CN110405413B - 多层板坯真空封焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于封焊技术领域，具体涉及一种多层板坯真空封焊方法。一种多层板坯真空封焊方法，包括以下步骤：1）板坯消应力热处理；2）热处理后的板坯锯切成小料；3）对锯切后的坯料进行铣削，去除坯料表面缺陷，并使坯料尺寸达标；4）对铣削后坯料进行表面处理，使坯料表面达到预定的粗糙度及清洁度；5）将表面处理完毕的坯料堆垛起来；6）将堆垛后的坯料整体装入真空室，进行真空电子束封焊。本发明的有益效果在于：本发明的方法有效地降低多层板坯真空封焊的焊接应力；解决多层板坯堆垛后的界面夹气难题；保证板坯表面清洁度满足大型锻件内部质量要求；真空封焊时，真空室气压≤8.0×10^‑2Pa，使封焊坯料内部残留空气较少。

Description

多层板坯真空封焊方法

技术领域

本发明属于封焊技术领域，具体涉及一种多层板坯真空封焊方法。

背景技术

现有板坯真空封焊方法仅能实现2～3块板坯的封焊，封焊坯料的厚度≤900mm，此种封焊坯料仅能用于特厚钢板的轧制，无法用于大型锻件的生产。传统大型锻件必须以大型钢锭为原料，而大型钢锭，特别是百吨以上的钢锭生产周期长、能耗高、内部偏析及缩孔等缺陷严重，而且需要去除水口、冒口，成材率特别低，这导致利用传统钢锭生产的大型锻件成本高、产品质量不稳定。

CN103056466A披露了一种预先真空封焊的真空钎焊方法，该方法中披露：预先真空封焊的真空钎焊方法通过以下步骤实现：一、固定待钎焊零件：将待钎焊零件置于金属容器内，然后盖上密封盖， 在真空中对金属容器和密封盖的接触处采用局部加热的方式，将待钎焊零件封焊到金属容器内；二、加热：然后将金属容器置于空气中，加热到钎焊温度，保温；三、冷却：将步骤二处理后的金属容器冷却至室温，取出钎焊零件即得到钎焊零件，完成预先真空封焊的真空钎焊方法。上述的专利申请文献所要解决的技术问题是，要解决现有真空钎焊方法工件温度均匀性差、生产效率低和焊接易挥发材料时工艺复杂的问题。

目前，多层板坯真空封焊的难点主要有三个：一是焊接应力控制，多层板坯堆垛在一起进行连续真空封焊，必须将焊接应力控制在较低的水平，防止未焊接的缝隙间距超标，防止已焊接的焊缝开裂。二是板坯界面夹气，多层板坯堆垛后，上部板坯会给下部板坯施加很大压力，夹杂在上下板坯界面中的空气很难被有效抽出；三是板坯表面清洁度控制，只有将板坯表面清洁度控制并达到一定水平，才能生产出内部质量优良的大型锻件。

发明人经过检索，并未发现有相关的文献同时解决了上述的三种难以解决的问题，因此，上述的三个问题是本领域所亟待解决的。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种可实现2～20层板坯的优质、高效真空封焊的多层板坯真空封焊方法。

为了解决上述的三个难题，本发明通过综合应用消应力热处理、残余应力小的锯切方式下料、铣削严格控制板坯上下表面平行度、表面处理严格控制坯料表面的粗糙度和清洁度、优化的真空电子束焊接参数等诸多工艺措施，有效解决了多层板坯真空封焊时的应力超标、界面夹气和清洁度不达标的难题，所制造的封焊坯料已用于多种材质和尺寸的大型锻件的生产，产品具有成本低、成分均匀、微观缺陷少的诸多优点。

