鈷基合金與奧氏體不銹鋼真空電子束焊接性能研究①

黃朝輝 朱清 楊順 劉明

(四川華都核設(shè)備制造有限公司 四川都江堰 611833)

鈷基合金是一種能耐各種磨損緩和腐蝕以及抗高溫氧化的硬質(zhì)合金，鈷基合金是鈷作為主要成分，添加相當(dāng)數(shù)量的鎳、鉻、鎢等其他合金元素。鈷基合金一般是具有穩(wěn)定的面心立方結(jié)構(gòu)的Co-Cr合金固溶體，組織為單一的Υ奧氏體相。鈷基耐磨合金以其優(yōu)異的抗氧化耐腐蝕、使用溫度高、持久抗疲勞強(qiáng)度性能好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用在航空、航天、核工業(yè)等行業(yè)[1]。奧氏體不銹鋼耐腐蝕的合金，組織Fe-C合金固溶體，組織為Υ奧氏體相[2]。相比較鈷基合金，奧氏體不銹鋼具有良好的沖擊韌性。公司承接某項(xiàng)目需要將奧氏體不銹鋼與鈷基合金進(jìn)行焊接，奧氏體不銹鋼作為零件基體，與零件配合運(yùn)動(dòng)摩擦位置需要焊接鈷基合金，這樣即保證零件基體的沖擊韌性，同時(shí)又兼顧零件的耐磨性。

電子束焊是利用定向高速運(yùn)動(dòng)的電子束流撞擊工件使動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能而使工件熔化，形成焊縫。電子束焊接能焊接不同的金屬及合金材料,尤其高難熔金屬都能焊接（如銅與不銹鋼、鋼與硬質(zhì)合金、鉻與鉬、銅鉻與銅鎢等），精度和重復(fù)性好，最高的深寬比大于30:1，最大的穿透深度可達(dá)300mm，熔深大、焊速快，熱影響區(qū)極小，焊縫化學(xué)成份純凈, 焊接接頭強(qiáng)度高、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。電子束焊接廣泛用于汽車、航空、航天、核工業(yè)等行業(yè)，現(xiàn)已發(fā)展到石油、化工、機(jī)械、儀表儀器、精密加工等領(lǐng)域。

真空電子束焊接鈦合金、鋯合金、銅與不銹鋼、鋼與硬質(zhì)合金、鉻與鉬等應(yīng)用較為成熟，但是采用電子束焊接鈷基合金與奧氏體不銹鋼異種接頭的報(bào)道和研究較少，本文對(duì)鈷基合金與奧氏體不銹鋼異種鋼真空電子束焊接接頭進(jìn)行研究，分析了真空電子束焊接鈷基合金與奧氏體不銹鋼的異種鋼接頭性能[3]。

圖1 接頭鎖底焊示意圖

圖2 垂直焊縫硬度試驗(yàn)檢測位置及硬度變化曲線示意圖

圖4 金相斷面層焊縫位置檢測圖（200×）

1 焊接試件

焊接試驗(yàn)件采用與產(chǎn)品相同的304奧氏體不銹鋼和Stellite-6鈷基合金。304奧氏體不銹鋼為Fe-C合金固溶體，組織為穩(wěn)定的Υ奧氏體相和少量的δ鐵素體。鈷基合金一般是具有穩(wěn)定的面心立方結(jié)構(gòu)的Co-Cr合金固溶體，組織為單一的Υ奧氏體相。兩種材料的組織均為奧氏體組織，相熔性較高。

兩種材料的化學(xué)成分見表1。

1.1 設(shè)備

真空電子束焊接設(shè)備采用THDW-15C高壓型真空電子束設(shè)備。設(shè)備的最大功率為30kW，可調(diào)節(jié)范圍不小于0～150kV，電子束流0.1～20 0mA，真空室內(nèi)尺寸800mm×800mm×1000mm，電子槍真空度5×10-3Pa焊接室真空度5×10-2Pa，電子束焊機(jī)采用PLC+CNC作為總控制機(jī)，能實(shí)現(xiàn)各種形狀的焊縫焊接。

1.2 試驗(yàn)工作流程

本次焊接試驗(yàn)的流程為：試件準(zhǔn)備→清洗→裝配→焊接→無損檢測→破壞性試驗(yàn)和晶間腐蝕試驗(yàn)。

圖3 平行焊縫硬度試驗(yàn)檢測及硬度變化曲線示意圖

1.3 試件準(zhǔn)備

試件的加工與產(chǎn)品的加工方式一致，采用機(jī)械加工的方式進(jìn)行，焊接接頭采用I型對(duì)接，接頭采用鎖底形式，接頭的示意如圖1所示。

采用鎖底焊縫可以有效的將釘尖缺陷引到鎖底位置，焊接完成后按工藝加工去除鎖底，保留平行位置焊縫即可。

1.4 清洗

試件的清潔度是影響真空電子束焊質(zhì)量的關(guān)鍵，焊前應(yīng)仔細(xì)清理焊接坡口位置的油污、氧化物和水銹等雜質(zhì)，保證坡口的清潔度。為保證工件的坡口的清潔質(zhì)量，首先采用添加了除油劑的清潔水超聲波清洗工件，然后采用40℃～60℃的清潔水清洗工件，再使用丙酮脫水，最后烘干工件，并且清潔完畢后工件需要在4h內(nèi)進(jìn)行焊接。按此工序徹底清潔工件表面的油污、氧化物和水等雜質(zhì)。

