镍基690合金U形通道堆焊层循环水冷装置及其应用

摘要

本发明为解决镍基690合金堆焊底层受其他堆焊层热循环影响而导致晶粒长大、韧性下降问题，提供一种镍基690合金U形通道堆焊层循环水冷装置，包括衬垫和平铺设于所述衬垫内部的U形通水管道，所述U形通水管道设有进水口及出水口，所述U形通水管道内通入冷却循环水。本发明将冷却水送至U形通水管道内进行水冷，加快铜衬垫的冷却，可以有效减少堆焊底层受其它堆焊层热循环的影响，提高了镍基690合金的耐腐蚀性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种焊接水冷装置，具体涉及一种镍基690合金U形通道堆焊层 循环水冷装置及其应用。

背景技术

堆焊技术是将堆焊金属熔敷在基板材料表面，以获得特定的表面组织，满足 所需的性能要求。堆焊技术在焊接生产中有着重要价值，堆焊可以用于制造高性能 复合零件，弥补材料性能单一的缺点。如在低碳钢表面堆焊一层镍基合金，可以大 大提高低碳钢的耐腐蚀性；在高合金钢表面堆焊一层耐磨材料可以提高高合金钢的 耐磨性能，增加使用寿命，降低生产成本。堆焊技术也可以用于修复受损的工件表 面，以恢复其使用性能。堆焊技术在汽车、船舶、机械制造、建筑材料、切削刀具、 齿轮等领域应用广泛。

由于堆焊技术是两种材料之间的焊接，所以在堆焊的结合处存在不同材料原 子的相互扩散反应，有可能造成合金元素的反应损耗，降低材料的使用性能，甚至 当合金元素过渡损耗后容易使得堆焊底部原子间连接不牢靠，使得堆焊层容易脱落， 引发安全事故。稀释率是指整个焊缝截面中母材熔入的金属面积与焊缝横截面积的 百分比。稀释率高则说明焊缝中母材熔入较多，母材中有较多的元素进入焊缝中与 堆焊层元素反应，也即堆焊层底部被母材稀释了，相当于降低了焊缝的性能。相反， 稀释率低则说明整个堆焊层元素稳定，没有过多的流失，使用性能有所保证。实际 焊接生产中往往是追求更低的稀释率来保证焊接质量。如果熔池高温停留时间过长， 基体材料与堆焊层元素有充足的时间相互扩散，这在一定程度上加大了堆焊的稀释 率，降低了堆焊层底部的耐腐蚀性。

并且堆焊技术是在上一层的基础上进行堆焊，上一层往往要经历不同的热循 环，尤其是与基板的第一层堆焊时，层间析出相更复杂，受热循环影响更大，过渡 处的晶粒经过热循环长大，接头韧性降低，往往使其成为堆焊接头最薄弱的位置。 尤其是对于核用镍基690合金在与基体的第一层堆焊中，晶粒的长大往往会使其耐 腐蚀性能下降，减少使用寿命。镍基690合金在高温停留时容易沿着晶界析出 M23C6组织，这种M23C6组织是不耐腐蚀的，当晶界处聚集过多的M23C6组织 时，容易使得堆焊层金属沿着晶界腐蚀，产生裂纹源，扩展最终造成断裂，引发安 全事故。

对于镍基690合金存在的上述堆焊问题，一般的解决方案是进行层间温度控 制，当堆焊完一层后，待其自然冷却到一定温度再进行堆焊下一层。这种方案可以 减少热循环对上一层的影响，但是由于是在空气中冷却，冷却速度较慢，晶粒仍然 在高温停留时间较长，存在长大的现象，并且降低了生产效率。有的解决方案是采 用水冷装置，但是如何更高效地提高堆焊层的冷却速度仍然有待解决。为了追求核 用镍基合金堆焊层更高的耐腐蚀性和提高实际生产效率，对于镍基690合金的堆焊 焊接迫切需要工艺方面的优化。

