CN115255599B - 一种镍基高温合金与奥氏体不锈钢的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种镍基高温合金与奥氏体不锈钢的焊接方法，属于异种金属焊接领域。本发明的焊接方法操作简单，焊缝结合强度高，扩散均匀性强，焊接质量稳定，不易产生缺陷，且焊件在室温条件和高温条件下均具有优异的抗拉强度和延伸率，可有效指导镍基高温合金与不锈钢的扩散焊加工。实施例的结果显示，采用本发明提供的焊接方法得到的焊接件，其焊缝的室温抗拉强度为879.6～883.6MPa，室温延伸率为22.7～23.1％；高温(650℃)抗拉强度为655.2～657.7MPa，高温延伸率为13.2～13.6％。
Description
技术领域
本发明涉及异种金属焊接领域，尤其涉及一种镍基高温合金与奥氏体不锈钢的焊接方法。
背景技术
核能作为一种清洁、高效、可再生的新型能源，在全球范围内得到大力推广与应用。镍基高温合金GH4169因其具有良好的高温强度、抗氧化性能以及良好的持久性能，被广泛应用于第三代压水堆型反应堆控制棒驱动机构中密封管的制造；而奥氏体不锈钢304则是因其优异的高温持久性能与相对较低的材料成本，成为制造核能装备密封壳的主要材料。然而，这两种金属间的焊接是一大难题，焊接不当会导致密封管与密封壳之间的焊缝在服役期间出现早期失效的问题，为核反应机组的长期安全稳定运行带来巨大隐患。
目前，异种金属间常用的焊接方法有熔焊、钎焊以及对接焊。熔焊易产生空隙、夹杂物等缺陷，使焊接接头处的性能受到严重影响；钎焊获得的接头强度不足，要求较低温度下使用，难以发挥高温合金的优势；对接焊是核电领域使用最普遍的焊接方法，但也会由于异种金属间物理性质的巨大差异产生焊接应力，增加热裂纹出现的可能性，同时焊接程度不易控制。相比较而言扩散焊是获得无缺陷接头，焊接参数精确可控的重要途径。但是，扩散焊的焊接质量受焊接工艺参数影响显著，很容易造成焊缝出现裂缝、扩散不均匀、焊接质量低等缺陷。
因此，亟需提供一种焊缝扩散均匀、焊接质量高的异种金属焊接方法来提高焊接件的力学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镍基高温合金与奥氏体不锈钢的焊接方法，本发明提供的焊接方法焊接件的焊缝结合强度高，扩散均匀性强，焊接质量稳定，不易产生缺陷。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种镍基高温合金与奥氏体不锈钢的焊接方法，包括以下步骤：
(1)将镍基高温合金和奥氏体不锈钢接合后依次进行抽真空、升温和加压，然后保温保压进行扩散焊，得到焊接预制件；
(2)将所述步骤(1)得到的焊接预制件依次进行卸压、缓冷和淬火处理；
所述步骤(1)中保温保压的温度为1050～1080℃，保温保压的压力为90～120kgf，保温保压的时间为30～60min；
所述步骤(2)中缓冷的时间为40～80s，缓冷结束的温度为500～700℃；
所述步骤(2)中淬火处理的方式为真空气淬。
优选的，所述步骤(1)中的镍基高温合金为镍基高温合金GH4169，奥氏体不锈钢为奥氏体不锈钢304。
优选的，所述步骤(1)中接合前还包括对镍基高温合金和奥氏体不锈钢进行预处理，所述预处理包括：先用平面磨床分别对镍基高温合金和奥氏体不锈钢进行初打磨，然后依次用200#、600#、800#和1000#的砂纸打磨接合面。
优选的，所述步骤(1)中接合的压力为3～5MPa。
优选的，所述步骤(1)中抽真空的真空度为1×10-3～1×10-4pa。
优选的，所述步骤(1)中升温的速率为8～10℃/s。
优选的，所述步骤(1)中保温保压的温度为1060℃～1070℃。
优选的，所述步骤(1)中保温保压的压力为100～110kgf。
优选的，所述步骤(1)中保温保压的时间为40～50min。
优选的，所述步骤(2)中缓冷的时间为50～70s，缓冷结束的温度为550～650℃。