具体的，本发明所提供的多层板坯真空封焊方法，包括以下步骤：

1）板坯消应力热处理；

2）热处理后的板坯锯切成小料；

3）对锯切后的坯料进行铣削，去除坯料表面缺陷，并使坯料尺寸达标；

4）对铣削后坯料进行表面处理，使坯料表面达到预定的粗糙度及清洁度；

5）将表面处理完毕的坯料堆垛起来；

6）将堆垛后的坯料整体装入真空室，进行真空电子束封焊。

优选的，步骤1）板坯消应力热处理，热处理温度500～650℃，连铸板坯原始尺寸：长4440mm×宽2200mm×厚360mm，板坯原始长度为锯切下料长度的2～6倍，优选的为3倍。

步骤2）中板坯使用立带式锯床进行锯切。

步骤3）中坯料铣削后，每块坯料上下表面的铣削加工去除量≥3.0mm。

步骤3）中坯料铣削后，每块坯料上下表面的平行度偏差≤0.20mm。

步骤4）中坯料表面处理后，每块坯料上下表面的粗糙度在Ra3.2～Ra6.3。

步骤4）中坯料表面处理后，每块坯料上下表面的清洁度RFU≤20.0。

步骤5）中板坯开始堆垛与整体装入真空室的时间间隔≤12小时。

步骤6）中真空电子束封焊时，真空室气压≤8.0×10-2Pa，焊接电压≥90KV，焊接电流≤200mA，焊接速度100-300mm/min。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明的方法有效的降低多层板坯真空封焊的焊接应力：

众所周知，所焊材料刚性越大，焊接层数越多，焊接应力越大。本发明所焊材料为厚度150～400mm的板坯，显然所焊材料的刚性极大，而要实现2～20层的板坯封焊，如此多的焊接层数，越往后施焊，累积的焊接应力越大。焊接应力会导致未焊接的缝隙间距超标，而无法满足常规真空电子束焊接的工艺要求，更严重的会导致已焊接的焊缝开裂，最终导致整个封焊坯料报废。

本发明是通过以下措施有效降低了多层板坯真空封焊的焊接应力的，使之满足2～20层板坯封焊要求。这些措施具体包括：

1）板坯消应力热处理，通过对板坯进行700℃以下的低温热处理，有效消除板坯中残余的应力，防止过高的残余应力与后期焊接应力叠加，而导致焊缝过度变形或开裂；

2）热处理后的板坯使用立带式锯床进行锯切下料。锯切下料与火切下料相比，给板坯边部增加额外的应力非常小，这非常有利于后期多层板坯真空封焊时的应力控制。另外锯切使用立带式锯床进行，这是最适合2～6倍尺，总长2～12米的超长板坯的锯切方式，可实现超长板坯的精准尺寸锯切，有效提高材料利用率；

3）铣削严格控制板坯上下表面平行度偏差≤0.20mm。铣削时板坯上下表面平行度对最终封焊板坯的焊接应力控制也极为关键。严格控制板坯上下表面平行度，有利于上下堆垛板坯的均匀接触，使焊接应力得到有效分散，避免焊缝局部应力过分集中而导致的未焊接的缝隙间距超标或已焊接的焊缝开裂。

4）真空封焊时的焊接参数应控制在焊接电压≥90KV，焊接电流≤200mA，焊接速度100-300mm/min。焊接参数设计的最终目的是保证焊缝强度适中，焊接变形和应力较小。通过上述措施，本发明的方法有效降低了多层板坯真空封焊的焊接应力，使焊接应力水平满足真空封焊要求。

2. 解决多层板坯堆垛后的界面夹气难题：

板坯堆垛层数越多，上部板坯给下部板坯施加的压力就越大，上下板坯贴合的就越紧实，这极易导致夹杂在上下板坯界面中的空气无法彻底被有效抽出，如果夹杂的空气过多，无疑会严重影响最终锻件的内部质量。本发明的方法通过在板坯表面处理时，使用特定粒度的抛光片或砂带打磨出特定方向的纹路，并严格控制板坯表面粗糙度在Ra3.2～Ra6.3，在板坯表面上留下规律分布的细微凹槽，给夹杂的空气留下充足的流通空间，从而解决了多层连铸板坯堆垛后的界面夹气难题。

