一种铁镍基合金焊接接头热影响区晶界液化裂纹控制方法

技术领域

本发明涉及铁镍基合金焊接领域，具体地说是一种铁镍基沉淀强化奥氏体合金(J75)接头热影响区晶界液化裂纹控制方法。

背景技术

随着航空、航天和核能利用等高科技领域的发展，对所用材料和器件提出了更高的要求。由于强度偏低，如：304、310、316以及316L等单相奥氏体不锈钢已不满足各个领域的使用要求。沉淀强化型奥氏体不锈钢是在单相奥氏体不锈钢基础上，通过Ti、Al等元素的合金化发展起来的，该类合金在时效态下使用，通过析出与基体具有共格关系的强化相γ′-Ni₃(Al,Ti)获得高强度和良好塑性匹配。该类合金的高强度源于与基体具有共格关系的强化相γ′-Ni₃(Al,Ti)，典型的合金如：国内的J75合金。

在航空、航天、化工及能源领域作为结构材料使用时，不可避免的遇到连接问题。应提到的是，铁镍基(J75)合金的合金化程度高，除主元素Fe、Cr、Ni外，还含有Mo、Ti、Al、V等合金化元素，如：采用普通的熔化焊(钨极氩弧焊)方法，由于其热输入大，接头的热影响区会很大，这会使合金中析出的强化相γ′-Ni₃(Al,Ti)回溶，在热影响区形成明显的贫γ′区，显著降低接头强度。更为重要的是，由于合金化程度高，接头中易形成结晶裂纹和热影响区晶界液化裂纹。电子束焊接属于高能束流焊接的一种，由于具有热输入小、能量集中、焊深焊宽比大、不需填充金属和开坡口，同时造成材料热影响区小等优点，已经在诸多领域的材料和构件连接上获得了应用。选用电子束焊接进行J75合金的连接，有利于改善接头性能。但仍会在J75合金一侧形成一定宽度的热影响区，从而致使强化相γ′-Ni₃(Al,Ti)回溶，在形成一定的贫γ′区，降低接头强度。同时，由于含Ti、Al等元素，即使采用真空电子束焊接，如何抑制接头中热影响区晶界液化裂纹的形成依然不容忽视。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁镍基合金焊接接头热影响区晶界液化裂纹控制方法，解决现有技术中铁镍基合金接头易形成较宽贫γ′区和晶界液化裂纹的问题。

本发明的技术方案是：

一种铁镍基合金焊接接头热影响区晶界液化裂纹控制方法，铁镍基合金为沉淀强化奥氏体合金，采用真空电子束焊接方法，包括如下步骤：

(1)铁镍基合金板材对接面采用磨光处理，表面粗糙度为Ra1.6～3.2μm；

(2)将步骤(1)中磨光处理后的母材进行去污处理，处理时首先选用石油醚除油，随后采用酒精擦洗，该去污处理需在焊前10分钟～3小时内进行；

(3)将步骤(2)处理后的铁镍基合金在焊接室内装夹固定，对接面采用紧配合并保持两块母材水平放置；

(4)关闭真空焊接室并抽真空，焊接时真空度为5×10^-3Pa～1×10^-2Pa；

(5)待焊接室达到步骤(4)所要求的真空度时，先进行两块母材的定位焊，定位焊采用点定位，位置分别在焊缝的前、中、后三处，定位焊工艺参数为：加速电压40～60KV，焊接电流2～15mA，聚焦电流1.5～3.0A，时间1～3s；

(6)将经步骤(5)定位焊后的板材进行正式焊接，焊接采用单循环焊接方式，焊接工艺参数为：加速电压50～60KV，焊接电流15～50mA，聚焦电流1.5～3.0A，电子束偏转振幅0.3～0.8mm，频率200～350Hz，焊接速度0.5～1.5m/min；

(7)步骤(6)完成后，保持焊板装夹位置不动，进行焊缝表面修饰焊接，修饰焊工艺参数为：加速电压50～60KV，焊接电流2～15mA，聚焦电流1.5～2.8A，焊接速度0.5～1.5m/min；