发明内容

本发明的目的就是为了解决镍基690合金堆焊底层受其他堆焊层热循环影响 而导致晶粒长大、韧性下降问题，而提供一种镍基690合金U形通道堆焊层循环 水冷装置及其应用，通过在基板材料的背面放置辅助的水冷装置加快堆焊底层的冷 却速度，减弱堆焊层晶粒的长大行为，改善镍基690合金堆焊层组织，提高连接层 耐腐蚀性能。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种镍基690合金U形通道堆焊层循环水冷装置，用于镍基690合金堆焊时 对堆焊底层冷却，包括衬垫和平铺设于所述衬垫内部的U形通水管道，所述U形 通水管道内通入冷却循环水。

本装置将冷却水送至U形通水管道内进行水冷，加快衬垫冷却，可以有效减 少堆焊底层受其它堆焊层热循环的影响，提高镍基690合金的耐腐蚀性能。而U 形通道用于流通循环冷却水，增加水和铜壁的接触面积，及时有效地将堆焊层底部 的焊接热量传递到水槽中的水里，确保焊接基板的快速降温，大大减少其他层焊接 热循环对底部堆焊层的影响，有效阻止底部晶粒长大，保证其耐腐蚀性能，并且提 高生产效率。

进一步地，所述冷却循环水为质量分数3-7％的盐水，优选为5-6％的盐水。

进一步地，所述衬垫是由导热性能好的材质制得的长方体状衬垫，长方体的长 度a和宽度b均大于高度h的3倍及以上。

进一步地，所述衬垫靠近上表面1/3h高度方向上设置U形通水管道。

进一步地，所述U形通水管道是由多个迂回曲折的U形管路组成，其水平布 置在所述衬垫内部。

进一步地，所述U形通水管道的直径d尺寸为：1/6h≦d≦1/3h，所述U形通 水管道之间的间距为2d。

进一步地，所述衬垫为铜衬垫。

进一步地，所述U形通水管道设有进水口及出水口，所述U形通水管道连接 循环水冷机构，所述循环水冷机构包括水泵、水箱和进、出水管，所述水泵安装在 水箱里，所述水泵与进水管连接，所述进水管连接所述U形通水管道的进水口， 所述出水管连接所述U形通水管道的出水口。

所述的镍基690合金U形通道堆焊层循环水冷装置用于镍基690合金堆焊时， 使焊接基板快速降温，减少其他层焊接热循环对底部堆焊层的影响。

具体包括以下步骤：

(1)清理衬垫表面；

(2)检查循环水冷装置，确保装置冷却水流通正常；

(3)进行焊接工装夹具固定，将基板材料放于衬垫上方；

(4)提前打开冷却水，调节冷却工艺参数，进行衬垫循环通水；

(5)进行堆焊焊接操作；

(6)待堆焊层冷却后关闭水泵，整理仪器设备。

本发明的具体原理如下：

根据热力学第二定律，等温等压下，过程自发进行方向是体系自由能降低方向。

自由能G可表示为：G＝H-TS(H为焓，T为热力学温度，S为熵)；

可得：dG＝Vdp-SdT；

等压下

一定温度下，ΔG＝ΔH-TΔS；

液相到固相转变的单位体积自由能ΔGv＝Gs-GL(Gs，GL为固相和液相单位体 积自由能)；

所以ΔGv＝(Hs-HL)-T(Ss-SL)；

恒压下，

要使ΔGv<0，必须使ΔT>0，ΔT也即为通常所说的过冷度。

对于形核过程，假定晶胚为球形，半径r，当冷却中出现晶胚时，自由能变化 为

由

可得

整理为

σ随温度变化较小，所以临界半径由过冷度决定，过冷度越大，临界半径越小。

在基板材料背面放置冷却水装置，也即相当于增加了堆焊层金属的过冷度σ， 从而晶胚尺寸R减小，有助于减小晶粒尺寸，并且在背面放置冷却水装置可以减 少堆焊层晶粒高温停留时间，可以防止生成的细小晶粒过分长大，形成有害组织， 也可以减少M23C6有害组织的析出，从而提高堆焊层的耐腐蚀性。