3. 采取诸多措施保证板坯表面清洁度满足大型锻件内部质量要求：

本发明的方法制作的封焊坯料专用于大型锻件的生产，锻件锻造时的变形压力分布在整个变形平面上，单位面积受到的变形压力较小，对封焊坯料界面的消除能力有限，如果在封焊坯料界面残存过多的油污或其它无法碳化的有机物，将严重阻碍封焊坯料界面的锻造压合。本发明的方法通过以下措施有效保证了板坯上下表面的清洁度，使之满足2～20层板坯封焊要求。这些措施包括：

1）在板坯表面处理时，使用特定粒度的抛光片或砂带打磨出特定方向的纹路，并严格控制板坯表面粗糙度在Ra3.2～Ra6.3，特定的打磨纹路和粗糙度，既可以为夹杂的空气留下充足的流通空间，又可以防止过多的油污或其它无法碳化的有机物残存在坯料表面，这是保证每块坯料上下表面清洁度的关键措施。

2）使用严选的擦拭布料，并配合适量的无水酒精（乙醇含量＞99.7%），沿特定方向对打磨后的坯料进行擦拭，有效去除坯料表面残存的油污或其它无法碳化的有机物，最终保证坯料上下表面的清洁度RFU≤20.0。本发明的方法通过反复对比试验证明，当坯料上下表面的清洁度RFU≤20.0时，可满足大型锻件内部质量要求。

3）板坯开始堆垛与整体装入真空室的时间间隔≤12小时，过短的时间无法完成多层连铸板坯的堆垛，而过长的时间，会导致板坯上下表面氧化超标，无法满足大型锻件内部质量要求。

4）真空封焊时，真空室气压≤8.0×10^-2Pa，保证封焊后，封焊坯料内部残留空气较少。

通过采取上述措施，保证了板坯表面清洁度满足大型锻件内部质量要求。

附图说明

图1为本发明实施例1的12Cr2Mo1V钢封焊坯料照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式来对本发明作更进一步的说明，以便本领域的技术人员更了解本发明，但并不以此限制本发明。

实施例1

封焊坯料材质12Cr2Mo1V，封焊坯料层数9层。

多层板坯真空封焊方法，包括以下步骤：

1）板坯消应力热处理，热处理温度600℃，连铸板坯原始尺寸：长4440mm×宽2200mm×厚360mm，板坯原始长度为锯切下料长度的3倍；

2）热处理后的板坯锯切成小料，板坯使用立带式锯床进行锯切，锯切下料后坯料长度为1475mm；

3）对锯切后的坯料进行铣削，去除坯料表面缺陷，每块坯料铣削后尺寸为1465mm×2175mm×350mm，每块坯料上下表面的铣削加工去除量5.0mm，每块坯料上下表面的平行度偏差≤0.20mm；

4）对铣削后坯料进行表面处理，使坯料表面达到预定的粗糙度及清洁度，坯料表面处理后，每块坯料上下表面的粗糙度在Ra6.3，每块坯料上下表面的清洁度RFU≤20.0；

5）将表面处理完毕的坯料堆垛起来，堆垛层数9层。板坯开始堆垛与整体装入真空室的时间间隔6小时；

6）将堆垛后的坯料整体装入真空室，进行真空电子束封焊，真空电子束封焊时，真空室气压≤8.0×10^-2Pa，焊接电压=100KV，焊接电流=120mA，焊接速度=230mm/min。

7）经上述步骤后获得封焊钢锭的长×宽×高=2175mm×1465mm×3140mm，总重75.0吨。该封焊钢锭经锻造、辗环后获得外径4000mm，内径2800mm，高度1400mm的桶形锻件，经后续热处理及机加工获得最终成品。对该锻件进行超声波探伤，结果显示锻件内部仅存在少量点状缺陷，缺陷最大当量φ2.5mm，满足JB/T4730.3-2005 I级要求。

