CN115156758B - 用于gh4202合金异种焊接的焊丝及其焊接的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及变形高温合金异种焊接技术领域，尤其是涉及一种用于GH4202合金异种焊接的焊丝及其焊接的方法。用于GH4202合金异种焊接的焊丝，包括按质量百分数计的如下组分：C≤0.08％、Cr 14％～16％、Mo14％～16％、Fe≤4％、Mn 1％～2％、Si≤0.3％、P≤0.015％、S≤0.01％，以及余量的Ni。焊接方法包括：在焊接前对GH4202合金进行固溶和时效处理，在焊接前对与GH4202合金进行异种焊接的合金材料进行淬火和回火处理。本发明的焊丝在用于GH4202合金异种焊接时，配合相应的热处理制度，能够防止裂纹等，改善焊缝质量，提高服役性能。
Description
技术领域
本发明涉及变形高温合金异种焊接技术领域，尤其是涉及一种用于GH4202合金异种焊接的焊丝及其焊接的方法。
背景技术
GH4202合金是针对120吨液氧/煤油发动机工况研制的新型多用途变形高温合金材料。GH4202合金具备优异的力学性能，在高温高压富氧环境下具备良好的抗燃烧能力。为简化结构降低成本，发动机众多部件采用了焊接方式，如发动机静子与波纹管、燃气导管、涡轮泵与导管、涡轮壳体等。GH4202合金需要与多种异种材料进行焊接，包括奥氏体、高强马氏体不锈钢等。
每种材料组合由于对接母材自身极高的强度性能，使其在焊接过程中、焊后以及对焊接件进行热处理的过程中极易产生热裂、冷裂、应变时效裂纹。GH4202合金与异种材料焊接对焊接工艺、焊丝成分、性能要求十分严格，焊接难度非常大。而焊缝又是结构件中最薄弱的环节，发动机工况恶劣，大应力、高温差、高压、大流量的富氧燃气介质侵蚀、高速气流冲刷，更使得焊缝性能成为直接影响整个发动机综合性能的关键，如果焊缝处存在缺陷或者组织性能不达标，很容易成为整个结构件的薄弱区，在服役过程中开裂，造成难以补救的损失。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供用于GH4202合金异种焊接的焊丝，以防止在异种焊接过程中、焊后以及对焊接件进行热处理过程中产生热裂、冷裂、应变时效裂纹等，改善焊缝性能。
本发明的第二目的在于提供采用上述焊丝进行焊接的方法。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
用于GH4202合金异种焊接的焊丝，包括按质量百分数计的如下组分：
C≤0.08％、Cr 14％～16％、Mo 14％～16％、Fe≤4％、Mn 1％～2％、Si≤0.3％、P≤0.015％、S≤0.01％，以及余量的Ni。
本发明的焊丝具有优异的耐强腐蚀、抗热裂性能，在用于GH4202合金异种焊接时，能够防止在异种焊接过程中、焊后以及对焊接件进行热处理过程中产生热裂、冷裂、应变时效裂纹等，改善焊缝性能。
在本发明的具体实施方式中，所述焊丝包括按质量百分数计的如下组分：
C≤0.05％、Cr 15％～16％、Mo 15％～16％、Fe≤1％、Mn 1％～2％、Si≤0.3％、P≤0.01％、S≤0.008％，以及余量的Ni。
在本发明的具体实施方式中，与所述GH4202合金进行异种焊接的合金材料为高强钢。进一步的，所述高强钢包括马氏体时效钢。
本发明还提供了用于GH4202合金异种焊接的焊丝的焊接方法，包括如下步骤：
在焊接前对所述GH4202合金进行固溶和时效处理，在焊接前对与所述GH4202合金进行异种焊接的合金材料进行淬火和回火处理。
在本发明的具体实施方式中，所述固溶和时效处理包括：于1090～1110℃条件下处理1～2h后，空冷；然后于840～860℃条件下处理5～6h后，空冷。
在本发明的具体实施方式中，所述淬火和回火处理包括：于1000～1020℃条件下处理1～2h后，空冷；然后于500～520℃条件下处理1～2h后，空冷。
在本发明的具体实施方式中，采用氩弧焊的焊接方式进行所述异种焊接。进一步的，所述氩弧焊的电压为11～12V，所述氩弧焊的电流为130～150A。
