專利名稱：以Fe-Cr-Ni合金為填充材料的鐵鋁基合金與不銹鋼的熔焊工藝的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領域，涉及異種金屬的焊接方法，尤其涉及一種以Fe-Cr-Ni合金為填充材料的鐵鋁基合金與不銹鋼的熔焊工藝。
背景技術(shù)：
鐵鋁基合金具有高的高溫 比強度、比剛度，以及優(yōu)異的抗高溫氧化、硫化和耐腐蝕性能，而且其比重低，使用成本相對低廉，在石油化工及能源、電力行業(yè)等領域有廣闊的發(fā)展前景，是極具應用潛力的耐磨、耐熱和耐腐蝕的結(jié)構(gòu)材料。焊接作為結(jié)構(gòu)材料制造的重要手段，是鐵鋁基合金推廣應用的關鍵工藝，但是鐵鋁基合金的脆性大、焊接性差，熔焊時容易產(chǎn)生熱裂紋及冷裂紋。盡管鐵鋁基合金的焊接難度很大，但是由于工程結(jié)構(gòu)上的迫切需求，許多研究者作出了很大努力，取得了一些重要的成果。目前針對鐵鋁基合金采用的焊接方法主要有電子束焊、鎢極氬弧焊、真空擴散焊、釬焊等，但離工業(yè)化大規(guī)模應用仍有相當距離?，F(xiàn)有技術(shù)的鐵鋁基合金薄板焊接時，采用高能量密度的焊接方法(如電子束焊)在較低的焊速下可以獲得滿意的焊接接頭。對于中厚板，大多采取較高溫度的焊前預熱及焊后熱處理工藝且嚴格控制工藝參數(shù)才能獲得無裂紋的焊接接頭。而采用真空擴散焊、釬焊等雖然能夠獲得界面結(jié)合緊密的接頭，但在高溫、高壓、長時間保溫的條件下，會造成接頭區(qū)組織粗化，導致接頭力學性能降低，且由于設備昂貴(如真空擴散焊)及工件尺寸受到限制等因素而無法滿足大批量工業(yè)化應用的要求。如果通過優(yōu)化焊接填充材料，實現(xiàn)鐵鋁基合金與不銹鋼的不預熱無裂紋焊接，將大大推進鐵鋁基合金作為高溫結(jié)構(gòu)材料的應用?，F(xiàn)有技術(shù)中有的采用中低碳Cr-Mo鋼焊絲作填充材料進行鐵鋁基合金的焊接，焊后經(jīng)350°C 500°C保溫I 2小時并隨爐冷卻至室溫。采用Cr-Mo鋼焊絲或焊條作填充材料雖然能保證焊接接頭的力學性能，但由于Cr含量較低(0.5% 2.0%，質(zhì)量百分數(shù))，焊縫金屬的耐熱和耐腐蝕性較差，在熱、酸性環(huán)境中容易在焊縫處失效。采用本發(fā)明提出的焊接工藝和填充材料，能夠滿足鐵鋁基合金與不銹鋼作為耐熱結(jié)構(gòu)件在耐磨、耐腐蝕性場合的使用要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述的不足，提供一種以Fe-Cr-Ni合金為填充材料的鐵鋁基合金與不銹鋼的熔焊工藝；適應范圍廣，能夠?qū)崿F(xiàn)在室溫條件下獲得無裂紋、結(jié)合強度較高的鐵鋁基合金與不銹鋼的焊條電弧焊，采用這種方法獲得的焊接接頭的抗拉強度達到720MPa，能夠滿足鐵鋁基合金與不銹鋼熔焊接頭在耐磨、耐腐蝕場合中的使用要求。本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的:以Fe-Cr-Ni合金為填充材料的鐵鋁基合金與不銹鋼的熔焊工藝，包括以下步驟:I)將待焊鐵鋁基合金板材工件與不銹鋼板材工件表面經(jīng)過機械加工，去除待焊工件表面的氧化膜、油污和銹蝕；2)將鐵鋁基合金板材工件與不銹鋼板材工件裝配成對接接頭，在室溫不預熱條件下電弧焊，電弧焊采用填充材料鎳基焊條打底焊，采用超低碳Cr25Nil3Mo2不銹鋼焊條蓋面焊。所述步驟2)采用直流逆變電弧焊機施焊，焊條電弧焊工藝參數(shù)為:直流反極性，焊接電壓24V，打底焊的焊接電流80A 100A，焊接熱輸入8kJ/cm 12kJ/cm ;蓋面焊的焊接電流90A 120A，焊接熱輸入10kJ/cm 15kJ/cm。所述步驟2)鎳基焊條型號為ENiCrMo-Ο，所述不銹鋼焊條型號為E309MoL_16。所述ENiCrMo-O鎳基焊條化學成分的質(zhì)量百分數(shù)為:C 0.03% 0.05%, Cr 13% 16%, Ni 60% 75%，Mo 2% 6%，Nb 3% 5%，余為 Fe。所述E309MoL-16不銹鋼焊條化學成分的質(zhì)量百分數(shù)為:C 0.02% 0.04%, Cr22% 25%，Ni 12% 14%，Mo 2% 4%，Μη 0.5% 2.5%，Si 0.6% 0.9%，Cu 0.5% 0.7%，
