CN113523505B - 马氏体不锈钢的焊接方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及马氏体不锈钢技术领域，尤其是涉及一种马氏体不锈钢的焊接方法及其应用。马氏体不锈钢的焊接方法，包括如下步骤：采用钨极氩弧焊对经热处理的待焊接马氏体不锈钢试样与同成分焊料进行焊接，然后进行去应力处理；所述焊接的条件包括：采用直流正接电源，焊接电流为80A～120A，焊接电压为10V～20V。本发明的马氏体不锈钢的焊接方法后能够有效的解决焊接后试样的室温疲劳性能降低的问题，使焊接后的试样的室温疲劳强度达到甚至高于技术条件的要求。

Description

马氏体不锈钢的焊接方法及其应用
技术领域
本发明涉及马氏体不锈钢技术领域，尤其是涉及一种马氏体不锈钢的焊接方法及其应用。
背景技术
机匣是航空发动机上最关键、最重要的零部件之一，它是支撑转子与固定定子的重要部件。由于机匣零件制造难度大，周期长，在整个发动机的设计中，机匣的制造占相当大的比重，提高机匣的制造性能和效率对航空发动机整机的制造具有重要的意义。
在工作状态下，机匣承受航空发动机的气体负荷与质量惯性力，这些负荷以轴力、横向力或侧向力、弯矩、扭矩等形式同时作用在机匣上。机匣还承受由温度、温差引起的热负荷，以及热负荷对材料强度带来的变化所引起的应力。在飞机的每次起飞降落过程中，机匣承受由航空发动机的启动→工作状态→停车与飞机机动飞行引起的循环压力、扭转载荷以及振动载荷。受航空发动机工作循环与飞机起飞、降落的影响，机匣受到的载荷是循环变化的。作为高空环境运行零部件，必须满足静强度要求与疲劳强度要求，同时必须具有足够的稳定性。
现行机匣在实际制造过程中，机匣局部存在冶金缺陷时需要进行焊接处理，焊接后的力学性能尤其是疲劳性能降低非常明显，不能满足相应要求。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供马氏体不锈钢的焊接方法，以解决现有技术中存在的焊接后的力学性能尤其是疲劳性能降低的技术问题。
本发明的第二目的在于提供马氏体不锈钢的焊接方法在机匣局部焊接修复处理中的应用。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
马氏体不锈钢的焊接方法，包括如下步骤：
采用钨极氩弧焊对经热处理的待焊接马氏体不锈钢试样与同成分焊料进行焊接，然后进行去应力处理；
所述焊接的条件包括：采用直流正接电源，焊接电流为80A～120A，焊接电压为10V～20V。
本发明通过采用合适的焊接方法，能够使焊接后试样的室温疲劳性能达到甚至超过未焊接处理的试样的室温疲劳性能的85％。本发明采用合适的焊接参数及适当的焊后去应力处理将马氏体不锈钢的组织进行调控，最终得到的显微组织能有效地提高试样的室温疲劳性能。
在本发明的具体实施方式中，所述焊接的条件还包括：钨极尺寸Φ2.2mm～2.6mm，伸出长度不大于20mm，氩气流量为14L/min～16L/min，焊接过程采用的背部保护气体的流量为4L/min～12L/min。
在本发明的具体实施方式中，所述去应力处理的条件包括：将所述焊接后的试样在真空或保护气氛下，于450℃～580℃保温处理2h～6h后，空冷至室温。
在本发明的具体实施方式中，在所述去应力处理前，对所述焊接后的试样进行检验。进一步的，所述检验包括荧光检验和X射线检验。其中，荧光检验和X射线检验要求分别为：荧光检验，不允许有裂纹和穿透性缺陷；X射线检验，不允许有裂纹和未熔合等缺陷。
