超级镍/NiCr叠层复合材料的填丝钨极氩弧焊工艺

摘要

本发明公开了一种超级镍/NiCr叠层复合材料与不锈钢异种材料的填丝钨极氩弧焊工艺，步骤是焊前将超级镍(Super－Ni)/NiCr叠层复合材料待焊接头处的Super－Ni复层加工掉，露出基层，如附图所示，并用砂纸将基层及不锈钢接头处打磨至出现金属光泽；以表面光洁的Cr25－Ni13合金系焊丝作为填充金属，采用手工填丝的钨极氩弧焊在水平位置进行焊接，钨极氩弧焊工艺参数为：焊接电压10～13V，焊接电流80～110A，氩气流量8～15L/min，压低氩弧短弧施焊。本发明的方法适用于耐热抗腐蚀、耐高温条件下Super－Ni/NiCr叠层复合材料的焊接，特别是叠层复合材料与不锈钢等异种材料的焊接；获得焊接接头焊缝成形美观、无裂纹和气孔、界面熔合良好，接头强度接近于母材、伸长率大于30％。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超级镍(Super-Ni)/NiCr叠层复合材料的焊接工艺，尤其涉及一种Super-Ni/NiCr叠层复合材料之间或其与不锈钢异种材料的填丝钨极氩弧焊工艺，属于焊接技术领域。

背景技术

本发明所述的Super-Ni/NiCr叠层复合材料为一种由超级镍(Super-Ni)复层和NiCr合金基层通过真空等静压轧制和超塑性成形的方法制成的叠合板，是一种新型的高温结构材料。这种叠层复合材料利用纯镍作韧化复层，具有比单一材料更好的耐高温和抗疲劳性能。将这种Super-Ni/NiCr叠层复合材料与其他材料连接形成复合结构能减轻构件的质量、发挥各自的性能，用于先进的动力设备部件具有独特的优势。

Super-Ni/NiCr叠层复合材料具有良好的高温力学性能以及抗氧化、耐腐蚀性，可以广泛应用于航空航天、核工程、能源动力、交通运输、石油化工、冶金等领域。但是，实现所述高温叠层复合材料的焊接及保证接头性能稳定性难度很大，致使其应用受到限制。作为一种极具发展潜力的新型高温结构材料，焊接性问题是制约叠层复合材料整体加工和应用的主要障碍之一。

由于Super-Ni/NiCr叠层复合材料焊接时易形成Ni的低熔点物质，焊缝凝固时形成单相奥氏体柱状晶而促使杂质偏析，存在热裂纹敏感性；焊缝金属凝固时的组织偏析以及脆性相的析出，致使焊缝的塑性和韧性降低；而且叠层复合材料焊接时复层金属受热熔化易于剥离基层，与基体的熔合性差，阻碍了Super-Ni/NiCr叠层复合材料的推广应用。

在某些特定场合，高温部件仅有一部分结构经受特定的负荷、温度和介质的作用，将Super-Ni/NiCr叠层复合材料与其他材料连接形成复合结构不但能减轻构件的重量，而且能发挥各自的性能优势。因此，叠层复合材料与不锈钢等其他材料的焊接也是制备复合材料结构件的关键技术。目前，国内外文献中尚未见有关Super-Ni/NiCr叠层复合材料焊接研究的报道。

发明内容

针对现有叠层复合材料焊接技术的不足，本发明提供了一种简便易行、焊接效率高且适应性强的超级镍(Super-Ni)/NiCr叠层复合材料之间或其与不锈钢异种材料的填丝钨极氩弧焊工艺。

本发明所述超级镍(Super-Ni)/NiCr叠层复合材料的填丝钨极氩弧焊工艺，步骤如下：

(1)焊前将超级镍(Super-Ni)/NiCr叠层复合材料待焊接头处的纯镍(Super-Ni)复层加工掉，要求被加工处平整，露出基层，如图1所示，并用砂纸将基层打磨至出现金属光泽；

(2)采用直径为2.0～2.5mm的Cr-Ni合金焊丝作为填充金属，焊前用酸溶液对其进行酸洗处理，待焊丝表面露出金属光泽后用清水冲洗至中性，烘干，备用(烘干后最好立即施焊)；或者焊前用砂纸将焊丝表面打磨至露出金属光泽，备用；焊接量小时，填充焊丝选用砂纸打磨至露出金属光泽即可，不必进行酸洗处理；

(3)待焊对接件接头表面处理：若待焊对接件为超级镍(Super-Ni)/NiCr叠层复合材料，处理方法同步骤(1)；若对接件为叠层复合材料与不锈钢异种材料连接，接头处加工如图2所示，即叠层复合材料接头处处理方法同步骤(1)，不锈钢异种材料用砂纸将接头处表面打磨至露出金属光泽；