在本发明的具体实施方式中，所述氩弧焊的焊接速度为2.2～2.4mm/s。
在本发明的具体实施方式中，所述焊丝的直径为1～2mm，如1.6mm。
在实际操作中，焊缝的形式可以为带有60°角的V形坡口，但不局限于此，可根据实际情况进行调整选择。
在本发明的具体实施方式中，所述异种焊接后的焊接接头的室温性能如下：焊态抗拉强度≥730MPa，焊态屈服强度≥410MPa，焊态断裂延伸率≥12％；回火态抗拉强度≥705MPa，回火态屈服强度≥395MPa，回火态断裂延伸率≥12％。
在本发明的具体实施方式中，所述异种焊接后的焊接接头的550℃性能如下：焊态抗拉强度≥535MPa，焊态断裂延伸率≥14％；回火态抗拉强度≥530MPa，回火态断裂延伸率≥11.5％。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供了一种可专用于GH4202合金异种焊接的焊丝，具有优异的耐强腐蚀、抗热裂性能，在用于GH4202合金异种焊接时，能够防止在异种焊接过程中、焊后以及对焊接件进行热处理过程中产生热裂、冷裂、应变时效裂纹等，改善焊缝性能；
(2)本发明提供了专用于GH4202合金异种焊接的焊丝的焊接方法，其中涉及了GH4202合金及高强钢等的热处理制度，通过采用特定的热处理制度，能够进一步改善合金组织形态，提高焊接接头的力学性能，提高服役性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
图1为本发明实施例1提供的焊态的焊接试样的熔合线附近06钢金相组织图(a)、热影响区06钢金相组织图(b)和06钢基体金相组织图(c)；
图2为本发明实施例1提供的回火态的焊接试样的熔合线附近06钢金相组织图(a)、热影响区06钢金相组织图(b)和06钢基体金相组织图(c)；
图3为本发明实施例2提供的焊态的焊接试样的熔合线附近06钢金相组织图(a)、热影响区06钢金相组织图(b)和06钢基体金相组织图(c)；
图4为本发明实施例2提供的回火态的焊接试样的熔合线附近06钢金相组织图(a)、热影响区06钢金相组织图(b)和06钢基体金相组织图(c)；
图5为本发明对比例1提供的焊态的焊接试样的熔合线附近06钢金相组织图(a)、热影响区06钢金相组织图(b)和06钢基体金相组织图(c)；
图6为本发明对比例1提供的回火态的焊接试样的熔合线附近06钢金相组织图(a)、热影响区06钢金相组织图(b)和06钢基体金相组织图(c)；
图7为本发明对比例2提供的焊态的焊接试样的熔合线附近06钢金相组织图(a)、热影响区06钢金相组织图(b)和06钢基体金相组织图(c)；
图8为本发明对比例2提供的回火态的焊接试样的熔合线附近06钢金相组织图(a)、热影响区06钢金相组织图(b)和06钢基体金相组织图(c)；
图9为本发明对比例3提供的焊态的焊接试样的熔合线附近06钢金相组织图(a)、热影响区06钢金相组织图(b)和06钢基体金相组织图(c)；
图10为本发明对比例3提供的回火态的焊接试样的熔合线附近06钢金相组织图(a)、热影响区06钢金相组织图(b)和06钢基体金相组织图(c)。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
用于GH4202合金异种焊接的焊丝，包括按质量百分数计的如下组分：
C≤0.08％、Cr 14％～16％、Mo 14％～16％、Fe≤4％、Mn 1％～2％、Si≤0.3％、P≤0.015％、S≤0.01％，以及余量的Ni。
本发明的焊丝具有优异的耐强腐蚀、抗热裂性能，在用于GH4202合金异种焊接时，能够防止在异种焊接过程中、焊后以及对焊接件进行热处理过程中产生热裂、冷裂、应变时效裂纹等，改善焊缝性能。
如在不同实施方式中，所述焊丝中各元素组成可分别如下：
C的含量可以为C≤0.08％、C≤0.07％、C≤0.06％、C≤0.05％等等；
Cr的含量可以为14％、14.2％、14.4％、14.5％、14.6％、14.8％、15％、15.2％、15.4％、15.5％、15.6％、15.8％、16％等等；