在实际操作中，待进行检验后，将检验合格的试样再进行所述去应力处理。
在本发明的具体实施方式中，所述热处理的条件包括：所述待焊接马氏体不锈钢试样在真空或保护气氛下，于1070℃±10℃保温处理0.5h～4h后，空冷至室温；然后在真空或保护气氛下，于580℃±10℃保温处理0.5h～4h后，空冷至室温。
在本发明的具体实施方式中，所述同成分焊料为与待焊接试样化学成分相同的焊丝。
在本发明的具体实施方式中，所述马氏体不锈钢试样，包括按重量百分比计的如下组分：C：0.01％～0.06％；Si：0.10％～0.80％；Mn：0.10％～1.00％；P：0.01％～0.035％；S：0.01％～0.025％；Cr：15.5％～17.0％；Ni：4.5％～6.0％；Mo：0.40％～1.00％；其它为Fe及残余元素。进一步的，所述残余元素的重量百分比控制如下：Cu≤0.50％；V≤0.05％；W≤0.10％；其它元素总和≤0.50％。
在本发明的具体实施方式中，所述马氏体不锈钢试样的制备包括：将真空感应熔炼得到的马氏体不锈钢合金锭重熔浇注得到所述试样。进一步的，将所述试样进行荧光检验和X射线检验。其中，荧光检验和X射线检验要求分别为：荧光检验，不允许有裂纹、冷隔、对应性和穿透性缺陷；X射线检验，不允许有裂纹冷隔、缩孔和高密度夹杂缺陷。
在本发明的具体实施方式中，采用所述焊接方法处理的试样的室温疲劳强度大于或等于所述待焊接马氏体不锈钢试样的室温疲劳强度的85％。进一步的，采用所述焊接方法处理的试样的室温疲劳强度大于或等于所述待焊接马氏体不锈钢试样的室温疲劳强度。
本发明还提供了上述任意一种所述马氏体不锈钢的焊接方法在机匣局部焊接修复处理中的应用。
本发明的焊接方法，用于机匣局部存在冶金缺陷时需要进行焊接处理，焊接后的室温疲劳强度能够满足不小于未焊接试样室温疲劳强度的85％的技术条件要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的马氏体不锈钢的焊接方法后能够有效的解决焊接后试样的室温疲劳性能降低的问题，使焊接后的试样的室温疲劳强度达到甚至高于技术条件的要求。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
马氏体不锈钢的焊接方法，包括如下步骤：
采用钨极氩弧焊对经热处理的待焊接马氏体不锈钢试样与同成分焊料进行焊接，然后进行去应力处理；
所述焊接的条件包括：采用直流正接电源，焊接电流为80A～120A，焊接电压为10V～20V。
本发明通过采用合适的焊接方法，能够使焊接后试样的室温疲劳性能达到甚至超过未焊接处理的试样的室温疲劳性能的85％。
在本发明的具体实施方式中，所述焊接电流为90A～100A，所述焊接电压为14V～16V。
在本发明的具体实施方式中，所述焊接的条件还包括：钨极尺寸Φ2.2mm～2.6mm，伸出长度不大于20mm，氩气流量为14L/min～16L/min，焊接过程采用的背部保护气体的流量为4L/min～12L/min。
在本发明的优选实施方式中，所述焊接的条件还包括：钨极尺寸Φ2.4mm，伸出长度不大于20mm，氩气流量为15L/min，焊接过程采用的背部保护气体的流量为4L/min～12L/min。
在实际操作中，所述背部保护气体可以为氩气。
在本发明的具体实施方式中，所述去应力处理的条件包括：将所述焊接后的试样在真空或保护气氛下，于450℃～580℃保温处理2h～6h后，空冷至室温。所述保护气氛一般采用氩气。