(4)将步骤(1)所述表面处理好的超级镍(Super-Ni)/NiCr叠层复合材料接头与步骤(3)处理后的待焊对接件接头水平对接装配放置，并使装配间隙不大于0.5mm；

(5)采用手工填丝的钨极氩弧焊在水平位置进行焊接，钨极氩弧焊工艺参数为：焊接电压10～13V，焊接电流80～110A，氩气流量8～15L/min，压低氩弧短弧施焊，均匀地断续添加填充的Cr-Ni合金焊丝。

上述超级镍/NiCr叠层复合材料的填丝钨极氩弧焊工艺中：

所述超级镍/NiCr叠层复合材料是通过真空静压轧制和超塑性成形方法制成的纯镍复层厚度为0.2～0.4mm，NiCr基层厚度为1.6～2.4mm的叠层复合板。

所述Cr-Ni合金焊丝为Cr25-Ni13合金系焊丝，其成分以质量分数％计为：C≤0.15，Cr 22.0～25.0，Ni 12.0～14.0，Mn 0.5～2.5，Mo≤0.75，W≤1.0，Cu≤0.75，Si≤0.90，余为Fe。

所述酸溶液是5％HF的水溶液与35％HNO₃的水溶液的混合液。

所述填丝钨极氩弧焊工艺采用氩气进行保护，氩气纯度大于99.9％。

所述填丝钨极氩弧焊工艺采用钨-钍电极，钨的质量分数为99.9％，钨极直径2mm，端部打磨成尖锥形。

上述超级镍/NiCr叠层复合材料的填丝钨极氩弧焊工艺中：在采用钨极氩弧焊施焊时，若对接件是超级镍(Super-Ni)/NiCr叠层复合材料之间的焊接，氩弧居中可以防止纯镍复层的烧损，促使叠层复合材料的纯镍复层与NiCr基层同时成形；若对接件是超级镍(Super-Ni)/NiCr叠层复合材料与不锈钢之间焊接，氩弧指向应稍偏向不锈钢一侧，以减小叠层复合材料侧的热输入，避免纯镍复层与NiCr基层熔合不良的情况发生，并应均匀地断续添加Cr-Ni合金系填充焊丝。

本发明采用添加含合金化元素Mo、Mn、W的Cr25-Ni13合金系焊丝实现Super-Ni/NiCr叠层复合材料的填丝钨极氩弧焊。高Ni、Cr合金焊丝与Super-Ni/NiCr叠层复合材料有较好的互溶性，加上合金化元素Mo、Mn与Ni、Cr基体反应，对基体产生固溶强化作用，提高焊缝金属的结合强度，确保Super-Ni/NiCr叠层复合材料形成综合性能良好的焊接接头。

同样地，本发明提出的添加Cr25-Ni13合金系焊丝的填丝钨极氩弧焊工艺可以确保Super-Ni/NiCr叠层复合材料与不锈钢之间充分熔合，形成接头性能可靠的焊接接头，填充合金焊丝中的合金化元素起到固溶强化作用，提高了叠层复合材料氩弧焊接头的强度性能。

采用本发明的方法可获得无裂纹、无气孔和界面熔合良好的焊接接头，接头强度接近于母材、伸长率大于30％。本发明的方法适用于耐热抗腐蚀、耐高温条件下Super-Ni/NiCr叠层复合材料的焊接，特别是叠层复合材料与不锈钢等异种材料的焊接。

采用本发明提出的填充Cr25-Ni13合金系焊丝的Super-Ni/NiCr叠层复合材料的钨极氩弧焊工艺，可得到焊缝成形美观、接头力学性能和耐热性能好的焊接接头。并且，本发明具有操作方便、工艺性好和便于现场作业等优点，适用于Super-Ni/NiCr叠层复合材料之间的焊接，也可用于叠层复合材料与不锈钢等异种材料的焊接。

附图说明

图1Super-Ni/NiCr叠层复合材料之间焊接的对接接头形式。

其中：1是复层；2是基层。

图2Super-Ni/NiCr叠层复合材料与不锈钢间焊接的对接接头形式。

其中：1是复层；2是基层；3是不锈钢。

具体实施方式

实施例1：

试板尺寸为100mm×100mm×2.5mm的Super-Ni/NiCr叠层复合材料的对接填丝钨极氩弧焊。取两块相同尺寸规格的叠层复合材料，对接焊，接头处不开坡口。

施焊前先将Super-Ni/NiCr叠层复合材料待焊接头处的纯镍复层机械加工掉，加工成如图1所示的接头形式。要求被加工接头处平整，露出基层，并用砂纸将基层打磨至出现金属光泽。采用直径为2.0mm的Cr25-Ni13合金系焊丝作为填充金属，焊前用砂纸将焊丝表面打磨光洁。将两块加工好的Super-Ni/NiCr叠层复合材料试板水平对接点固装配，装配间隙小于0.5mm。采用手工填丝的钨极氩弧焊进行焊接，钨极氩弧焊工艺参数为：焊接电压11～12V，焊接电流80～90A，氩气流量8～10L/min，压低氩弧进行焊接，均匀地断续添加填充焊丝。钨极氩弧焊采用直径2mm的钨-钍电极，钨的质量分数为99.9％，端部为尖锥形。