Mo的含量可以为14％、14.2％、14.4％、14.5％、14.6％、14.8％、15％、15.2％、15.4％、15.5％、15.6％、15.8％、16％等等；
Fe的含量可以为Fe≤4％、Fe≤3.5％、Fe≤3％、Fe≤2.5％、Fe≤2％、Fe≤1.5％、Fe≤1％等等；
Mn的含量可以为1％、1.2％、1.4％、1.5％、1.6％、1.8％、2％等等；
Si的含量可以为Si≤0.3％、Si≤0.25％、Si≤0.2％、Si≤0.15％、Si≤0.1％等等；
P的含量可以为P≤0.015％、P≤0.01％、P≤0.005％等等；
S的含量可以为S≤0.01％、S≤0.005％、S≤0.001％等等。
其中，采用上述含量范围内的Mo元素能够抑制焊接热裂纹的形成。同时，采用较低含量的C元素，以避免焊接结构在应力作用下的热裂纹。当C元素含量过高时，可能会形成连续的晶间化合物晶界膜，还可能形成碳硼化物共晶，进而在应力作用下易产生热裂纹。
在本发明的具体实施方式中，所述焊丝包括按质量百分数计的如下组分：
C≤0.05％、Cr 15％～16％、Mo 15％～16％、Fe≤1％、Mn 1％～2％、Si ≤0.3％、P≤0.01％、S≤0.008％，以及余量的Ni。。
在本发明的具体实施方式中，与所述GH4202合金进行异种焊接的合金材料为高强钢。进一步的，所述高强钢包括马氏体时效钢；优选地，所述高强钢包括S06钢。
其中，GH4202合金中，包括按质量百分数计的如下组分：C≤0.08％、Cr 17％～20％、Mo 4％～5％、W 4％～5％、Al 1％～1.5％、Ti 2.2％～2.8％、Fe≤4.0％、Mn≤0.5％、Si≤0.6％、S≤0.01％、Ce≤0.01％、B≤0.01％、Pb≤0.001％、As≤0.0025％、Sn≤0.0012％、Sb≤0.0025％、Bi≤0.001，以及余量Ni。
本发明还提供了用于GH4202合金异种焊接的焊丝的焊接方法，包括如下步骤：
在焊接前对所述GH4202合金进行固溶和时效处理，在焊接前对与所述GH4202合金进行异种焊接的合金材料进行淬火和回火处理。
在本发明的具体实施方式中，所述固溶和时效处理包括：于1090～1110℃条件下处理1～2h后，空冷；然后于840～860℃条件下处理5～6h后，空冷。
如在不同实施方式中，固溶处理的温度可以为1090℃、1092℃、1094℃、1095℃、1096℃、1098℃、1100℃等等；固溶处理的时间可以为1h、1.5h、2h等等；时效处理的温度可以为840℃、842℃、844℃、845℃、846℃、848℃、850℃、852℃、854℃、855℃、856℃、858℃、860℃等等，时效处理的时间可以为5h、5.5h、6h等等。
在本发明的具体实施方式中，所述淬火和回火处理包括：于1000～1020℃条件下处理1～2h后，空冷；然后于500～520℃条件下处理1～2h后，空冷。
如在不同实施方式中，淬火处理的温度可以为1000℃、1002℃、1004℃、1005℃、1006℃、1008℃、1010℃、1012℃、1014℃、1015℃、1016℃、1018℃、1020℃等等；淬火处理的时间可以为1h、1.5h、2h等等；回火处理的温度可以为500℃、502℃、504℃、505℃、506℃、508℃、510℃、512℃、514℃、515℃、516℃、518℃、520℃等等；回火处理的时间可以为1h、1.5h、2h等等。
在本发明的具体实施方式中，采用氩弧焊的焊接方式进行所述异种焊接。进一步的，所述氩弧焊的电压为11～12V，所述氩弧焊的电流为130～150A。
如在不同实施方式中，氩弧焊的电压和电流根据实际情况进行调整，氩弧焊的电压可以为11V、11.2V、11.4V、11.5V、11.6V、11.8V、12V等等；氩弧焊的电流可以为130A、132A、134A、135A、136A、138A、140A、142A、144A、145A、146A、148A、150A等等。
在本发明的具体实施方式中，所述氩弧焊的焊接速度为2.2～2.4mm/s。
在本发明的具体实施方式中，所述焊丝的直径为1～2mm，如1.6mm。