在本发明的具体实施方式中，在所述去应力处理前，对所述焊接后的试样进行检验。进一步的，所述检验包括荧光检验和X射线检验。其中，荧光检验和X射线检验要求分别为：荧光检验，不允许有裂纹和穿透性缺陷；X射线检验，不允许有裂纹和未熔合等缺陷。
在实际操作中，待进行检验后，将检验合格的试样再进行所述去应力处理。
在本发明的具体实施方式中，所述热处理的条件包括：所述待焊接马氏体不锈钢试样在真空或保护气氛下，于1070℃±10℃保温处理0.5h～4h后，空冷至室温；然后在真空或保护气氛下，于580℃±10℃保温处理0.5～4h后，空冷至室温。所述保护气氛一般采用氩气。
在本发明的具体实施方式中，所述同成分焊料为与待焊接试样化学成分相同的焊丝。进一步的，所述焊丝的直径为1.5mm～1.7mm，如1.6mm。
在本发明的具体实施方式中，所述马氏体不锈钢试样，包括按重量百分比计的如下组分：C：0.01％～0.06％；Si：0.10％～0.80％；Mn：0.10％～1.00％；P：0.01％～0.035％；S：0.01％～0.025％；Cr：15.5％～17.0％；Ni：4.5％～6.0％；Mo：0.40％～1.00％；其它为Fe及残余元素。进一步的，所述残余元素的重量百分比控制如下：Cu≤0.50％；V≤0.05％；W≤0.10％；其它元素总和≤0.50％。
在本发明的具体实施方式中，所述马氏体不锈钢试样的制备包括：将真空感应熔炼得到的马氏体不锈钢合金锭重熔浇注得到所述试样。进一步的，将所述试样进行荧光检验和X射线检验。其中，荧光检验和X射线检验要求分别为：荧光检验，不允许有裂纹、冷隔、对应性和穿透性缺陷；X射线检验，不允许有裂纹冷隔、缩孔和高密度夹杂缺陷。
在本发明的具体实施方式中，所述真空感应熔炼中：熔炼的温度为1520℃～1600℃，精炼时间为10min～20min，真空度为0.01Pa～0.1Pa，浇注温度为1500℃～1600℃。
在本发明的具体实施方式中，所述重熔浇注的条件包括：将合金锭在真空感应炉中重熔，控制浇注温度为1520℃～1600℃，模壳温度为1000℃±20℃。
在本发明的具体实施方式中，采用所述焊接方法处理的试样的室温疲劳强度大于或等于所述待焊接马氏体不锈钢试样的室温疲劳强度的85％。进一步的，采用所述焊接方法处理的试样的室温疲劳强度大于或等于所述待焊接马氏体不锈钢试样的室温疲劳强度。
在本发明的具体实施方式中，所述马氏体不锈钢的焊接方法，具体包括如下步骤：
(a)合金熔炼、浇注及检验：按马氏体不锈钢试样的组成配料进行真空感应熔炼得到合金锭，将所述合金锭重熔浇注得到所述试样；将所述试样进行荧光检验和X射线检验，检验合格试样作为待焊接马氏体不锈钢试样；
(b)热处理：将步骤(a)检验合格的试样进行热处理，热处理条件包括：所述待焊接马氏体不锈钢试样在真空或保护气氛下，于1070℃±10℃保温处理0.5h～4h后，空冷至室温；然后在真空或保护气氛下，于580℃±10℃保温处理0.5h～4h后，空冷至室温；
(c)焊接：将步骤(b)热处理后的试样与同成分焊料在氩气保护气氛下进行钨极氩弧焊焊接；所述焊接的条件包括：采用直流正接电源，焊接电流为80A～120A，焊接电压为10V～20V；钨极尺寸Φ2.2mm～2.6mm，伸出长度不大于20mm，氩气流量为14L/min～16L/min，焊接过程采用的背部保护气体的流量为4L/min～12L/min；
(d)焊后检验：将步骤(c)焊接后的试样进行荧光检验和X射线检验；
(e)焊接后去应力处理：将步骤(d)检验合格后的试样进行去应力处理；所述去应力处理的条件包括：将所述焊接后的试样在真空或保护气氛下，于450℃～580℃保温处理2h～6h后，空冷至室温。
