的方法，其特征在于，步骤五中，出炉到入水间隔时间小于 3min。

4.根据权利要求1所述的一种镍基合金封头冲压成型的方法，其特征在于，步骤一中，对焊缝进行硬度检测 HV10≤238，测量位置间距最大400mm。

5.根据权利要求1所述的一种镍基合金封头冲压成型的方法，其特征在于，步骤三后，在待冲压坯料周边约 1000mm 范围内进行放射状抛光处理，抛磨精度不低于 240μm。

6.根据权利要求1所述的一种镍基合金封头冲压成型的方法，其特征在于，步骤一中，分层焊接前对镍基合金钢板拼缝处坡口进行100% PT检测。

7.根据权利要求1所述的一种镍基合金封头冲压成型的方法，其特征在于，步骤三中，每条焊缝处设置至少三块压板。