(8)步骤(7)完成后，保持焊板装夹位置不动，采用电子束对焊缝进行散焦扫描，扫描工艺参数为：加速电压20～40KV，扫描电流2～10mA，聚焦电流2.0～3.0A，扫描速度0.5～1.5m/min，扫描次数10～20次。

所述的铁镍基合金焊接接头热影响区晶界液化裂纹控制方法，焊接采用真空电子束焊机。

所述的铁镍基合金焊接接头热影响区晶界液化裂纹控制方法，真空电子束焊机为中压电子束焊机。

所述的铁镍基合金焊接接头热影响区晶界液化裂纹控制方法，铁镍基合金板材的厚度范围为2.0～20mm。

所述的铁镍基合金焊接接头热影响区晶界液化裂纹控制方法，铁镍基合金的牌号为J75。

本发明的设计思想是：

本发明的铁镍基合金接头热影响区晶界液化裂纹控制方法，采用真空电子束焊接方法，具体为：母材焊前处理→真空焊接室内装夹固定→焊接室抽真空→定位焊接→带电子束偏转扫描的单循环焊接→焊后修饰焊接→焊后电子束散焦扫描焊缝的工艺路线。焊前处理，一方面可使母材对接紧密，防止焊缝凹陷；另一方面可去除母材表面的污渍，防止接头中的气孔和夹杂生成；通过焊缝前、中、后三点定位焊，防止焊接过程中母材错动。焊后处理，一方面通过电子束自身的偏转扫描，增加熔池液态金属流动，回填热影响区液化晶界区，避免液化裂纹形成；另一方面通过焊后电子束散焦焊缝扫描，使熔池和热影响区短时升温，在析出适量γ′强化相有效提高接头强度的同时，可以抑制热影响区晶界液化裂纹形成。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明将铁镍基合金对接面进行磨光处理，同时在装配时采用紧配合并在焊接前进行定位焊，可有效控制焊接变形并防止焊缝表面金属凹陷缺陷的产生。

2、本发明在焊接过程施加了电子束自身的偏转扫描，一方面增加熔池金属流动、减小熔池金属偏析；另一方面也可有利于熔池液态金属回填热影响区晶界液化区，避免接头晶界液化裂纹的形成。

3、本发明中采用焊后的修饰焊接，可消除飞溅、凹陷等焊缝表面缺陷，利于表面成形。

4、本发明中在焊后进行焊缝的电子束散焦扫描，一方面可促使熔池及铁镍基合金一侧的热影响区中析出适宜数量γ′强化相，消除其在焊接过程中形成的贫γ′区，显著提高接头强度；另一方面，有利于热影响区缓冷，避免接头液化裂纹形成。

5、采用本发明焊接的铁镍基合金接头，接头热影响区无贫γ′区和晶界液化裂纹形成。本发明方法焊接的铁镍基合金接头表面成形好，接头强度在980MPa以上，甚至达到1030MPa以上，与母材的强度系数可达0.9以上，接头冲击韧度α_kU在980KJ/m²以上，甚至达到1020KJ/m²以上。

附图说明

图1为J75合金板材接头微观组织图。

具体实施方式

在具体实施方式中，本发明铁镍基沉淀强化奥氏体合金板材的焊接接头热影响区晶界液化裂纹控制方法，采用真空电子束焊接，真空电子束焊机为中压真空电子束焊机，其工艺流程为：母材焊前处理→真空焊接室内装夹固定→焊接室抽真空→定位焊接→带电子束偏转扫描的单循环焊接→焊后修饰焊接→焊后电子束散焦扫描焊缝的工艺路线。其中：铁镍基合金板材的厚度范围为2.0～20mm，铁镍基合金牌号为J75，其化学成分如下：按重量百分比计，镍：29.0～32.0，铬：14.0～16.0，钼：1.30～1.50，钛：1.60～2.30，铝：0.2～0.5，硅：0.1～0.3，硼：0.001～0.006，铁：余量。

下面通过实施例和附图对本发明进一步详细描述。

实施例1:

规格180mm(长)×60mm(宽)×4.0mm(厚)的J75合金板材的真空电子束焊接，具体实施过程为：

1、J75合金板材坯料皆为热轧板材，热轧板材的化学成分和力学性能满足GJB 5724-2006《抗氢钢棒规范》的要求。J75板材经980℃/1h，水淬+740℃/8h，空冷处理。热处理后的板材经机加工后至3.5～4.5mm(本实施例为4.0mm)，长度方向上采用磨床加工至粗糙度Ra1.6μm。

2、将步骤1中磨光处理后的母材进行去污处理，处理时首先选用石油醚除油，随后采用酒精擦洗，该去污处理需在焊前30分钟内进行；

3、将步骤2处理后的J75合金板材在焊接室内装夹固定，对接面采用紧配合并保持两块母材水平放置，并采用压板压紧；

4、关闭真空焊接室并抽真空，焊接时真空度6×10^-3Pa；

5、待焊接室达到步骤4所要求的真空度时，先进行焊缝的定位焊，定位焊采用点定位，位置分别在焊缝的前、中、后三处，定位焊工艺参数为：加速电压40～60KV(本实施例为50KV)，焊接电流2～15mA(本实施例为2mA)，聚焦电流1.5～3.0A(本实施例为2.325A)，时间1～3s(本实施例为1.5s)；

6、将经步骤5定位焊后的板材进行正式焊接，焊接采用单循环焊接方式，焊接工艺参数为：加速电压50～60KV(本实施例为50KV)，焊接电流15～50mA(本实施例为25mA)，聚焦电流1.5～3.0A(本实施例为2.325A)，电子束偏转振幅0.3～0.8mm(本实施例为0.6mm)，频率200～350Hz(本实施例为300Hz)，焊接速度0.5～1.5m/min(本实施例为1m/min)；

7、步骤6完成后，保持焊板装夹位置不动，进行焊缝表面修饰焊接，修饰焊工艺参数为：加速电压50～60KV(本实施例为50KV)，焊接电流2～15mA(本实施例为7mA)，聚焦电流1.5～2.8A(本实施例为2.575A)，焊接速度0.5～1.5m/min(本实施例为0.8m/min)；

8、步骤7完成后，保持焊板装夹位置不动，采用电子束对焊缝进行散焦扫描，扫描工艺参数为：加速电压20～40KV(本实施例为30KV)，扫描电流2～10mA(本实施例为4mA)，聚焦电流2.0～3.0A(本实施例为2.575A)，扫描速度0.5～1.5m/min(本实施例为1.5m/min)，扫描次数10～20次(本实施例为15次)。

9、步骤8完成后，按JB/T4730.2-2005，《承压设备无损检测第2部分射线检测》进行焊接接头x射线检测，结果表明接头无气孔、夹杂等缺陷生成。

10、截取按步骤8处理的J75合金焊接接头横截面试样进行微观组织分析，结果显示接头无热影响区晶间液化裂纹等缺陷生成，具体见图1。将按步骤8处理的J75合金接头按GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行力学性能测试，结果见表1。

表1.J75合金焊接接头力学性能

本实施例焊接的板厚为4.0mm的J75合金接头无热影响区晶界液化裂纹形成，且抗拉强度不低于1040MPa，与母材的强度系数可达0.95以上，冲击韧度α_kU不低于1030KJ/m²。从而，可以看出采用本发明方法焊接的J75合金接头无热影响区晶界液化裂纹，具有较高强度和冲击韧度。

实施例2：

规格120mm(长)×60mm(宽)×11mm(厚)的J75合金板材的真空电子束焊接，与实施例1不同之处在于，所焊接的J75合金板材厚度为11mm，相应调整了焊接工艺参数、焊后修饰焊工艺参数和电子束扫描次数。