本发明提供了一种镍基高温合金与奥氏体不锈钢的焊接方法，包括以下步骤：(1)将镍基高温合金和奥氏体不锈钢接合后依次进行抽真空、升温和加压，然后保温保压进行扩散焊，得到焊接预制件；(2)将所述步骤(1)得到的焊接预制件依次进行卸压、缓冷和淬火处理；所述步骤(1)中保温保压的温度为1050℃～1080℃，保温保压的压力为90～120kgf，保温保压的时间为30～60min；所述步骤(2)中缓冷的时间为40～80s，缓冷结束的温度为500～700℃；所述步骤(2)中淬火处理的方式为真空气淬。本发明采用扩散焊的方式对镍基高温合金与奥氏体不锈钢进行焊接，并控制焊接过程中的焊接压力和温度(即保温保压的压力和温度)，既能够保证焊接过程中扩散充分，焊缝稳定性高，同时避免了焊缝晶粒粗化所导致的焊缝力学性能下降的缺陷；采用缓冷的方式进行冷却，可以避免焊接件在冷却过程中热应力与组织应力造成的裂纹；采用真空气淬的方式进行淬火可以提高焊接件的表面质量，避免焊接件变形；本发明的焊接方法操作简单，焊缝结合强度高，扩散均匀性强，焊接质量稳定，不易产生缺陷，且焊件在室温条件和高温条件下均具有优异的抗拉强度和延伸率，可有效指导镍基高温合金与不锈钢的扩散焊加工。实施例的结果显示，采用本发明提供的焊接方法得到的焊接件，其焊缝的室温抗拉强度为879.6～883.6MPa，室温延伸率为22.7～23.1％；高温(650℃)抗拉强度为655.2～657.7MPa，高温延伸率为13.2～13.6％。
附图说明
图1为本发明测试焊接件的室温拉伸试样尺寸的示意图；
图2为本发明测试焊接件的高温拉伸试样尺寸的示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种镍基高温合金与奥氏体不锈钢的焊接方法，包括以下步骤：
(1)将镍基高温合金和奥氏体不锈钢接合后依次进行抽真空、升温和加压，然后保温保压进行扩散焊，得到焊接预制件；
(2)将所述步骤(1)得到的焊接预制件依次进行卸压、缓冷和淬火处理；
所述步骤(1)中保温保压的温度为1050～1080℃，保温保压的压力为90～120kgf，保温保压的时间为30～60min；
所述步骤(2)中缓冷的时间为40～80s，缓冷结束的温度为500～700℃；
所述步骤(2)中淬火处理的方式为真空气淬。
在本发明中，所述焊接优选在Gleeble-3500热模拟机中进行。本发明对所述Gleeble-3500热模拟机的具体来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。本发明通过采用Gleeble模拟机进行的扩散焊，能够更加精准的控制工艺参数，从而获得所需的性能。
本发明将镍基高温合金和奥氏体不锈钢接合后依次进行抽真空、升温和加压，然后保温保压进行扩散焊，得到焊接预制件。
在本发明中，所述镍基高温合金优选为镍基高温合金GH4169，所述奥氏体不锈钢优选为奥氏体不锈钢304。本发明采用上述型号的镍基高温合金和奥氏体不锈钢进行焊接，能够进一步提高焊接质量。
在本发明中，所述镍基高温合金和奥氏体不锈钢的尺寸独立地优选为：直径6～10mm，长度10～20mm，更优选为：直径8mm，长度12～15mm；所述镍基高温合金和奥氏体不锈钢的尺寸优选相同。当所述镍基高温合金和奥氏体不锈钢的尺寸不满足上述条件时，本发明优选对所述镍基高温合金和奥氏体不锈钢的尺寸进行加工。本发明对所述加工的方式没有特殊的限定，能够使镍基高温合金和奥氏体不锈钢的尺寸满足要求即可。本发明通过控制焊接母材的尺寸，便于进行后续加工。
本发明优选在接合前对镍基高温合金和奥氏体不锈钢进行预处理，所述预处理优选包括：先用平面磨床分别对镍基高温合金和奥氏体不锈钢进行初打磨，然后依次用200#、600#、800#和1000#的砂纸打磨接合面。本发明通过对焊接母材进行预处理，可以去除焊接母材表面的杂质，同时使焊接面光滑平整，从而提高接合面的接合效果，并避免杂质对焊缝性能的影响，进一步提高焊缝的表面质量和力学性能。
在本发明中，所述接合的方式优选为：将镍基高温合金和奥氏体不锈钢分别放置在Gleeble-3500热模拟机的左压头和右压头之间，其中，镍基高温合金放置于固定端，奥氏体不锈钢放置于主动模端，保持镍基高温合金和奥氏体不锈钢与压头之间轴向对中，通过移动主动模端，使镍基高温合金和奥氏体不锈钢接合。
在本发明中，所述接合的压力优选为3～5MPa，更优选为4MPa。本发明通过在接合时施加一定的压力，可以使接合更加稳固。
在本发明中，所述抽真空的真空度优选为1×10-3～1×10-4pa。本发明对所述抽真空的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的抽真空工艺即可。本发明通过抽真空后再进行扩散焊接，能够避免合金成分在高温下与空气中的氧气反应生产杂质。
在本发明中，所述升温的速率优选为8～10℃/s，更优选为9～10℃/s。在本发明中，所述升温的方式没有特殊的限定，能够使温度参数符合要求即可。本发明通过控制升温的速率，避免升温速率过快造成焊接母材内应力的增加。