在实际操作中，所述试样的形状、规格等可根据实际需求进行调整。
本发明还提供了上述任意一种所述马氏体不锈钢的焊接方法在机匣局部焊接修复处理中的应用。
本发明的焊接方法，用于机匣局部存在冶金缺陷时需要进行焊接处理，焊接后的室温疲劳强度能够满足不小于未焊接试样室温疲劳强度的85％的技术条件要求，甚至能够超过未焊接试样的室温疲劳强度。
实施例1
本实施例提供了马氏体不锈钢的焊接方法，包括如下步骤：
(1)采用熔模精密铸造工艺浇注马氏体不锈钢试板：具体的，按马氏体不锈钢试样的组成配料进行真空感应熔炼后得到合金锭，将所述合金锭在真空感应炉中重熔，控制浇注温度为1520℃～1600℃，模壳温度为1000℃±20℃，浇注得到马氏体不锈钢试板；其中，真空感应熔炼制备合金锭的参数包括：熔炼的温度为1540℃±20℃，精炼时间为10min～20min，真空度为0.01Pa～0.1Pa，浇注温度为1520℃±20℃；所述马氏体不锈钢包括按重量百分数计的如下组分：C：0.026％；Si：0.60％；Mn：0.18％；P：0.023％；S：0.018％；Cr：16.3％；Ni：5.2％；Mo：0.54％；Cu：0.08％；V：0.01％；W：0.03％，余量为Fe。
(2)将浇注得到的马氏体不锈钢试板首先进行荧光检验，不允许有裂纹、冷隔、对应性和穿透性缺陷；然后进行X射线检验，不允许有裂纹冷隔、缩孔和高密度夹杂缺陷。
(3)将步骤(2)检验合格的马氏体不锈钢试板进行标准热处理，即首先在氩气气氛下，于温度1070℃±10℃下保温1h，空冷至室温；然后在温度580℃±10℃下保温1h，空冷至室温。
(4)将步骤(3)热处理后的马氏体不锈钢试板氩气保护气氛下，采用钨极氩弧焊将试板与所述试板化学成分相同且直径为1.6mm焊丝焊接，其焊接工艺参数为：采用直流正接电源，钨极尺寸Φ2.4mm，伸出长度不大于20mm，焊接电流为85A，焊接电压为12V，氩气流量为15L/min，焊接过程采用的背部保护气体(氩气)流量为6L/min。
(5)将步骤(4)焊接后的马氏体不锈钢试板的焊接区域进行检验，首先进行荧光检验，不允许有裂纹和穿透性缺陷；然后进行X射线检验，不允许有裂纹和未熔合等缺陷。
(6)将步骤(5)检验合格后的焊接后的马氏体不锈钢试板进行去应力处理，即在氩气气氛下，于温度500℃下保温时间2h，空冷至室温。
将经过上述操作步骤的焊接试样加工成板状高周疲劳试样，进行室温高周疲劳性能测试，其室温疲劳强度为185.25MPa，高于未焊接试样的室温疲劳强度177.33MPa，满足且高于技术条件的要求。
实施例2
本实施例提供了马氏体不锈钢的焊接方法，包括如下步骤：
(1)按照实施例1中步骤(1)的方法制备马氏体不锈钢试板。
(2)将浇注得到的马氏体不锈钢试板首先进行荧光检验，不允许有裂纹、冷隔、对应性和穿透性缺陷；然后进行X射线检验，不允许有裂纹冷隔、缩孔和高密度夹杂缺陷。
(3)将步骤(2)检验合格的马氏体不锈钢试板进行标准热处理，即首先在氩气气氛下，于温度1070℃±10℃下保温1h，空冷至室温；然后在温度580℃±10℃下保温1h，空冷至室温。
(4)将步骤(3)热处理后的马氏体不锈钢试板氩气保护气氛下，采用钨极氩弧焊将试板与所述试板化学成分相同且直径为1.6mm焊丝焊接，其焊接工艺参数为：采用直流正接电源，钨极尺寸Φ2.4mm，伸出长度不大于20mm，焊接电流为95A，焊接电压为15V，氩气流量为15L/min，焊接过程采用的背部保护气体(氩气)流量为6L/min。