实施例2

封焊坯料材质S355NL，封焊坯料层数11层。

多层板坯真空封焊方法，包括以下步骤：

1）板坯消应力热处理，热处理温度550℃，连铸板坯原始尺寸：长6120mm×宽2200mm×厚300mm，板坯原始长度为锯切下料长度的4倍；

2）热处理后的板坯锯切成小料，板坯使用立带式锯床进行锯切，锯切下料后坯料长度为1505mm；

3）对锯切后的坯料进行铣削，去除坯料表面缺陷，每块坯料铣削后尺寸为1495mm×2175mm×293mm，每块坯料上下表面的铣削加工去除量3.5mm，每块坯料上下表面的平行度偏差≤0.20mm；

4）对铣削后坯料进行表面处理，使坯料表面达到预定的粗糙度及清洁度，坯料表面处理后，每块坯料上下表面的粗糙度在Ra3.2，每块坯料上下表面的清洁度RFU≤20.0；

5）将表面处理完毕的坯料堆垛起来，堆垛层数11层。板坯开始堆垛与整体装入真空室的时间间隔7小时；

6）将堆垛后的坯料整体装入真空室，进行真空电子束封焊，真空电子束封焊时，真空室气压≤8.0×10^-2Pa，焊接电压=100KV，焊接电流=150mA，焊接速度=200mm/min。

7）经上述步骤后获得封焊钢锭的长×宽×高=2175mm×1495mm×3230mm，总重82.5吨。该封焊钢锭经锻造、辗环后获得外径7585mm，内径6615mm，高度860mm的环形锻件，经后续热处理及机加工获得最终成品。对该锻件进行超声波探伤，结果显示锻件内部无任何缺陷，满足JB/T4730.3-2005 I级要求。

实施例3

封焊坯料材质35，封焊坯料层数8层。

多层板坯真空封焊方法，包括以下步骤：

1）板坯消应力热处理，热处理温度550℃，连铸板坯原始尺寸：长6850mm×宽2040mm×厚300mm，板坯原始长度为锯切下料长度的5倍；

2）热处理后的板坯锯切成小料，板坯使用立带式锯床进行锯切，锯切下料后坯料长度为1360mm；

3）对锯切后的坯料进行铣削，去除坯料表面缺陷，每块坯料铣削后尺寸为1350mm×2020mm×293mm，每块坯料上下表面的铣削加工去除量6.3mm，每块坯料上下表面的平行度偏差≤0.20mm；

4）对铣削后坯料进行表面处理，使坯料表面达到预定的粗糙度及清洁度，坯料表面处理后，每块坯料上下表面的粗糙度在Ra3.2，每块坯料上下表面的清洁度RFU≤20.0；

5）将表面处理完毕的坯料堆垛起来，堆垛层数8层。板坯开始堆垛与整体装入真空室的时间间隔5小时；

6）将堆垛后的坯料整体装入真空室，进行真空电子束封焊，真空电子束封焊时，真空室气压≤8.0×10^-2Pa，焊接电压=100KV，焊接电流=130mA，焊接速度=250mm/min。

7）经上述步骤后获得封焊钢锭的长×宽×高=2020mm×1350mm×2322mm，总重49.71吨。该封焊钢锭经锻造、辗环后获得外径5710mm，内径5080mm，高度1050的环形锻件，经后续热处理及机加工获得最终成品。对该锻件进行超声波探伤，结果显示锻件内部存在少量点状缺陷，缺陷最大当量φ1.5mm，满足JB/T4730.3-2005 I级要求。

实施例4

封焊坯料材质Q235，封焊坯料层数20层。

多层板坯真空封焊方法，包括以下步骤：

1）连铸板坯消应力热处理，热处理温度500℃。连铸板坯原始尺寸：长9210mm×宽1545mm×厚200mm，连铸板坯原始长度为锯切下料长度的6倍；

2）热处理后的板坯锯切成小料，连铸板坯使用立带式锯床进行锯切，锯切下料后坯料长度为1535mm；

3）对锯切后的坯料进行铣削，去除坯料表面缺陷，每块坯料铣削后尺寸为1520mm×1530mm×193mm，每块坯料上下表面的铣削加工去除量3.5mm，每块坯料上下表面的平行度偏差≤0.20mm；

