一种高氮钢的焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高氮钢的焊接方法，属于金属焊接领域。
【背景技术】
[0002]高氮不锈钢是指氮含量超过其在1600°C及在大气中平衡溶解度的一类不锈钢，通常把氮含量超过0.08wt%的铁素体/马氏体不锈钢或氮含量超过0.4wt%的奥氏体不锈钢称为高氮不锈钢，它是目前正在蓬勃发展的一类新型工程材料。根据基体组织类型差异，高氮不锈钢可分为高氮奥氏体不锈钢，高氮铁素体/马氏体不锈钢以及高氮(奥氏体+铁素体)双相不锈钢三大类。
[0003]高氮奥氏体不锈钢主要是利用氮元素来部分甚至完全代替合金元素镍以获得奥氏体组织，利用氮进行合金化具有很多优点:(1)与碳相比，氮为更加有效的固溶强化元素，同时可以促进晶粒细化；(2)氮是强烈的奥氏体形成化元素，可以减少合金中的镍含量，降低铁素体和形变马氏体形成能力；(3)尽管氮对材料在酸中抗总体腐蚀性能没有明显改善，但可以极大地提高材料抗点蚀和缝隙腐蚀能力。因此，高氮钢具有良好的强韧性和耐蚀性。
[0004]高氮奥氏体不锈钢的焊接技术目前主要有焊条电弧焊、TIG焊(钨极惰性气体保护焊)、气焊、电阻焊、激光焊以及埋弧自动焊等，然而这些熔焊方法在焊接时极易出现氮的逸出现象，这使得高氮奥氏体不锈钢的焊接成为该钢种能够大量普及所必须逾越的一道门槛，在焊接过程中如何避免和控制氮的吸收和逸出行为，己成为高氮钢研究领域中的迫切需要解决的重要课题。
[0005]这些焊接方法在焊接时会出现如下问题:
[0006](1)焊缝区氮的损失即氮气孔的形成和氮的逸出，降低了焊缝中的固溶氮含量，造成接头性能的下降；
[0007](2)焊缝区和焊接热影响区氮化物、碳化物以及碳氮化物的析出，力学性能和抗腐蚀性能都会随之下降；
[0008](3)焊缝凝固裂纹及热影响区液化裂纹的形成。
[0009](4)奥氏体不锈钢热导率小、线胀系数大，焊后容易产生较大变形。当高氮钢焊接接头出现上述问题时，接头力学性能、耐蚀性能都会随之下降。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是提供一种高氮钢的焊接方法。
[0011]瞬时过冷液相扩散连接的焊接连接的原理是具有将宽过冷液相区非晶中间层合金放置于装配好的工件间，并施加一定的压力，然后在真空或惰性气体的保护下加热到连接温度(连接温度在中间层的过冷液相区温度范围)。在连接温度下达到非晶合金的过冷液相区内，非晶合金在过冷液相区中表现出超塑性，利用非晶合金的超塑性特点可以迅速浸润母材扩大待焊表面的物理接触，然后升高温度至扩散温度，在高温下加强原子之间的相互扩散来实现接头焊接，最后获得与母材性能优良的焊接接头。
[0012]实现本发明目的的技术解决方案是:一种高氮钢的焊接方法，包括如下步骤:
[0013]1)选取块体非晶合金材料作为中间层；
[0014]2)清理高氮钢的连接表面，得到洁净平整的连接表面；
[0015]3)依次将高氮钢、中间层、高氮钢顺序叠放，置于真空热压炉中进行焊接；
[0016]4)将真空热压炉抽真空，并施加压力，将温度逐渐升高至连接温度?\，并保温一段时间，其中，连接温度?\在中间层的过冷液相区温度范围Tg?Tx之间；
[0017]5)升高温度至扩散温度Τ2，并保温一段时间，其中，扩散温度1~2为800?1000°C。
[0018]步骤⑴中，所述的块体非晶合金材料的成分为FeJuS^NbiFeMNi^。中任意一种，中间层厚度为5?500 μπι，中间层的形态采用箔片或粉末状。
[0019]步骤⑵中，所述的高氮钢为Crl8Mnl8N高氮奥氏体不锈钢。
[0020]步骤(2)中，通过依次使用#200、#400、#600砂纸对连接表面进行打磨清理；