(5)将步骤(4)焊接后的马氏体不锈钢试板的焊接区域进行检验，首先进行荧光检验，不允许有裂纹和穿透性缺陷；然后进行X射线检验，不允许有裂纹和未熔合等缺陷。
(6)将步骤(5)检验合格后的焊接后的马氏体不锈钢试板进行去应力处理，即在氩气气氛下，于温度550℃下保温时间2h，空冷至室温。
将经过上述操作步骤的焊接试样加工成板状高周疲劳试样，进行室温疲劳性能测试，其室温疲劳强度为188.62MPa，满足并高于技术条件的要求。
实施例3
本实施例提供了马氏体不锈钢的焊接方法，包括如下步骤：
(1)按照实施例1中步骤(1)的方法制备马氏体不锈钢试板。
(2)将浇注得到的马氏体不锈钢试板首先进行荧光检验，不允许有裂纹、冷隔、对应性和穿透性缺陷；然后进行X射线检验，不允许有裂纹冷隔、缩孔和高密度夹杂缺陷。
(3)将步骤(2)检验合格的马氏体不锈钢试板进行标准热处理，即首先在氩气气氛下，于温度1070℃±10℃下保温1h，空冷至室温；然后在温度580℃±10℃下保温1h，空冷至室温。
(4)将步骤(3)热处理后的马氏体不锈钢试板氩气保护气氛下，采用钨极氩弧焊将试板与所述试板化学成分相同且直径为1.6mm焊丝焊接，其焊接工艺参数为：采用直流正接电源，钨极尺寸Φ2.4mm，伸出长度不大于20mm，焊接电流为106A，焊接电压为18V，氩气流量为15L/min，焊接过程采用的背部保护气体(氩气)流量为6L/min。
(5)将步骤(4)焊接后的马氏体不锈钢试板的焊接区域进行检验，首先进行荧光检验，不允许有裂纹和穿透性缺陷；然后进行X射线检验，不允许有裂纹和未熔合等缺陷。
(6)将步骤(5)检验合格后的焊接后的马氏体不锈钢试板进行去应力处理，即在氩气气氛下，于温度480℃下保温时间2h，空冷至室温。
将经过上述操作步骤的焊接试样加工成板状高周疲劳试样，进行室温疲劳性能测试，其室温疲劳强度为187.16MPa，满足并高于技术条件的要求。
比较例1
比较例1参考实施例1，提供了另一种马氏体不锈钢的焊接方法，包括如下步骤：
(1)按照实施例1中步骤(1)的方法制备马氏体不锈钢试板。
(2)将浇注得到的马氏体不锈钢试板首先进行荧光检验，不允许有裂纹、冷隔、对应性和穿透性缺陷；然后进行X射线检验，不允许有裂纹冷隔、缩孔和高密度夹杂缺陷。
(3)将步骤(2)检验合格的马氏体不锈钢试板进行标准热处理，即首先在氩气气氛下，于温度1070℃±10℃下保温1h，空冷至室温；然后在温度580℃±10℃下保温1h，空冷至室温。
(4)将步骤(3)热处理后的马氏体不锈钢试板氩气保护气氛下，采用钨极氩弧焊将试板与所述试板化学成分相同且直径为1.6mm焊丝焊接，其焊接工艺参数为：采用直流正接电源，钨极尺寸Φ2.4mm，伸出长度不大于20mm，焊接电流为70A，焊接电压为8V，氩气流量为15L/min，焊接过程采用的背部保护气体(氩气)流量为6L/min。
(5)将步骤(4)焊接后的马氏体不锈钢试板的焊接区域进行检验，首先进行荧光检验，不允许有裂纹和穿透性缺陷；然后进行X射线检验，不允许有裂纹和未熔合等缺陷。
(6)将步骤(5)检验合格后的焊接后的马氏体不锈钢试板进行去应力处理，即在氩气气氛下，于温度500℃下保温时间2h，空冷至室温。
将经过上述操作步骤的焊接试样加工成板状高周疲劳试样，进行室温疲劳性能测试，其室温疲劳强度为159.13MPa，低于未焊接试样的室温疲劳强度177.33MPa，不满足技术条件的要求。
比较例2
比较例2参考实施例1的焊接方法，区别在于：马氏体不锈钢试板及焊丝成分与实施例1不同。其余操作条件均相同。