本发明的焊接热循环计算：

焊接热循环主要参数有加热速度ωH，加热的最高温度Tm，相变温度以上停 留时间tH，冷却速度ωC。

根据焊接传热学公式温度

式中，E为焊接线能量，λ为导热系数，r0

对于厚大件堆焊，当dT/dt＝0时可求出Tm。

代入有

代入方程(1)得

根据公式(1)有

根据公式(2)有

所以

设温度无因次参数

时间无因次参数

即

由相似原理可求高温停留时间

由公式(2)

代入有

令

整理为

对于本发明，理想化Tm和E恒定，即高温停留时间t

当堆焊层冷却速度增大，可视为时间无因次参数t

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

循环水冷装置简单，加工方便，通过衬垫中的U形通道用于流通循环冷却水， 通过增加水和衬垫壁的接触面积，可及时有效地将堆焊层底部的焊接热量传递到水 槽中的水里，确保焊接基板的快速降温，大大减少其他层焊接热循环对底部堆焊层 的影响，可以有效阻止底部晶粒长大，保证其耐腐蚀性能，并且提高生产效率。冷 却水为盐水，通过增加水的密度，加快冷却水的散热。

附图说明

图1是温度无因次参数T1与时间无因次参数t的示意图；

图2是本发明U形通道水冷装置的结构示意图；

图中：1-进水管通道，2-出水管通道，3-U形通道；

图3是本发明使用实例中慢拉伸应力应变图；

图4是本发明使用实例拉伸断口周向图；

图中：图4(a)为水冷1；图4(b)为常规；

图5是本发明使用实例堆焊层扫描电镜SEM图；

图中，图5(a)为水冷1；图5(b)为水冷2；图5(c)为常规。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图2所示，本发明的U形管铺排在铜衬垫高度的1/3处，铜衬垫的上表面放 置堆焊基板材料，将通水管道铺排在靠近上表面更有利于将焊接热量及时传导出去。 通过采用质量分数5％的盐水作为冷却液体，可以加快冷却水的散热，及时降低冷 却水温度。通过U形通道增加了冷却水路程，相当于增加了冷却水与铜衬垫的热 交换时间，可以更高效地将焊接热量传导出去，加快基板冷却，确保了堆焊底层的 快速降温，减少了其它堆焊层热循环对堆焊底层的影响，改善了堆焊底层的材料韧 性，可以有效提高镍基690合金的耐腐蚀性。

使用步骤：

(1)清理本发明铜衬垫表面，保持表面干净。

(2)检查本发明水管，确保水管畅通无破损。

(3)将水泵的出水管连接图1进水管装置1，出水管道装置2连接水管到水 箱中。

(4)将水箱充满冷却水，水泵放置于水箱中。

(5)进行焊接工装夹具固定，将基板材料放于冷却铜衬垫上方。

(6)提前打开冷却水泵，调节冷却工艺参数，进行衬垫循环通水。

(7)进行堆焊焊接操作。

(8)待堆焊层冷却后关闭水泵，整理仪器设备。

具体应用实例：

本实例中所用铜衬垫尺寸是40cm×30cm×6cm；所铺排U形通道直径为2cm， 两并排U形管中心距为4cm；所用水泵输出功率为5W，最大流量为8L/min；所 用冷却水为质量分数5％的盐水，温度为20℃；所用基板材料为304L低合金钢； 所用堆焊材料为ERNiCrFe-7A(52M)；所采用的的焊接参数为焊接电流260A、焊 接电压11V、焊接速度120mm/min、送丝速度1900mm/min；堆焊层厚度10mm。