[0021]步骤⑷中，真空度不低于1X10 2Pa，施加压力大小为2?lOMPa，保温时间为10 ?30mino
[0022]步骤(5)中，保温时间为1?2h。
[0023]本发明与现有技术相比，其显著优点有:
[0024]1)瞬时过冷液相扩散焊的连接温度在非晶中间层的过冷液相区温度范围内，其温度远低于非晶中间层的熔点，可以在较低的焊接温度下焊接，使得焊接中氮元素无损失；
[0025]2)非晶中间层在过冷液相区常常表现为超塑性，利用这一特性可以在焊接过程中迅速地浸润母材，降低了对待焊工件材料表面粗糙度要求；
[0026]3)在焊接过程中所需的压力较小；
[0027]4)得到的焊接接头成形好，性能强度较高，接近母材；
[0028]5)瞬时过冷液相扩散连接在焊接高氮钢时由于温度较低，可以有效的防止接头处产生氮化物、碳化物以及碳氮化物以降低其性能；
[0029]6)高氮钢在高温下会产生高温蠕变，相变等，其组织和性能都会变化，降低了焊接接头的性能，瞬时过冷液相扩散连接可以避免产生这些变化。
【具体实施方式】
[0030]根据本发明所提供的瞬时过冷液相扩散连接方法，利用真空热压炉对高氮钢进行焊接，并对焊接接头的性能和组织进行分析。
[0031]实施例1:
[0032]以尺寸为3_X50_X50_的高氣钢作为母材，80 μ mX 50_X 50_的Fe75B15Si1(]NM^aB合金箔片作为中间层进行瞬时过冷液相扩散焊接过程。
[0033]具体步骤如下:
[0034]1)焊接前用砂纸清理高氮钢的待焊表面，去除表面的氧化膜和油污，得到粗糙度较好的连接表面；
[0035]2)将母材与非晶合金按照顺序依次叠放好，放入真空热压炉中进行焊接。当真空热压炉的真空度达到IX 10 2Pa时热压炉启动加热，加热过程中，保持焊接压力为2Mpa，升温速度控制在20°C /min，直到真空热压炉中温度达到550°C时保温5min进行连接，然后升高温度至800°C后保温2h进行扩散；
[0036]3)等待真空热压炉冷却后，即可打开炉门，取出焊接工件；
[0037]4)对焊接接头进行剪切强度检测。
[0038]最后得到的焊接接头结合紧密，成形良好，其接头剪切强度达到636MPa。
[0039]实施例2:
[0040]以2个直径为20mm、长度为10mm的柱状高氮钢材料作为母材，Fe75B15Si1QNM^aB合金粉末作为中间层进行瞬时过冷液相扩散焊接过程。
[0041]具体步骤如下:
[0042]1)将柱状高氮钢母材的上下平面用砂纸清理，去除表面的氧化膜和油污；
[0043]2)将Fe75B15Si1QNM^aB合金粉末涂在待焊表面上，并使得中间层厚度在100 μ m，然后放入真空热压炉中。当真空热压炉的真空度达到1X10 2Pa时热压炉启动加热，加热过程中，保持焊接压力为2Mpa，升温速度控制在20°C /min，直到热压炉中温度达到550°C时保温5min进行连接，然后升高温度至850°C后保温2h进行扩散；
[0044]3)等待真空热压炉冷却后，即可打开炉门，取出焊接工件；
[0045]4)对焊接接头进行拉伸强度检测。
[0046]最后得到的焊接接头结合紧密，成形良好，其接头拉伸强度达到780Ma。
[0047]实施例3:
[0048]以尺寸为 3mmX 50mmX 50mm 的高氣钢作为母材，80 μ mX 50mmX 50mm 的 Fe5QNi30B2。非晶合金箔片作为中间层进行瞬时过冷液相扩散焊接过程。
[0049]具体步骤如下:
[0050]1)焊接前用砂纸清理高氮钢的待焊表面，去除表面的氧化膜和油污，得到粗糙度较好的连接表面；