在实际操作中，焊缝的形式可以为带有60°角的V形坡口，但不局限于此，可根据实际情况进行调整。
在本发明的具体实施方式中，所述异种焊接后的焊接接头的室温性能如下：焊态抗拉强度≥730MPa，焊态屈服强度≥410MPa，焊态断裂延伸率≥12％；回火态抗拉强度≥705MPa，回火态屈服强度≥395MPa，回火态断裂延伸率≥12％。所述焊态是指异种焊接后的焊接试件未进行任何热处理；所述回火态是指异种焊接后的焊接试件进行回火处理，回火处理包括：于500～520℃条件下处理1～2h后，空冷。
在本发明的具体实施方式中，所述异种焊接后的焊接接头的550℃性能如下：焊态抗拉强度≥535MPa，焊态断裂延伸率≥14％；回火态抗拉强度≥530MPa，回火态断裂延伸率≥11.5％。
在本发明的具体实施方式中，所述异种焊接后的焊接接头的焊态组织主要由奥氏体组织组成。
在本发明的具体实施方式中，所述异种焊接后的焊接接头的回火态组织主要由残余奥氏体、板条状马氏体和细小弥散的金属间化合物析出相组成。
实施例1
本实施例提供了GH4202合金与06钢的焊接方法，包括如下步骤：
(1)对待焊接的GH4202合金进行固溶处理和时效处理，其中，固溶处理为1090～1110℃处理2h后空冷；时效处理为840～860℃处理5h后空冷。
(2)对待焊接的06钢进行淬火处理和回火处理，其中，淬火处理为1000～1020℃处理1h后空冷；回火处理为500～520℃处理1h后空冷。
(3)采用氩弧焊对步骤(1)处理后的GH4202合金和步骤(2)处理后的06钢进行焊接处理，得到焊态的焊接试样，焊接工艺参数包括：
焊缝形式：带有60°角的V形坡口；
填充金属：的焊丝；
电压：11.5V；
电流：140A；
焊接速度为2.3mm/S；
其中，焊丝包括按质量百分数计的如下组分：
C 0.013％、Si 0.17％、Mn 1.68％、S 0.0004％、P 0.005％、Cr 15.17％、Mo15.26％、Fe 0.34％，以及余量的Ni。
(4)对焊态的焊接试样进行回火处理得到回火态的焊接试样，回火处理为500～520℃处理1h后空冷。
实施例2
本实施例参考实施例1的方法，区别仅在于：焊丝组成不同。
本实施例的焊丝包括按质量百分数计的如下组分：
C 0.035％、Si 0.3％、Mn 1.2％、S 0.001％、P 0.005％、Cr 14.92％、Mo15.00％、Fe 0.27％，以及余量的Ni。
比较例1
比较例1参考实施例1的方法，区别在于：步骤(1)的热处理制度不同。
比较例1的步骤(1)包括：对待焊接的GH4202合金进行固溶处理，其中，固溶处理为1090～1110℃处理2h后空冷。
比较例2
比较例2参考实施例1的方法，区别在于：步骤(1)的热处理制度不同，且不包括步骤(2)的热处理制度。
比较例2的步骤(1)包括：对待焊接的GH4202合金进行固溶处理，其中，固溶处理为1090～1110℃处理2h后空冷。
比较例3
比较例3参考实施例1的方法，区别在于：不包括步骤(2)的热处理制度。
实验例1
对本发明不同实施例和比较例焊接后的焊接接头的组织结构进行表征，不同实施例和比较例的焊接接头的金相组织图如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示。
从金相组织图，图1～图10可知，S06钢为马氏体时效高强不锈钢，原始态组织主要由板条状马氏体及微量的δ铁素体，奥氏体及细小弥散分布的金属间化合物析出相组成。经过时效的S06钢组织主要由细小的板条状马氏体和细小弥散的金属间化合物析出相组成。
焊后热处理制度为焊态的焊接接头S06钢一侧热影响区组织主要由奥氏体组织构成。焊后热处理制度为回火态的焊接接头S06钢一侧热影响区组织主要由残余奥氏体、板条状马氏体和细小弥散的金属间化合物析出相组成。焊态及焊后回火处理状态相对比，两者塑性相近，前者强度更高。
实验例与比较例焊接接头热影响区组织进行对比，能够发现，实验例中S06钢一侧热影响区与焊缝融合连接更好，比较例中能够清晰看到S06钢一侧与焊缝的连接不连续性明显。原始态(供货态)的S06钢组织板条状马氏体较粗且存在δ铁素体，焊丝为奥氏体基体，焊接匹配性较差。综上焊前对S06钢进行淬火与回火处理，有利于提高焊接接头组织连续性及接头强度。
