一種高氮鋼的焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高氮鋼的焊接方法，屬于金屬焊接領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]高氮不銹鋼是指氮含量超過(guò)其在1600°C及在大氣中平衡溶解度的一類不銹鋼，通常把氮含量超過(guò)0.08wt%的鐵素體/馬氏體不銹鋼或氮含量超過(guò)0.4wt%的奧氏體不銹鋼稱為高氮不銹鋼，它是目前正在蓬勃發(fā)展的一類新型工程材料。根據(jù)基體組織類型差異，高氮不銹鋼可分為高氮奧氏體不銹鋼，高氮鐵素體/馬氏體不銹鋼以及高氮(奧氏體+鐵素體)雙相不銹鋼三大類。
[0003]高氮奧氏體不銹鋼主要是利用氮元素來(lái)部分甚至完全代替合金元素鎳以獲得奧氏體組織，利用氮進(jìn)行合金化具有很多優(yōu)點(diǎn):(1)與碳相比，氮為更加有效的固溶強(qiáng)化元素，同時(shí)可以促進(jìn)晶粒細(xì)化；(2)氮是強(qiáng)烈的奧氏體形成化元素，可以減少合金中的鎳含量，降低鐵素體和形變馬氏體形成能力；(3)盡管氮對(duì)材料在酸中抗總體腐蝕性能沒(méi)有明顯改善，但可以極大地提高材料抗點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕能力。因此，高氮鋼具有良好的強(qiáng)韌性和耐蝕性。
[0004]高氮奧氏體不銹鋼的焊接技術(shù)目前主要有焊條電弧焊、TIG焊(鎢極惰性氣體保護(hù)焊)、氣焊、電阻焊、激光焊以及埋弧自動(dòng)焊等，然而這些熔焊方法在焊接時(shí)極易出現(xiàn)氮的逸出現(xiàn)象，這使得高氮奧氏體不銹鋼的焊接成為該鋼種能夠大量普及所必須逾越的一道門檻，在焊接過(guò)程中如何避免和控制氮的吸收和逸出行為，己成為高氮鋼研究領(lǐng)域中的迫切需要解決的重要課題。
[0005]這些焊接方法在焊接時(shí)會(huì)出現(xiàn)如下問(wèn)題:
[0006](1)焊縫區(qū)氮的損失即氮?dú)饪椎男纬珊偷囊莩觯档土撕缚p中的固溶氮含量，造成接頭性能的下降；
[0007](2)焊縫區(qū)和焊接熱影響區(qū)氮化物、碳化物以及碳氮化物的析出，力學(xué)性能和抗腐蝕性能都會(huì)隨之下降；
[0008](3)焊縫凝固裂紋及熱影響區(qū)液化裂紋的形成。
[0009](4)奧氏體不銹鋼熱導(dǎo)率小、線脹系數(shù)大，焊后容易產(chǎn)生較大變形。當(dāng)高氮鋼焊接接頭出現(xiàn)上述問(wèn)題時(shí)，接頭力學(xué)性能、耐蝕性能都會(huì)隨之下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是提供一種高氮鋼的焊接方法。
[0011]瞬時(shí)過(guò)冷液相擴(kuò)散連接的焊接連接的原理是具有將寬過(guò)冷液相區(qū)非晶中間層合金放置于裝配好的工件間，并施加一定的壓力，然后在真空或惰性氣體的保護(hù)下加熱到連接溫度(連接溫度在中間層的過(guò)冷液相區(qū)溫度范圍)。在連接溫度下達(dá)到非晶合金的過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)，非晶合金在過(guò)冷液相區(qū)中表現(xiàn)出超塑性，利用非晶合金的超塑性特點(diǎn)可以迅速浸潤(rùn)母材擴(kuò)大待焊表面的物理接觸，然后升高溫度至擴(kuò)散溫度，在高溫下加強(qiáng)原子之間的相互擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)接頭焊接，最后獲得與母材性能優(yōu)良的焊接接頭。