余為Fe。 所述步驟2)焊接過程中保持焊條與焊縫水平板之間的傾角保持在80° 85°，打底層焊條不擺動，保持直線短弧施焊。所述步驟2)焊接結(jié)束時，填滿弧坑后再熄滅電弧。所述步驟2)在焊接厚度6 IOmm尺寸的鐵鋁基合金和不銹鋼板工件焊接前，將石棉板置于工件下面，焊后對工件接頭處覆蓋石棉板以緩慢冷卻。所述步驟2)焊接前將工件對接接頭處打磨成約60°的V形坡口，鈍邊3mm。本發(fā)明的工作原理:本發(fā)明提出的采用鎳基焊條(ENiCrMo-O)打底焊、超低碳Cr25Nil3Mo2不銹鋼焊條(E309MoL-16)蓋面焊是實現(xiàn)鐵鋁基合金與不銹鋼室溫不預熱焊接的關鍵。鐵鋁基合金的焊接裂紋敏感性很強，應選用塑、韌性較好的焊條打底焊，但是并非韌性越好的合金就越適合作焊接材料，如純鎳焊條由于成分和相組成的差異，對鐵鋁基合金的焊接性產(chǎn)生不良影響。因此，在選擇填充材料時不但要求填充合金本身具有良好的塑韌性，而且要含有能提高鐵鋁基合金塑、韌性的合金元素，以便在焊接過程中通過合金元素過渡的方式提高鐵鋁基合金熔焊接頭熔合區(qū)的塑、韌性。鐵鋁基合金與不銹鋼焊接中加入Ni形成兩相組織能改善焊縫根部的塑、韌性。本發(fā)明提出采用含有能增強鐵鋁基合金塑、韌性的合金元素Cr和Ni且本身具有良好塑、韌性的Fe-Cr-Ni合金系焊條作為鐵鋁基合金與不銹鋼熔焊的填充材料。采用該發(fā)明進行鐵鋁基合金與不銹鋼的焊接，可以大大簡化焊接工藝過程，可操作性強。鐵鋁基合金與鋼熔焊時，在一定的焊接速度下，焊接電流太大或太小都容易引起焊接裂紋。電流較小時，由于焊接熱輸入較小，焊縫冷卻速度快，特別是在流動的氬氣作用下，焊縫的冷卻速度更快，焊后即產(chǎn)生明顯的宏觀裂紋。焊接電流較大時，焊接熱輸入較大，熔池過熱時間較長而導致焊縫組織嚴重粗化進而誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生。只有焊接電流適中時，才能獲得無裂紋的鐵鋁基合金與鋼的焊接接頭。在焊接電流一定的條件下，隨著焊接速度的增加，鐵鋁基合金與不銹鋼焊縫的裂紋越來越嚴重。由于鐵鋁基合金本身具有較高的線脹系數(shù)和較低的熱導率，使得在焊接速度較快的條件下，鐵鋁基合金焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)之間的溫度梯度很大，導致焊縫處產(chǎn)生較大的殘余應力，易誘發(fā)焊接裂紋的產(chǎn)生。且由于焊接速度較快時導致接頭熔深較小，造成接頭的結(jié)合強度較低。因此，在不預熱、不焊后熱處理的條件下，針對鐵鋁基合金與不銹鋼的焊接應采用較低的焊接速度，控制焊接熱輸入在8kJ/cm 12kJ/cm，才能避免焊縫根部裂紋的產(chǎn)生。本發(fā)明的有益效果:1.采用該發(fā)明對鐵鋁基合金與不銹鋼工件進行焊接，簡化焊接工藝過程，可操作性強。2.本發(fā)明的焊接電流適中，能夠獲得無裂紋的鐵鋁基合金與鋼的焊接接頭。3.本發(fā)明在不預熱、不焊后熱處理的條件下，針對鐵鋁基合金與不銹鋼的焊接應采用較低的焊接速度，控制焊接熱輸入在8kJ/cm 12kJ/cm，避免焊縫根部裂紋的產(chǎn)生。4.本發(fā)明用鎳 基焊條打底焊、Fe-Cr-Ni合金蓋面焊的鐵鋁基合金與不銹鋼的熔焊工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)鐵鋁基合金和不銹鋼的不預熱無裂紋焊接，得到鐵鋁基合金與不銹鋼對接接頭的抗拉強度達到720MPa，能夠可保證焊縫的力學性能和耐熱、耐腐蝕性能，且無須焊前及焊后熱處理，操作更加簡單、實效，尤其適用于工業(yè)化生產(chǎn)中(如石化、煉油、電力等)耐熱、抗腐蝕條件下鐵招基合金與不銹鋼異種金屬板材(厚度6_ 12mm)的焊接。