实验例2
对不同实施例和比较例得到的焊接接头的性能进行测试，测试结果见表1～表2。
表1不同焊接接头的室温性能测试结果
表2不同焊接接头的550℃性能测试结果
从上述测试结果可知，本发明采用特定的焊丝用于GH4202合金的异种焊接，得到的焊接接头可满足如下性能：
室温性能如下：焊态抗拉强度≥730MPa，焊态屈服强度≥410MPa，焊态断裂延伸率≥12％；回火态抗拉强度≥705MPa，回火态屈服强度≥395MPa，回火态断裂延伸率≥12％。
550℃性能如下：焊态抗拉强度≥535MPa，焊态断裂延伸率≥14％；回火态抗拉强度≥530MPa，回火态断裂延伸率≥11.5％。
本发明的用于GH4202合金异种焊接的焊丝及相应的热处理制度等，能够进一步改善合金组织形态，提高焊接接头的力学性能，提高服役性能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.用于GH4202合金异种焊接的焊丝的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
在焊接前对所述GH4202合金进行固溶和时效处理，在焊接前对与所述GH4202合金进行异种焊接的合金材料进行淬火和回火处理；
所述固溶和时效处理包括：于1090～1110℃条件下处理1～2h后，空冷；然后于840～860℃条件下处理5～6h后，空冷；
所述淬火和回火处理包括：于1000～1020℃条件下处理1～2h后，空冷；然后于500～520℃条件下处理1～2h后，空冷；
所述异种焊接后的焊接接头的室温性能如下：焊态抗拉强度≥730MPa，焊态屈服强度≥410MPa，焊态断裂延伸率≥12％；回火态抗拉强度≥705MPa，回火态屈服强度≥395MPa，回火态断裂延伸率≥12％；
所述异种焊接后的焊接接头的550℃性能如下：焊态抗拉强度≥535MPa，焊态断裂延伸率≥14％；回火态抗拉强度≥530MPa，回火态断裂延伸率≥11.5％；
与所述GH4202合金进行异种焊接的合金材料为高强钢；
所述用于GH4202合金异种焊接的焊丝，包括按质量百分数计的如下组分：
C≤0.08％、Cr 14％～16％、Mo 14％～16％、Fe≤4％、Mn 1％～2％、Si≤0.3％、P≤0.015％、S≤0.01％，以及余量的Ni。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述用于GH4202合金异种焊接的焊丝，包括按质量百分数计的如下组分：
C≤0.05％、Cr 15％～16％、Mo 15％～16％、Fe≤1％、Mn 1％～2％、Si≤0.3％、P≤0.01％、S≤0.008％，以及余量的Ni。
3.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述高强钢包括马氏体时效钢。
4.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，采用氩弧焊的焊接方式进行所述异种焊接。
5.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，所述氩弧焊的电压为11～12V，所述氩弧焊的电流为130～150A。
6.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，所述氩弧焊的焊接速度为2.2～2.4mm/S。
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| 固溶温度对GH4202合金组织及拉伸性能的影响;杨玉军;王磊;刘杨;于腾;;材料与冶金学报(第02期);全文 * |
| 高温合金GH4202波纹管管坯的制造;王记兵,张振宇;管道技术与设备(第04期);全文 * |
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