[0012]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是:一種高氮鋼的焊接方法，包括如下步驟:
[0013]1)選取塊體非晶合金材料作為中間層；
[0014]2)清理高氮鋼的連接表面，得到潔凈平整的連接表面；
[0015]3)依次將高氮鋼、中間層、高氮鋼順序疊放，置于真空熱壓爐中進(jìn)行焊接；
[0016]4)將真空熱壓爐抽真空，并施加壓力，將溫度逐漸升高至連接溫度?\，并保溫一段時(shí)間，其中，連接溫度?\在中間層的過(guò)冷液相區(qū)溫度范圍Tg?Tx之間；
[0017]5)升高溫度至擴(kuò)散溫度Τ2，并保溫一段時(shí)間，其中，擴(kuò)散溫度1~2為800?1000°C。
[0018]步驟⑴中，所述的塊體非晶合金材料的成分為FeJuS^NbiFeMNi^。中任意一種，中間層厚度為5?500 μπι，中間層的形態(tài)采用箔片或粉末狀。
[0019]步驟⑵中，所述的高氮鋼為Crl8Mnl8N高氮奧氏體不銹鋼。
[0020]步驟(2)中，通過(guò)依次使用#200、#400、#600砂紙對(duì)連接表面進(jìn)行打磨清理；
[0021]步驟⑷中，真空度不低于1X10 2Pa，施加壓力大小為2?lOMPa，保溫時(shí)間為10 ?30mino
[0022]步驟(5)中，保溫時(shí)間為1?2h。
[0023]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)有:
[0024]1)瞬時(shí)過(guò)冷液相擴(kuò)散焊的連接溫度在非晶中間層的過(guò)冷液相區(qū)溫度范圍內(nèi)，其溫度遠(yuǎn)低于非晶中間層的熔點(diǎn)，可以在較低的焊接溫度下焊接，使得焊接中氮元素?zé)o損失；
[0025]2)非晶中間層在過(guò)冷液相區(qū)常常表現(xiàn)為超塑性，利用這一特性可以在焊接過(guò)程中迅速地浸潤(rùn)母材，降低了對(duì)待焊工件材料表面粗糙度要求；
[0026]3)在焊接過(guò)程中所需的壓力較小；
[0027]4)得到的焊接接頭成形好，性能強(qiáng)度較高，接近母材；
[0028]5)瞬時(shí)過(guò)冷液相擴(kuò)散連接在焊接高氮鋼時(shí)由于溫度較低，可以有效的防止接頭處產(chǎn)生氮化物、碳化物以及碳氮化物以降低其性能；
[0029]6)高氮鋼在高溫下會(huì)產(chǎn)生高溫蠕變，相變等，其組織和性能都會(huì)變化，降低了焊接接頭的性能，瞬時(shí)過(guò)冷液相擴(kuò)散連接可以避免產(chǎn)生這些變化。
【具體實(shí)施方式】
[0030]根據(jù)本發(fā)明所提供的瞬時(shí)過(guò)冷液相擴(kuò)散連接方法，利用真空熱壓爐對(duì)高氮鋼進(jìn)行焊接，并對(duì)焊接接頭的性能和組織進(jìn)行分析。
[0031]實(shí)施例1:
[0032]以尺寸為3_X50_X50_的高氣鋼作為母材，80 μ mX 50_X 50_的Fe75B15Si1(]NM^aB合金箔片作為中間層進(jìn)行瞬時(shí)過(guò)冷液相擴(kuò)散焊接過(guò)程。
[0033]具體步驟如下:
[0034]1)焊接前用砂紙清理高氮鋼的待焊表面，去除表面的氧化膜和油污，得到粗糙度較好的連接表面；
[0035]2)將母材與非晶合金按照順序依次疊放好，放入真空熱壓爐中進(jìn)行焊接。當(dāng)真空熱壓爐的真空度達(dá)到IX 10 2Pa時(shí)熱壓爐啟動(dòng)加熱，加熱過(guò)程中，保持焊接壓力為2Mpa，升溫速度控制在20°C /min，直到真空熱壓爐中溫度達(dá)到550°C時(shí)保溫5min進(jìn)行連接，然后升高溫度至800°C后保溫2h進(jìn)行擴(kuò)散；