采用与实施例1经相同热处理的J75合金板材坯料，热处理后机加工至11mm厚，长度方向上采用磨床加工至粗糙度为Ra1.6μm；焊前30分钟选用石油醚除油，并用酒精擦洗磨光处理后的母材；随后采用对接、紧配合方式将两块J75合金板材在焊接室内装夹固定，并保持两块母材水平放置；关闭真空焊接室并将真空度抽至8×10^-3Pa后进行焊缝的定位焊，定位焊采用点定位，位置分别在焊缝的前、中、后三处，定位焊工艺参数为：加速电压60KV，焊接电流3mA，聚焦电流2.335A，时间1s；采用单循环方式进行正式焊接，焊接工艺参数为：加速电压60KV，焊接电流35mA，聚焦电流为2.335A，电子束偏转振幅0.6mm，频率300Hz，焊接速度0.9m/min；采用加速电压50KV，焊接电流9mA，聚焦电流2.575A，焊接速度0.7m/min进行修饰焊接；采用加速电压40KV，扫描电流6mA，聚焦电流2.775A，扫描速度1.2m/min对焊缝进行散焦扫描，扫描次数15次。按JB/T4730.2-2005，《承压设备无损检测第2部分射线检测》进行焊接接头x射线检测，结果表明接头无气孔、夹杂等缺陷生成；截取接头横截面试样进行微观组织分析，结果显示接头无热影响区晶间液化裂纹等缺陷生成；截取异种合金接头试样，按GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行力学性能测试，结果见表2。

表2.J75合金焊接接头力学性能

本实施例焊接的板厚为11mm的J75合金接头无气孔、夹杂和热影响区晶间液化裂纹，且抗拉强度不低于1030MPa，与母材的强度系数可达0.94以上，冲击韧度α_kU不低于1020KJ/m²。从而，可以看出采用本发明方法焊接的J75合金接头无热影响区晶界液化裂纹，具有较高强度和冲击韧度。

实施例3：

规格150mm(长)×80mm(宽)×19mm(厚)的J75合金板材的真空电子束焊接，与实施例1不同之处在于，所焊接的J75合金板材厚度为19mm，相应调整了焊接工艺参数、焊后修饰焊工艺参数和电子束扫描次数。

采用与实施例1经相同热处理的J75合金板材坯料，热处理后机加工至19mm厚，长度方向上采用磨床加工至粗糙度为Ra1.6μm；焊前30分钟选用石油醚除油，并用酒精擦洗磨光处理后的母材；随后采用对接、紧配合方式将两块J75合金板材在焊接室内装夹固定，并保持两块母材水平放置；关闭真空焊接室并将真空度抽至5×10^-3Pa后进行焊缝的定位焊，定位焊采用点定位，位置分别在焊缝的前、中、后三处，定位焊工艺参数为：加速电压60KV，焊接电流5mA，聚焦电流2.285A，时间1s；采用单循环方式进行正式焊接，焊接工艺参数为：加速电压60KV，焊接电流47.5mA，聚焦电流为2.285A，电子束偏转振幅0.8mm，频率300Hz，焊接速度0.8m/min；采用加速电压50KV，焊接电流8mA，聚焦电流2.695A，焊接速度0.7m/min进行修饰焊接；采用加速电压40KV，扫描电流6mA，聚焦电流2.825A，扫描速度1.2m/min对焊缝进行散焦扫描，扫描次数15次。按JB/T4730.2-2005，《承压设备无损检测第2部分射线检测》进行焊接接头x射线检测，结果表明接头无气孔、夹杂等缺陷生成；截取接头横截面试样进行微观组织分析，结果显示接头无热影响区晶间液化裂纹等缺陷生成；截取异种合金接头试样，按GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行力学性能测试，结果见表3。

表3.J75合金焊接接头力学性能

本实施例焊接的板厚为19mm的J75合金接头无气孔、夹杂和热影响区晶间液化裂纹，且抗拉强度不低于1030MPa，与母材的强度系数可达0.94以上，冲击韧度α_kU不低于1020KJ/m²。从而，可以看出采用本发明方法焊接的J75合金接头无热影响区晶界液化裂纹，具有较高强度和冲击韧度。

实施例结果表明，采用本发明技术方案的工艺参数范围内，均可实现本发明目的，所焊接的J75合金接头热影响区无贫γ′区和晶界液化裂纹形成。