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CN104400207B - 一种铁素体/奥氏体异种钢的搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents

一种铁素体/奥氏体异种钢的搅拌摩擦焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铁素体/奥氏体异种钢板的搅拌摩擦焊接方法，属于金属材料焊接技术领域。所述方法包括：将铁素体钢板和奥氏体钢板以对接的方式采用固定装置固定好，通过夹具固定在搅拌摩擦焊设备上，设置搅拌摩擦焊设备的搅拌头距对接面的距离即偏移量和轴肩下压量，调节搅拌头的倾角、旋转速度和行进速度后进行焊接。该方法在焊接过程中热输入少，不会产生熔焊中存在的过热区，也不存在夹杂、冷、热裂纹等熔焊中常见的缺陷，可以获得性能更加优良的焊接接头，解决了异种钢板焊接的工艺难题。

Description

一种铁素体/奥氏体异种钢的搅拌摩擦焊接方法
技术领域
本发明涉及金属材料焊接技术领域，特别是指一种铁素体/奥氏体异种钢的搅拌摩擦焊接方法。
背景技术
铁素体/奥氏体异种钢的焊接涉及核反应堆、火力发电等多个行业领域，在国民经济中占有重要地位。但是，对于目前的焊接技术来说，异种钢的焊接问题仍是一个难点。这是由于异种金属的化学成分、热物理性能不匹配和化学性能等方面都存在很大的差异，使用传统焊接方法(如熔焊)的焊接过程中，可能会发生焊缝区热裂纹、热影响区冷裂纹、碳迁移、微观组织不均匀、易产生粗晶区等问题，造成焊接接头的力学性能较差，引起失效等问题(I.Hajiannia,M.Shamanian,M.Kasiri.MaterialsandDesign,2013,50:566-573)。另外，铁素体/奥氏体异种钢在未来清洁能源-核聚变堆中的使用，占有很关键的位置，其焊接接头抗高温高压的性能，直接影响了核聚变堆的成败和能否实现商业化。因此，对异种钢焊接技术的改进迫在眉睫。
搅拌摩擦焊接是一种新型的固相连接技术，它具有焊接接头强度高、热输入少、应力小、不易产生有害相等优点。目前，搅拌摩擦焊接主要应用于铝合金等低熔点材料的焊接(R.Nandan,T.DebRoy,H.K.D.H.Bhadeshia.ProgressinMaterialScience,2008,53:980-1023)，但很少用于钢等高熔点材料的焊接。这是由于钢的熔点一般在1500℃，硬度也非常大，容易导致搅拌针断裂而使焊接失败。对异种钢的焊接难度更大。因为二者的熔点、热膨胀系数、热导率等均不相同，很容易在焊缝处产生应力集中而造成失效断裂。另外异种钢的化学成分也不同，很有可能在焊接过程中形成脆性合金，这也是影响焊接接头性能的一大隐患。另外，由于两种材料的热塑性不同，搅拌头的形状、放置位置、偏移量等均需要考虑。因此，研究出一套优化的工艺参数对获得良好的成型焊缝和高性能的焊接接头具有重要的意义。本发明提供一种适用于铁素体/马氏体钢的搅拌摩擦焊接方法，优化了可以获得质量良好焊缝的参数条件，有效的解决了采用熔焊方法焊接异种钢时，容易引起的冷、热裂纹、夹渣等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种铁素体/奥氏体异种钢的搅拌摩擦焊接方法。
该方法选择平端面锥形搅拌针，采用一定的搅拌头倾角、偏移量和轴肩压下量，控制焊接速度和搅拌头旋转速度，对铁素体钢板和奥氏体钢板进行焊接，即可获得质量良好的焊接接头。
该方法具体为：采用固定装置将奥氏体钢和铁素体钢整齐对接，采用平端面锥形搅拌针，奥氏体钢作为前进侧，铁素体钢作为后退侧，搅拌头位于奥氏体钢一侧，偏移量为搅拌针端部直径的0～0.4倍，搅拌头倾角取1.5～3°，沿着焊缝方向进行焊接；从轴肩接触到待焊母材开始计算下压量，下压量范围为0.1～0.3mm；搅拌头的行进速度为50～300mm/min，旋转速度为500～1000rpm；焊接结束后，待钢板冷却至室温再松开固定装置，以防止焊接后变形。
其中，铁素体钢板和奥氏体钢板的厚度均大于1.5mm且小于4mm，两块钢板的厚度差不能超过0.3mm；搅拌头由轴肩和搅拌针组成；轴肩直径大于10mm且小于20mm；搅拌针端部直径大于2mm且小于5mm；搅拌针根部直径大于6mm且小于9mm；搅拌针长度为铁素体钢板厚度和奥氏体钢板厚度中较小者的厚度值减去0.1～0.3mm。
铁素体/奥氏体异种钢焊接前不需要对待焊钢板进行预热处理，焊接过程中，不需要加热处理。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)焊接接头性能好，强度要高于母材的强度；
(2)焊接过程中热输入少，受热影响较小，不会产生熔焊中存在的过热区，也不存在夹杂、冷、热裂纹等熔焊中常见的缺陷；
(3)可焊接范围广，对于不同厚度的材料亦能保证形成质量良好的焊缝；
(4)解决了熔焊中异种钢焊接时的物理性能不匹配和碳迁移问题，焊缝区形成一定比例的两种材料的混合组织；
(5)焊后应力较熔焊小，受应力作用而引起接头早期断裂的可能性小；
(6)操作简单、自动化高、污染少、工作环境好。
附图说明
图1为本发明的一种铁素体/奥氏体异种钢的搅拌摩擦焊接方法焊接过程示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对传统熔焊方法中存在的各种缺陷，提供一种铁素体/奥氏体异种钢的搅拌摩擦焊接方法。
实施例1
采用图1所示的步骤进行铁素体/奥氏体异种钢的搅拌摩擦焊接，焊接前不需要对待焊钢板进行预热处理，焊接过程中，不需要加热处理；选用的铁素体钢板厚度为1.5mm，奥氏体钢板厚度为1.6mm；轴肩直径为10mm，搅拌针端部直径为2mm，根部直径为6mm，长度为1.3mm；采用平端面锥形搅拌针，奥氏体钢作为前进侧，铁素体钢作为后退侧，搅拌头位于奥氏体钢一侧，搅拌头中心距对接面的距离即偏移量取0mm，搅拌头倾角取2.5°，沿着焊缝方向进行焊接；下压量为0.1mm；搅拌头的行进速度为200mm/min，旋转速度为800rpm；焊接结束后，待钢板冷却后再松开固定装置，以防止焊接后变形。
从焊接后的焊缝形貌可以看到采用搅拌摩擦焊后可以获得光滑、平整的焊缝。
将焊接后的铁素体钢/奥氏体钢焊件在室温进行拉伸，从拉伸断裂后的试样可看出断裂发生在奥氏体钢一侧，焊缝并未裂开。
将焊接后的铁素体钢/奥氏体钢焊件在550℃高温下进行拉伸，从拉伸断裂后的试样可看出断裂发生在奥氏体钢一侧，焊缝并未裂开。
实施例2
采用图1所示的步骤进行铁素体/奥氏体异种钢的搅拌摩擦焊接，焊接前不需要对待焊钢板进行预热处理，焊接过程中，不需要加热处理；选用的铁素体钢板厚度为2mm，奥氏体钢板厚度为2.2mm；轴肩直径为12mm，搅拌针端部直径为4mm，根部直径为8mm，长度为1.8mm；采用平端面锥形搅拌针，奥氏体钢作为前进侧，铁素体钢作为后退侧，搅拌头位于奥氏体钢一侧，搅拌头中心距对接面的距离即偏移量取0.2mm，搅拌头倾角取1.5°，沿着焊缝方向进行焊接；下压量为0.2mm；搅拌头的行进速度为50mm/min，旋转速度为500rpm；焊接结束后，待钢板冷却后再松开固定装置，以防止焊接后变形。
实施例3
采用图1所示的步骤进行铁素体/奥氏体异种钢的搅拌摩擦焊接，焊接前不需要对待焊钢板进行预热处理，焊接过程中，不需要加热处理；选用的铁素体钢板厚度为3.8mm，奥氏体钢板厚度为3.9mm；轴肩直径为18mm，搅拌针端部直径为5mm，根部直径为9mm，长度为3.6mm；采用平端面锥形搅拌针，奥氏体钢作为前进侧，铁素体钢作为后退侧，搅拌头位于奥氏体钢一侧，搅拌头中心距对接面的距离即偏移量取0.3mm，搅拌头倾角取3°，沿着焊缝方向进行焊接；下压量为0.3mm；搅拌头的行进速度为300mm/min，旋转速度为1000rpm；焊接结束后，待钢板冷却后再松开固定装置，以防止焊接后变形。
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，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 (1)