图3为采用不同冷却条件下堆焊试样模拟腐蚀环境(1200ppm H3BO3、2.2ppmLiOH、350℃)下的慢拉伸应力应变图，图中水冷1为采用本发明U形冷却装置下 试样拉伸应力应变图，水冷2为采用直通普通水冷装置下试样拉伸应力应变图，常 规为仅空冷下试样拉伸应力应变图。通常根据拉伸应变的大小来评价镍基690合金 的耐腐蚀性，拉伸应变大，说明材料塑性好，更耐腐蚀。根据附图3知使用本发明 的U形水冷装置堆焊后的拉伸应变为37.5％，直通水冷装置下试样拉伸应变为 36.6％，而常规镍基690堆焊拉伸应变为32.5％。采用水冷装置的拉伸应变明显大 于常规仅空冷的，这直接说明采用水冷装置提高冷却速度有助于提高镍基合金的耐 腐蚀性，并且采用本发明U形水冷装置的拉伸应变值也比直通水冷装置的大，说 明本发明水冷装置可以进一步加快堆焊层的冷却速度，使堆焊层拉伸性能更突出。

图4是拉伸断口周向图，可以清晰看出使用本发明的U形水冷装置的断面收 缩比常规大，另一个方面说明使用本发明的U形水冷装置堆焊比常规堆焊塑性好， 耐腐蚀效果更好。这是因为拉伸棒样受力拉伸时，刚加载时缓慢变形，随着拉伸应 力的增大，拉伸棒颈缩更严重，当材料塑韧性较差时，发生断裂，而当棒状材料塑 韧性较好时，材料发生塑性变形，颈缩位置直径进一步减小，直到断裂产生，所以 形成了图中的两种断裂周向图。这说明使用本发明可以有效加快堆焊底层的热量传 递，减少多道堆焊对底层晶粒长大行为的影响，从而明显提高了堆焊层的耐腐蚀性， 延长了工件的使用寿命。

图5是电解腐蚀后堆焊层镍基690合金的扫描SEM图。图中水冷1为采用本 发明水冷装置下的堆焊层，水冷2为直通水冷下的，常规为仅空冷条件下的堆焊层。 5000倍下，比较堆焊层镍基合金晶界的腐蚀情况，可以发现，采用本发明U形通 道水冷装置后堆焊层金属晶界和M23C6析出物均呈半连续状分布，析出物细小。 采用直通水冷装置下的堆焊层M23C6析出物也呈半连续状分布，析出物较大。而 常规690合金堆焊层金属析出物呈连续状分布，M23C6大量沿着晶界析出。常规 堆焊层的腐蚀凹坑相比于使用本发明水冷装置制备的堆焊层金属多且尺寸更大，说 明其耐腐蚀性最差。采用本发明水冷的析出物数量较直通水冷的少，体积也较小， 说明采用本发明水冷装置可以减少堆焊层高温停留时间，减少M23C6组织的析出。 镍基690合金析出的碳化物类型一般包括MC型、M23C6型、M6C型。其中MC一般在铸造凝固中出现，为面心立方结构，主要由TiC、TaC、HfC、NbC等组成。 M23C6型碳化物是在760～980℃温度范围内的热处理或服役过程中形成，是由MC 形碳化物的分解或基体的残余碳与铬结合形成并从晶界处析出。M6C型碳化物一 般在含有大量钼、钨的基体组成条件下，经815～980℃的热过程后形成的。对于镍 基合金来说，往往是从晶界处的碳化物开始发生腐蚀，当晶界处存在较多的M23C6 碳化物时，容易腐蚀产生裂纹，在外部应力的作用下发生开裂现象，带来安全隐患。 腐蚀结果说明采用本发明水冷装置的堆焊层晶界上的有害组织M23C6析出较少， 同等腐蚀条件下，相比于采用直通水冷和常规仅空冷690合金堆焊层更耐腐蚀。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此 说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限 于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改 进和修改都应该在本发明的保护范围之内。