在本发明中，所述保温保压的温度为1050℃～1080℃，优选为1060℃～1070℃；保温保压的压力为90～120kgf，优选为100～110kgf，更优选为100kgf；保温保压的时间为30～60min，优选为40～50min。本发明通过控制焊接过程中保温保压的参数，可以进一步提高扩散焊过程中的均匀性和稳定性，从而进一步提高焊接质量。
得到焊接预制件后，本发明将所述焊接预制件依次进行卸压、缓冷和淬火处理，得到焊接件。
本发明对所述泄压的方式没有特殊的限定，通过操作Gleeble-3500热模拟机进行卸压即可。
在本发明中，所述缓冷的时间为40～80s，优选为50～70s，更优选为60s；所述缓冷结束的温度为500～700℃，优选为550～650℃，更优选为600℃。本发明通过控制缓冷的参数，能够进一步降低缓冷过程中产生的内应力，从而提高焊接质量。
在本发明中，所述淬火处理的方式优选为真空气淬。本发明对所述真空气淬的具体操作没有特殊的限定，采用本领域技术熟知的真空气淬的工艺即可。
本发明采用扩散焊的方式对镍基高温合金与奥氏体不锈钢进行焊接，并控制焊接过程中的焊接压力和温度，既能够保证焊接过程中扩散充分，焊缝稳定性高，同时避免了焊缝晶粒粗化所导致的焊缝力学性能下降的缺陷；采用缓冷的方式进行冷却，可以避免焊接件在冷却过程中热应力与组织应力造成的裂纹；采用真空气淬的方式进行淬火可以提高焊接件的表面质量，避免焊接件变形。
本发明的焊接方法操作简单，焊接参数易控，适合工业化推广，可有效指导镍基高温合金与不锈钢的扩散焊加工。
利用本发明焊接方法得到的焊接件的焊缝结合强度高，扩散均匀性强，焊接质量稳定，不易产生缺陷，且在室温条件和高温条件下均具有优异的抗拉强度和延伸率。
下面结合实施例对本发明提供的镍基高温合金与奥氏体不锈钢的焊接方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
镍基高温合金GH4169与奥氏体不锈钢304的焊接方法，采用如下步骤：
(1)先对镍基高温合金GH4169坯料和奥氏体不锈钢304坯料进行加工，使镍基高温合金GH4169坯料的尺寸为：直径8mm，长度12mm，奥氏体不锈钢304坯料的尺寸为：直径8mm，长度12mm，然后先用平面磨床对镍基高温合金GH4169坯料和奥氏体不锈钢304坯料分别进行初打磨，再依次用200#、600#、800#和1000#的砂纸打磨镍基高温合金GH4169坯料和奥氏体不锈钢304坯料的接合面，得到镍基高温合金GH4169和奥氏体不锈钢304，然后在奥氏体不锈钢304的非接合面部位焊接K型热电偶丝(作用是加热)。
将镍基高温合金GH4169和奥氏体不锈钢304放置在Gleeble-3500热模拟机的左压头和右压头之间，其中，镍基高温合金放置于固定端，奥氏体不锈钢放置于主动模端，保持镍基高温合金GH4169和奥氏体不锈钢304与压头之间轴向对中，通过移动主动模端，使镍基高温合金和奥氏体不锈钢接合，接合后依次进行抽真空、升温和加压，然后保温保压进行扩散焊，得到焊接预制件；所述接合的压力为4MPa；所述抽真空的真空度为1×10-4pa；所述升温的速率为9℃/s；所述保温保压的温度为1080℃，保温保压的压力为100kgf，保温保压的时间为30min；
(2)将所述步骤(1)得到的焊接预制件依次进行卸压、缓冷和淬火处理，得到焊接件；在本发明中，所述缓冷的时间为60s，缓冷结束的温度为600℃；所述淬火处理的方式为真空气淬；
实施例2
保温保压的时间为60min，其他条件和实施例1相同。
实施例3
保温保压的温度为1050℃，其他条件和实施例1相同。
实施例4
保温保压的温度为1050℃，保温保压的时间为60min，其他条件和实施例1相同。
对比例1
保温保压的温度为1020℃，其他条件和实施例1相同。
对比例2
保温保压的温度为1070℃，保温保压的时间为10min，其他条件和实施例1相同。
对比例3
保温保压的温度为1050℃，保温保压的压力为70kgf，保温保压的时间为60min，其他条件和实施例1相同。
对实施例1～4和对比例1～3制备得到的焊接件的力学性能进行测试，室温拉伸和高温拉伸(650℃)的试样分别如图1和图2所示，将焊接件进行机加工，得到拉伸性能测试用样品，测试按照《GBT228-2002金属材料室温拉伸实验方法》进行，分别测试焊接件在室温和高温(650℃)条件下的拉伸性能，测试结果如表1所示。
表1实施例1～4和对比例1～3制备得到的焊接件的力学性能