1.一种铁素体/奥氏体异种钢的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，包括：
将铁素体钢板和奥氏体钢板以对接的方式采用固定装置固定好，再通过夹具固定在搅拌摩擦焊设备上，铁素体钢板和奥氏体钢板间不留缝隙；
设置搅拌摩擦焊设备的搅拌头中心距对接面的距离为偏移量；
设置搅拌头的下压距离为下压量；
沿焊缝方向进行焊接；
其中，铁素体钢板厚度大于1.5mm且小于4mm，奥氏体钢板厚度大于等于1.6mm且小于3mm，或奥氏体钢板厚度大于3mm且小于等于3.9mm，但两块钢板的厚度差不能超过0.3mm；
所述搅拌头由轴肩和搅拌针组成；搅拌针为平端面锥形；
所述下压量的计算值从轴肩接触到待焊母材开始；下压量大于等于0.1mm且小于0.3mm；
所述轴肩直径大于10mm且小于20mm；搅拌针端部直径大于2mm且小于5mm；搅拌针根部直径大于6mm且小于9mm；搅拌针长度为铁素体钢板厚度和奥氏体钢板厚度中较小者的厚度值减去0.1～0.3mm；
搅拌摩擦焊时，搅拌头的倾角为2.5～3°；
焊接时搅拌头旋入待焊母材的偏移方向为奥氏体钢一侧，偏移量为搅拌针端部直径的0～0.4倍；
焊接时奥氏体钢为前进侧，铁素体钢为后退侧；
搅拌头的行进速度为200～300mm/min，旋转速度为800～1000rpm。
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