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步說明。實施例1:對長度為180臟、寬度為110mm、厚度為IOmm的鐵鋁基合金工件與鐵素體不銹鋼板材工件(2Crl3)的對接焊，采用直徑為3.2mm的鎳基焊條(ENiCrMo-O)打底焊、超低碳Cr25Nil3Mo2不銹鋼焊條(E309MoL_16)蓋面焊，工藝步驟為:(I)用手動砂輪將鐵鋁基合金工件和鐵素體不銹鋼板材工件的接頭處表面打磨至露出金屬光澤，將工件對接接頭處打磨成約60°的V形坡口，鈍邊3mm ；(2)鎳基打底焊條(ENiCrMo-O)的化學成分的以質(zhì)量百分比計為:C 0.04%5%，Cr15%, Ni 70%,Mo 4%, Nb 4，余為 Fe ;蓋面層的 Cr25Nil3Mo2 超低碳不銹鋼焊條(E309MoL_16)的化學成分的質(zhì)量百分數(shù)為:C 0.02%, Cr 25%, Ni 13%%，Mo 3%, Mn 1.5%，Si 0.5%%，Cu
0.6%，余為 Fe。(3)點焊工件并將石棉板置于對接試板下面，采用直流反極性進行焊接。焊接工藝參數(shù)為:直流反極性，焊接電壓24V，打底焊的焊接電流85A，焊接熱輸入7kJ/cm 9kJ/cm ；蓋面焊的焊接電流105A，焊接熱輸入9kJ/cm 12kJ/cm。(4)焊接過程中，保持焊條與焊縫水平板之間的傾角保持在80° 85°，焊條不擺動，打底層始終保持直線短弧施焊。蓋面焊保持焊接速度稍慢些。焊接結(jié)束時，填滿弧坑后再媳滅電弧。(5)焊接過程中不斷用石棉板覆蓋剛焊好的焊縫，對整條焊接接頭覆蓋石棉板以緩慢冷卻。實施例2:對長度為160mm、寬度為100mm、厚度為6mm的鐵鋁基合金工件與奧氏體不銹鋼板材(lCrl8Ni9Ti)工件的對接焊，采用直徑為3.2mm的鎳基焊條(ENiCrMo-O)打底焊、超低碳Cr25Nil3Mo2不銹鋼焊條(E309MoL_16)蓋面焊，工藝步驟為:(I)用手動砂輪將鐵鋁基合金工件和lCrl8Ni9Ti不銹鋼板材工件的工件接頭處表面打磨至露出金屬光澤，將工件對接接頭處打磨成約60°的V形坡口，鈍邊3mm ；(2)鎳基打底焊條(ENiCrMo-O)的化學成分的以質(zhì)量百分比計為:C 0.04%5%，Cr15%, Ni 70%,Mo 4%, Nb 4，余為 Fe ;蓋面層的 Cr25Nil3Mo2 超低碳不銹鋼焊條(E309MoL_16)的化學成分的質(zhì)量百分數(shù)為:C 0.02%, Cr 25%, Ni 13%%，Mo 3%, Mn 1.5%，Si 0.5%%，Cu
0.6%，余為 Fe。(3)點固工件并采用直流反極性進行焊接。焊接工藝參數(shù)為:直流反極性，焊接電壓24V，打底焊的焊接電流85A，焊接熱輸入8kJ/cm 9kJ/cm ;蓋面焊的焊接電流110A，焊接熱輸入10kJ/cm 12kJ/cm。(4)焊接過程中，保持焊條與焊縫水平板之間的傾角保持在80° 85°，焊條不擺動，打底層始終保持直線短弧施焊。蓋面焊保持焊接速度稍慢些。焊接結(jié)束時，填滿弧坑后再媳滅電弧。(5)焊后對接頭處覆蓋石棉板以緩慢冷卻。上述雖然對發(fā)明的具體實施方式
進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術(shù)人員應該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎上，本領域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出 的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種以Fe-Cr-Ni合金為填充材料的鐵鋁基合金與不銹鋼的熔焊工藝，其特征是，包括以下步驟: 1)將待焊鐵鋁基合金板材工件與不銹鋼板材工件表面經(jīng)過機械加工，去除待焊工件表面的氧化膜、油污和銹蝕； 2)將鐵鋁基合金板材工件與不銹鋼板材工件裝配成對接接頭，在室溫不預熱條件下電弧焊，電弧焊采用填充材料鎳基焊條打底焊、超低碳Cr25Nil3Mo2不銹鋼焊條蓋面焊。