4）对铣削后坯料进行表面处理，使坯料表面达到预定的粗糙度及清洁度，坯料表面处理后，每块坯料上下表面的粗糙度在Ra3.2，每块坯料上下表面的清洁RFU≤20.0；

5）将表面处理完毕的坯料堆垛起来，堆垛层数20层。板坯开始堆垛与整体装入真空室的时间间隔12小时；

6）将堆垛后的坯料整体装入真空室，进行真空电子束封焊，真空电子束封焊时，真空室气压≤8.0×10-2Pa，焊接电压=100KV，焊接电流=200mA，焊接速度=270mm/min。

7）经上述步骤后获得封焊钢锭的长×宽×高=1530mm×1520mm×3870mm，总重70.65吨。该封焊钢锭经锻造、辗环后获得外径4540mm，内径4000mm，高度2200的桶形锻件，经后续热处理及机加工获得最终成品。对该锻件进行超声波探伤，结果显示锻件内部无缺陷，满足JB/T4730.3-2005 I级要求。

从以上的四个实施例中可以看出，本发明通过采用特定的工艺处理，通过超声波探伤，显示各锻件内部均无缺陷，满足JB/T4730.3-2005 I级要求。本发明有效的消除了板坯中残余的应力，防止过高的残余应力与后期焊接应力叠加从而导致焊缝过度变形或开裂；通过本发明的改进有效降低了多层板坯真空封焊的焊接应力，使焊接应力水平满足了真空封焊的要求。

Claims (11)

1.一种多层板坯真空封焊方法，包括以下步骤：

1）板坯消应力热处理；

2）热处理后的板坯锯切成小料；

3）对锯切后的坯料进行铣削，去除坯料表面缺陷，并使坯料尺寸达标；

4）对铣削后坯料进行表面处理，使坯料表面达到预定的粗糙度及清洁度，并使坯料表面形成特定方向的打磨纹路；

5）将表面处理完毕的坯料堆垛起来；

6）将堆垛后的坯料整体装入真空室，焊接电压≥90KV下，进行高电压真空电子束封焊。

2.如权利要求1所述的多层板坯真空封焊方法，其特征是，所述步骤1）中板坯原始长度为锯切下料长度的2～6倍。

3.如权利要求1所述的多层板坯真空封焊方法，其特征是，所述步骤1）中板坯原始长度为锯切下料长度的3倍。

4.如权利要求1所述的多层板坯真空封焊方法，其特征是，所述步骤1）中板坯消应力热处理，热处理温度500～650℃，连铸板坯原始尺寸：长4440mm×宽2200mm×厚360mm，板坯原始长度为锯切下料长度的2～6倍。

5.如权利要求1所述的多层板坯真空封焊方法，其特征是，所述步骤2）中板坯使用立带式锯床进行锯切。

6.如权利要求1所述的多层板坯真空封焊方法，其特征是，所述步骤3）中坯料铣削后，每块坯料上下表面的铣削加工去除量≥3.0mm。

7.如权利要求1所述的多层板坯真空封焊方法，其特征是，所述步骤3）中坯料铣削后，每块坯料上下表面的平行度偏差≤0.20mm。

8.如权利要求1所述的多层板坯真空封焊方法，其特征是，所述步骤4）中坯料表面处理后，每块坯料上下表面的粗糙度在Ra3.2～Ra6.3。

9.如权利要求1所述的多层板坯真空封焊方法，其特征是，所述步骤4）中坯料表面处理后，每块坯料上下表面的清洁度RFU≤20.0。

10.如权利要求1所述的多层板坯真空封焊方法，其特征是，所述步骤5）中板坯开始堆垛与整体装入真空室的时间间隔≤12小时。

11.如权利要求1所述的多层板坯真空封焊方法，其特征是，所述步骤6）中真空电子束封焊时，真空室气压≤8.0×10^-2Pa，焊接电流≤200mA，焊接速度100-300mm/min。

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