[0051]2)将母材与非晶合金按照顺序依次叠放好，放入真空热压炉中进行焊接。当真空热压炉的真空度达到IX 10 2Pa时热压炉启动加热，加热过程中，保持焊接压力为2Mpa，升温速度控制在20°C /min，直到热压炉中温度达到650°C时保温5min进行连接，然后升高温度至850°C后保温2h进行扩散；
[0052]3)等待真空热压炉冷却后，即可打开炉门，取出焊接工件；
[0053]4)对焊接接头进行剪切强度检测。
[0054]最后得到的焊接接头结合紧密，成形良好，其接头剪切强度达到590MPa。
[0055]实施例4:
[0056]以2个直径为20mm、长度为10mm的柱状高氮钢材料作为母材，FeMNi3(]B2。非晶合金粉末作为中间层进行瞬时过冷液相扩散焊接过程。
[0057]具体步骤如下:
[0058]1)将柱状高氮钢母材的上下平面用砂纸清理，去除表面的氧化膜和油污；
[0059]2)将Fe5QNi3QB2。非晶合金粉末涂在待焊表面上，并使得中间层厚度在100 μ m，
[0060]然后放入真空热压炉中。当真空热压炉的真空度达到IX 10 2Pa时热压炉启动加热，加热过程中，保持焊接压力为2Mpa，升温速度控制在20°C /min，直到热压炉中温度达到650°C时保温5min进行连接，然后升高温度至850°C后保温2h进行扩散；
[0061]3)等待真空热压炉冷却后，即可打开炉门，取出焊接工件；
[0062]4)对焊接接头进行拉伸强度检测。
[0063]最后得到的焊接接头结合紧密，成形良好，其接头拉伸强度达到550Ma。
【主权项】
1.一种高氮钢的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)选取块体非晶合金材料作为中间层； 2)清理高氮钢的连接表面，得到洁净平整的连接表面； 3)依次将高氮钢、中间层、高氮钢顺序叠放，置于真空热压炉中进行焊接； 4)将真空热压炉抽真空，并施加压力，将温度逐渐升高至连接温度?\，并保温一段时间，其中，连接温度?\在中间层的过冷液相区温度范围Tg?Tx之间； 5)升高温度至扩散温度Τ2，并保温一段时间，其中，扩散温度1~2为800?1000°C。2.如权利要求1所述的高氮钢的焊接方法，其特征在于，块体非晶合金材料的成分为Fe^BBSiujNVFeajNi；^。中任意一种。3.如权利要求1所述的高氮钢的焊接方法，其特征在于，中间层厚度为5?500μ m，中间层的形态采用箔片或粉末状。4.如权利要求1所述的高氮钢的焊接方法，其特征在于，高氮钢为Crl8Mnl8N高氮奥氏体不锈钢。5.如权利要求1所述的高氮钢的焊接方法，其特征在于，步骤(2)中，通过依次使用#200、#400、#600砂纸对连接表面进行打磨清理。6.如权利要求1所述的高氮钢的焊接方法，其特征在于，步骤(4)中，真空度不低于1X10 2Pa，施加压力大小为2?lOMPa，保温时间为10?30min。7.如权利要求1所述的高氮钢的焊接方法，其特征在于，步骤(5)中，保温时间为1?2h。
【专利摘要】本发明公开了一种高氮钢的焊接方法，该方法是在焊接时使用块体非晶合金材料作为中间层，利用非晶材料在过冷液相区的超塑性实现连接，再通过提高温度使非晶层扩散至母材中从而实现冶金结合的焊接，特别适用于板材之间的焊接。通过本发明所述焊接方法可获得强度高成型好的焊接接头，当以Fe75B15Si10Nb1非晶合金粉末作为中间层时，其最高拉伸强度达到了780MPa。
【IPC分类】B23K20/16, B23K20/227, B23K20/14, B23K103/04, B23K20/24
【公开号】CN105345252
【申请号】CN201510885543
【发明人】孔见, 梁玉龙, 王克鸿, 周琦, 彭勇
【申请人】南京理工大学
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年12月4日