2.如權(quán)利要求1所述的以Fe-Cr-Ni合金為填充材料的鐵鋁基合金與不銹鋼的熔焊工藝，其特征是，所述步驟2)采用直流逆變電弧焊機施焊，焊條電弧焊工藝參數(shù)為:直流反極性，焊接電壓24V，打底焊的焊接電流80A 100A，焊接熱輸入8kJ/cm 12kJ/cm;蓋面焊的焊接電流90A 120A,焊接熱輸入10kJ/cm 15kJ/cm。
3.如權(quán)利要求1所述的以Fe-Cr-Ni合金為填充材料的鐵鋁基合金與不銹鋼的熔焊工藝，其特征是，所述步驟2)鎳基焊條型號為ENiCrMo-Ο，所述不銹鋼焊條型號為E309MoL-16。
4.如權(quán)利要求3所述的以Fe-Cr-Ni合金為填充材料的鐵鋁基合金與不銹鋼的熔焊工藝，其特征是，所述ENiCrMo-O鎳基焊條化學成分的質(zhì)量百分數(shù)為:C 0.03% 0.05%，Cr13% 16%，Ni 60% 75%，Mo 2% 6%，Nb 3% 5%，余為 Fe。
5.如權(quán)利要求3所述的以Fe-Cr-Ni合金為填充材料的鐵鋁基合金與不銹鋼的熔焊工藝，其特征是，所述E309MoL-16不銹鋼焊條化學成分的質(zhì)量百分數(shù)為:C 0.02% 0.04%,Cr 22% 25%，Ni 12% 14%，Mo 2% 4%，Mn 0.5% 2.5%, Si 0.6% 0.9%, Cu 0.5% 0.7%，余為 Fe。
6.如權(quán)利要求 1所述的以Fe-Cr-Ni合金為填充材料的鐵鋁基合金與不銹鋼的熔焊工藝，其特征是，所述步驟2)焊接過程中保持焊條與焊縫水平板之間的傾角保持在80° 85°，打底層焊條不擺動，保持直線短弧施焊。
7.如權(quán)利要求1所述的以Fe-Cr-Ni合金為填充材料的鐵鋁基合金與不銹鋼的熔焊工藝，其特征是，所述步驟2)焊接結(jié)束時，填滿弧坑后再熄滅電弧。
8.如權(quán)利要求1所述的以Fe-Cr-Ni合金為填充材料的鐵鋁基合金與不銹鋼的熔焊工藝，其特征是，所述步驟2)在焊接厚度6 IOmm尺寸的鐵鋁基合金和不銹鋼板焊接工件前，將石棉板置于工件下面，焊后對工件接頭處覆蓋石棉板以緩慢冷卻工件。
9.如權(quán)利要求1所述的以Fe-Cr-Ni合金為填充材料的鐵鋁基合金與不銹鋼的熔焊工藝，其特征是，所述步驟2)焊接前將工件的對接接頭處打磨成60°的V形坡口，鈍邊3mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以Fe-Cr-Ni合金為填充材料的鐵鋁基合金與不銹鋼的熔焊工藝，包括以下步驟1)將待焊鐵鋁基合金板材工件與不銹鋼板材工件表面經(jīng)過機械加工，去除待焊工件表面的氧化膜、油污和銹蝕；2)將鐵鋁基合金板材工件與不銹鋼板材工件裝配成對接接頭，在室溫不預熱條件下電弧焊，電弧焊采用填充材料鎳基焊條打底焊、超低碳Cr25Ni13Mo2不銹鋼焊條蓋面焊；所述步驟2)采用直流逆變電弧焊機施焊，適應范圍廣，能夠?qū)崿F(xiàn)在室溫條件下獲得無裂紋、結(jié)合強度較高的鐵鋁基合金與不銹鋼的焊條電弧焊，采用這種方法獲得的焊接接頭的抗拉強度達到720MPa，能夠滿足鐵鋁基合金與不銹鋼熔焊接頭在耐磨、耐腐蝕場合中的使用要求。
文檔編號B23K35/30GK103231160SQ20131011778
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月7日
發(fā)明者李亞江, 王娟, 張永蘭 申請人:山東大學