[0036]3)等待真空熱壓爐冷卻后，即可打開(kāi)爐門，取出焊接工件；
[0037]4)對(duì)焊接接頭進(jìn)行剪切強(qiáng)度檢測(cè)。
[0038]最后得到的焊接接頭結(jié)合緊密，成形良好，其接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到636MPa。
[0039]實(shí)施例2:
[0040]以2個(gè)直徑為20mm、長(zhǎng)度為10mm的柱狀高氮鋼材料作為母材，F(xiàn)e75B15Si1QNM^aB合金粉末作為中間層進(jìn)行瞬時(shí)過(guò)冷液相擴(kuò)散焊接過(guò)程。
[0041]具體步驟如下:
[0042]1)將柱狀高氮鋼母材的上下平面用砂紙清理，去除表面的氧化膜和油污；
[0043]2)將Fe75B15Si1QNM^aB合金粉末涂在待焊表面上，并使得中間層厚度在100 μ m，然后放入真空熱壓爐中。當(dāng)真空熱壓爐的真空度達(dá)到1X10 2Pa時(shí)熱壓爐啟動(dòng)加熱，加熱過(guò)程中，保持焊接壓力為2Mpa，升溫速度控制在20°C /min，直到熱壓爐中溫度達(dá)到550°C時(shí)保溫5min進(jìn)行連接，然后升高溫度至850°C后保溫2h進(jìn)行擴(kuò)散；
[0044]3)等待真空熱壓爐冷卻后，即可打開(kāi)爐門，取出焊接工件；
[0045]4)對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸強(qiáng)度檢測(cè)。
[0046]最后得到的焊接接頭結(jié)合緊密，成形良好，其接頭拉伸強(qiáng)度達(dá)到780Ma。
[0047]實(shí)施例3:
[0048]以尺寸為 3mmX 50mmX 50mm 的高氣鋼作為母材，80 μ mX 50mmX 50mm 的 Fe5QNi30B2。非晶合金箔片作為中間層進(jìn)行瞬時(shí)過(guò)冷液相擴(kuò)散焊接過(guò)程。
[0049]具體步驟如下:
[0050]1)焊接前用砂紙清理高氮鋼的待焊表面，去除表面的氧化膜和油污，得到粗糙度較好的連接表面；
[0051]2)將母材與非晶合金按照順序依次疊放好，放入真空熱壓爐中進(jìn)行焊接。當(dāng)真空熱壓爐的真空度達(dá)到IX 10 2Pa時(shí)熱壓爐啟動(dòng)加熱，加熱過(guò)程中，保持焊接壓力為2Mpa，升溫速度控制在20°C /min，直到熱壓爐中溫度達(dá)到650°C時(shí)保溫5min進(jìn)行連接，然后升高溫度至850°C后保溫2h進(jìn)行擴(kuò)散；
[0052]3)等待真空熱壓爐冷卻后，即可打開(kāi)爐門，取出焊接工件；
[0053]4)對(duì)焊接接頭進(jìn)行剪切強(qiáng)度檢測(cè)。
[0054]最后得到的焊接接頭結(jié)合緊密，成形良好，其接頭剪切強(qiáng)度達(dá)到590MPa。
[0055]實(shí)施例4:
[0056]以2個(gè)直徑為20mm、長(zhǎng)度為10mm的柱狀高氮鋼材料作為母材，F(xiàn)eMNi3(]B2。非晶合金粉末作為中間層進(jìn)行瞬時(shí)過(guò)冷液相擴(kuò)散焊接過(guò)程。
[0057]具體步驟如下:
[0058]1)將柱狀高氮鋼母材的上下平面用砂紙清理，去除表面的氧化膜和油污；
[0059]2)將Fe5QNi3QB2。非晶合金粉末涂在待焊表面上，并使得中間層厚度在100 μ m，