焊接中的保护气体为纯度大于99.9％的氩气。施焊时，氩弧居中，以防止纯镍复层烧损，使叠层复合材料的纯镍复层、NiCr基层与Cr-Ni填充合金熔合良好。

所得到的Super-Ni/NiCr叠层复合材料对接焊缝熔合良好、组织均匀，没有发现微裂纹、气孔等缺陷，焊接接头的力学性能满足使用要求。

实施例2：

Super-Ni/NiCr叠层复合材料与1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢对接的填丝钨极氩弧焊。Super-Ni/NiCr叠层复合材料试板尺寸为80mm×80mm×2.5mm，1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢试板尺寸80mm×80mm×2.5mm。两板对接焊，接头处不开坡口。

施焊前先将Super-Ni/NiCr叠层复合材料待焊接头处的纯镍复层机械加工掉，加工成如图2所示的接头形式。要求被加工接头处平整，露出基层，并用砂纸将基层打磨至出现金属光泽。采用直径Φ2.5mm的Cr25-Ni13合金系焊丝作为填充金属，焊丝表面用砂纸打磨光洁。将加工好的Super-Ni/NiCr叠层复合材料与1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢水平对接点固装配，装配间隙小于0.5mm。采用手工填丝的钨极氩弧焊进行焊接，钨极氩弧焊工艺参数为：焊接电压11～12V，焊接电流90～100A，氩气流量9～12L/min，压低氩弧进行焊接，均匀地断续添加填充焊丝。钨极氩弧焊采用直径2mm的钨-钍电极，钨的质量分数为99.9％，端部为尖锥形。

焊接中的保护气体为纯度大于99.9％的氩气。施焊时，氩弧指向稍偏向1Cr18Ni9Ti不锈钢一侧，以防止纯镍复层过热和烧损，使叠层复合材料的纯镍复层、NiCr基层与不锈钢形成熔合良好的焊缝金属。

所得到的Super-Ni/NiCr叠层复合材料与1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢对接接头焊缝成形良好、组织均匀，焊缝填充金属与两侧的Super-Ni/NiCr叠层复合材料和1Cr18Ni9Ti不锈钢熔合良好，没有发现微裂纹、气孔等缺陷，焊接接头的力学性能满足使用要求。

实施例3：

Super-Ni/NiCr叠层复合材料与1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢对接的填丝钨极氩弧焊。

(1)施焊前将超级镍/NiCr叠层复合材料待焊接头处的纯镍复层机械加工掉，要求被加工处平整，露出基层，并用砂纸将基层打磨至出现金属光泽；

(2)采用直径为2.5mm的Cr-Ni合金焊丝作为填充金属，用砂纸将其表面打磨至露出金属光泽；

(3)待焊对接件不锈钢接头表面处理：焊前用酸溶液(5％HF的水溶液与35％HNO₃的水溶液的混合液)对其接头处进行酸洗处理，待焊丝表面露出金属光泽后用清水冲洗至中性，烘干，备用；或不锈钢异种材料用砂纸将接头处表面打磨至露出金属光泽，备用；

(4)将步骤(1)所述表面处理好的超级镍/NiCr叠层复合材料接头与步骤(3)处理后的待焊对接件接头水平对接点固装配，并使装配间隙不大于0.5mm；

(5)采用手工填丝的钨极氩弧焊在水平位置进行焊接，钨极氩弧焊工艺参数为：焊接电压12～13V，焊接电流100～110A，氩气流量12～15L/min，压低氩弧进行焊接。

其中：所述超级镍/NiCr叠层复合材料是通过真空静压轧制和超塑性成形方法制成的纯镍复层厚度为0.3mm，NiCr基层厚度为2.0mm的叠层复合板。

所述Cr-Ni合金焊丝为Cr25-Ni13合金系焊丝，其成分以质量分数％计为：C≤0.15，Cr 22.0～25.0，Ni 12.0～14.0，Mn 0.5～2.5，Mo≤0.75，W≤1.0，Cu≤0.75，Si≤0.90，余为Fe。

所述填丝钨极氩弧焊工艺采用氩气进行保护，氩气纯度大于99.9％。

所述填丝钨极氩弧焊工艺采用钨-钍电极，钨的质量分数为99.9％，钨极直径2mm，端部打磨成尖锥形。

钨极氩弧焊施焊时，应均匀地断续添加填充的Cr-Ni合金焊丝，氩弧指向应稍偏向不锈钢一侧，以减小叠层复合材料一侧的热输入，避免纯镍复层与基层熔合不良的情况发生。