比较例2的马氏体不锈钢试板及焊丝的成分相同，具体包括按重量百分数计的如下组分：C：0.026％；Si：0.60％；Mn：0.18％；P：0.023％；S：0.018％；Cr：14.4％；Ni：7.2％；Mo：0.31％；Cu：0.08％；V：0.01％；W：0.03％，余量为Fe。
将比较例2得到的焊接试样加工成板状高周疲劳试样，进行室温疲劳性能测试，其室温疲劳强度仅为138.59MPa，低于未焊接试样的室温疲劳强度168.40MPa，不满足技术条件的要求。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.马氏体不锈钢的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用钨极氩弧焊对经热处理的待焊接马氏体不锈钢试样与同成分焊料进行焊接，然后进行去应力处理；
所述焊接的条件包括：采用直流正接电源，焊接电流为80A～120A，焊接电压为10V～20V；
所述去应力处理的条件包括：将所述焊接后的试样在真空或保护气氛下，于450℃～580℃保温处理2h～6h后，空冷至室温；
所述热处理的条件包括：所述待焊接马氏体不锈钢试样在真空或保护气氛下，于1070℃±10℃保温处理0.5h～4h后，空冷至室温；然后在真空或保护气氛下，于580℃±10℃保温处理0.5h～4h后，空冷至室温；
所述马氏体不锈钢试样，包括按重量百分比计的如下组分：C：0.01％～0.06％；Si：0.10％～0.80％；Mn：0.10％～1.00％；P：0.01％～0.035％；S：0.01％～0.025％；Cr：15.5％～17.0％；Ni：4.5％～6.0％；Mo：0.40％～1.00％；其它为Fe及残余元素；所述残余元素的重量百分比控制如下：Cu≤0.50％，V≤0.05％，W≤0.10％，其它元素总和≤0.50％；
采用焊接方法处理后的试样的室温疲劳强度大于或等于所述待焊接马氏体不锈钢试样的室温疲劳强度的85％。
2.根据权利要求1所述的马氏体不锈钢的焊接方法，其特征在于，所述焊接的条件还包括：钨极尺寸为Φ2.2mm～2.6mm，伸出长度不大于20mm，氩气流量为14L/min～16L/min，焊接过程采用的背部保护气体的流量为4L/min～12L/min。
3.根据权利要求1所述的马氏体不锈钢的焊接方法，其特征在于，在所述去应力处理前，对所述焊接后的试样进行检验；所述检验包括荧光检验和X射线检验。
4.根据权利要求1所述的马氏体不锈钢的焊接方法，其特征在于，所述马氏体不锈钢试样的制备包括：将真空感应熔炼得到的马氏体不锈钢合金锭重熔浇注得到所述试样。
5.根据权利要求4所述的马氏体不锈钢的焊接方法，其特征在于，将所述马氏体不锈钢试样进行荧光检验和X射线检验。
6.根据权利要求5所述的马氏体不锈钢的焊接方法，其特征在于，所述真空感应熔炼中：熔炼的温度为1520℃～1600℃，精炼时间为10min～20min，真空度为0.01Pa～0.1Pa，浇注温度为1500℃～1600℃。
7.根据权利要求5所述的马氏体不锈钢的焊接方法，其特征在于，所述重熔浇注的条件包括：将所述合金锭重熔，控制浇注温度为1520℃～1600℃，模壳温度为1000℃±20℃。
8.根据权利要求1所述的马氏体不锈钢的焊接方法，其特征在于，采用所述焊接方法处理后的试样的室温疲劳强度大于或等于所述待焊接马氏体不锈钢试样的室温疲劳强度。
9.权利要求1-8任一项所述的马氏体不锈钢的焊接方法在机匣局部焊接修复处理中的应用。
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