[0060]然后放入真空熱壓爐中。當(dāng)真空熱壓爐的真空度達(dá)到IX 10 2Pa時(shí)熱壓爐啟動(dòng)加熱，加熱過(guò)程中，保持焊接壓力為2Mpa，升溫速度控制在20°C /min，直到熱壓爐中溫度達(dá)到650°C時(shí)保溫5min進(jìn)行連接，然后升高溫度至850°C后保溫2h進(jìn)行擴(kuò)散；
[0061]3)等待真空熱壓爐冷卻后，即可打開(kāi)爐門，取出焊接工件；
[0062]4)對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸強(qiáng)度檢測(cè)。
[0063]最后得到的焊接接頭結(jié)合緊密，成形良好，其接頭拉伸強(qiáng)度達(dá)到550Ma。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高氮鋼的焊接方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)選取塊體非晶合金材料作為中間層； 2)清理高氮鋼的連接表面，得到潔凈平整的連接表面； 3)依次將高氮鋼、中間層、高氮鋼順序疊放，置于真空熱壓爐中進(jìn)行焊接； 4)將真空熱壓爐抽真空，并施加壓力，將溫度逐漸升高至連接溫度?\，并保溫一段時(shí)間，其中，連接溫度?\在中間層的過(guò)冷液相區(qū)溫度范圍Tg?Tx之間； 5)升高溫度至擴(kuò)散溫度Τ2，并保溫一段時(shí)間，其中，擴(kuò)散溫度1~2為800?1000°C。2.如權(quán)利要求1所述的高氮鋼的焊接方法，其特征在于，塊體非晶合金材料的成分為Fe^BBSiujNVFeajNi；^。中任意一種。3.如權(quán)利要求1所述的高氮鋼的焊接方法，其特征在于，中間層厚度為5?500μ m，中間層的形態(tài)采用箔片或粉末狀。4.如權(quán)利要求1所述的高氮鋼的焊接方法，其特征在于，高氮鋼為Crl8Mnl8N高氮奧氏體不銹鋼。5.如權(quán)利要求1所述的高氮鋼的焊接方法，其特征在于，步驟(2)中，通過(guò)依次使用#200、#400、#600砂紙對(duì)連接表面進(jìn)行打磨清理。6.如權(quán)利要求1所述的高氮鋼的焊接方法，其特征在于，步驟(4)中，真空度不低于1X10 2Pa，施加壓力大小為2?lOMPa，保溫時(shí)間為10?30min。7.如權(quán)利要求1所述的高氮鋼的焊接方法，其特征在于，步驟(5)中，保溫時(shí)間為1?2h。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高氮鋼的焊接方法，該方法是在焊接時(shí)使用塊體非晶合金材料作為中間層，利用非晶材料在過(guò)冷液相區(qū)的超塑性實(shí)現(xiàn)連接，再通過(guò)提高溫度使非晶層擴(kuò)散至母材中從而實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的焊接，特別適用于板材之間的焊接。通過(guò)本發(fā)明所述焊接方法可獲得強(qiáng)度高成型好的焊接接頭，當(dāng)以Fe75B15Si10Nb1非晶合金粉末作為中間層時(shí)，其最高拉伸強(qiáng)度達(dá)到了780MPa。
【IPC分類】B23K20/16, B23K20/227, B23K20/14, B23K103/04, B23K20/24
【公開(kāi)號(hào)】CN105345252
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510885543
【發(fā)明人】孔見(jiàn), 梁玉龍, 王克鴻, 周琦, 彭勇
【申請(qǐng)人】南京理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年2月24日
【申請(qǐng)日】2015年12月4日