本发明实施例1～4制备的焊接件的焊后抗拉强度高，室温拉伸延伸率高，焊缝质量稳定，不易产生缺陷；而对比例1的方法在焊接时，两种异种金属无法焊接到一起，对比例2和对比例3制备的焊接件的常温力学性能较差，且在高温下测试时容易发生焊缝断裂，无法满足服役性能要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种镍基高温合金与奥氏体不锈钢的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将镍基高温合金和奥氏体不锈钢接合后依次进行抽真空、升温和加压，然后保温保压进行扩散焊，得到焊接预制件；
（2）将所述步骤（1）得到的焊接预制件依次进行卸压、缓冷和淬火处理；
所述步骤（1）中保温保压的温度为1050~1080℃，保温保压的压力为90~120kgf，保温保压的时间为30~60min；
所述步骤（2）中缓冷的时间为40~80s，缓冷结束的温度为500~700℃；
所述步骤（2）中淬火处理的方式为真空气淬；
所述焊接方法得到的焊接件，其焊缝的室温抗拉强度为879.6~883.6MPa，室温延伸率为22.7~23.1%；高温650℃抗拉强度为655.2~657.7MPa，高温650℃延伸率为13.2~13.6%。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤（1）中的镍基高温合金为镍基高温合金GH4169，奥氏体不锈钢为奥氏体不锈钢304。
3.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤（1）中接合前还包括对镍基高温合金和奥氏体不锈钢进行预处理，所述预处理包括：先用平面磨床分别对镍基高温合金和奥氏体不锈钢进行初打磨，然后依次用200#、600#、800#和1000#的砂纸打磨接合面。
4.根据权利要求1或3所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤（1）中接合的压力为3~5MPa。
5.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤（1）中抽真空的真空度为1×10-3~1×10-4pa。
6.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤（1）中升温的速率为8~10℃/s。
7.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤（1）中保温保压的温度为1060℃~1070℃。
8.根据权利要求1或7所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤（1）中保温保压的压力为100~110kgf。
9.根据权利要求1或7所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤（1）中保温保压的时间为40~50min。
10.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述步骤（2）中缓冷的时间为50~70s，缓冷结束的温度为550~650℃。
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| CN (1) | CN115255599B (zh) |
Citations (4)
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| CN110666328A (zh) * | 2019-11-01 | 2020-01-10 | 西安西工大超晶科技发展有限责任公司 | 一种铸造高温合金与马氏体不锈钢扩散焊方法 |
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| KR102261029B1 (ko) * | 2019-11-27 | 2021-06-04 | 한국원자력연구원 | 확산 접합용 니켈계 초내열 합금 및 이를 이용한 확산 접합 방법 |
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2022
- 2022-08-10 CN CN202210959481.3A patent/CN115255599B/zh active Active
Patent Citations (4)
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