1.5 裝配焊接

電子束焊接時(shí)工件裝配的間隙直接影響焊接質(zhì)量，焊接電子束斑點(diǎn)尺寸小，裝配間隙過大，液態(tài)金屬熔池不能完全填滿坡口，造成局部熔合不良、未熔合、長空洞（冷隔）、氣孔等缺陷。

裝配工件時(shí)，采用工裝固定奧氏體不銹鋼和鈷基合金，調(diào)整母材位置，坡口相對(duì)緊密貼合。仔細(xì)控制母材兩側(cè)的錯(cuò)邊量≤0.2mm，坡口間隙≤0.1mm。

鈷基合金與奧氏體不銹鋼組織均為奧氏體組織，均不導(dǎo)磁，對(duì)帶電粒子無影響，所以焊接前工件不用進(jìn)行退磁處理。

1.6 焊接過程

電子束焊接選擇合適的工藝參數(shù)是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。電子束加速電壓、焊接束流、焊接速度、束流振蕩、聚焦電流、焊接速度等參數(shù)的匹配是保證焊縫質(zhì)量的基礎(chǔ)。

奧氏體不銹鋼與鈷基合金焊接屬于異種材料的焊接，兩種材料的物理特性、熔化溫度、熱傳導(dǎo)系數(shù)等均存在差異，選擇參數(shù)時(shí)考慮兩種材料的焊接性能。根據(jù)分析與試驗(yàn)，選擇的焊接參數(shù)如表2所示。

表1 鈷基合金和奧氏體不銹鋼化學(xué)成分（%）

表2 焊接過程規(guī)范參數(shù)

焊接完成后高溫工件在真空室內(nèi)放置20～30min后取出，并將工件放置在保溫砂中緩冷。

2 焊接接頭性能檢測

焊接完成后進(jìn)行相應(yīng)性能檢驗(yàn)，性能檢驗(yàn)分為無損檢測、破壞性檢測。無損檢測包括外觀檢查、滲透檢測和射線檢測，破壞性檢測包括硬度檢測、金相檢測和晶間腐蝕試驗(yàn)。

2.1 外觀檢查

通過對(duì)焊縫表面的檢查，焊縫表面成型均勻，無明顯差異和稀釋痕跡，焊縫余高3～5mm，一致性較好，無裂紋、氣孔、焊瘤、咬邊等缺陷。

2.2 無損檢測

通過對(duì)焊縫的滲透檢測和射線檢測，整條焊縫表面和內(nèi)部未見氣孔、裂紋、夾渣、空洞等缺陷，焊縫質(zhì)量較好，符合NB/T47013-2015《承壓設(shè)備無損檢測》I級(jí)焊縫的要求。

2.3 硬度檢測

硬度試驗(yàn)方法按RCC-M MC1283的規(guī)定進(jìn)行，硬度測量在5kgf（49N）下進(jìn)行。在垂直于焊縫表層的直線上進(jìn)行硬度變化曲線的測量評(píng)價(jià)堆焊層的稀釋率，在平行于焊縫表層的直線上進(jìn)行硬度變化曲線的測量評(píng)價(jià)堆焊層的均質(zhì)性。

硬度試驗(yàn)的檢測位置及變化示意如圖2、3所示。

通過檢測，電子束焊縫與兩側(cè)熔合位置稀釋少，焊縫的一致性好，熱影響區(qū)相比較其他焊接方法細(xì)小。

2.4 金相檢測

焊接接頭沿焊縫方向切取5件試樣進(jìn)行金相檢測。

宏觀檢測焊接接頭無裂紋、未焊透、氣孔、夾渣，焊縫與兩側(cè)母材熔合良好，無未熔合、空洞（冷隔）、氣孔、夾渣等缺陷；焊縫組織結(jié)合緊密，無氣孔、裂紋、未融合等缺陷。

微觀金相檢測電子束焊縫未見微裂紋、夾渣等缺陷，焊縫組織致密，焊縫上部、中部和下部組織分布均勻，未見影響試件性能的顯微裂紋和沉淀物。金相斷面層焊縫位置檢測圖如圖4所示。

2.5 晶間腐蝕

采用GB/T4334-2008《金屬和合金的腐蝕》E法對(duì)焊縫接頭進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，腐蝕試件24h，通過腐蝕后對(duì)金相組織對(duì)比，腐蝕前后無明顯差異，焊縫及兩側(cè)熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)任何裂紋存在，未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕傾向，滿足腐蝕要求。

3 結(jié)語

通過采用真空電子束焊接設(shè)備對(duì)鈷基合金與奧氏體不銹鋼焊接，摸索出成型良好的工藝參數(shù)。鈷基合金與奧氏體不銹鋼的真空電子束焊采用高電壓、低束流、慢速度的焊接工藝能焊接出滿意的焊縫質(zhì)量，并且在焊接異種鋼時(shí)考慮鈷基合金與奧氏體不銹鋼的特性，合理的選擇工藝參數(shù)。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鈷基合金與奧氏體不銹鋼電子束焊縫與兩側(cè)母材熔合良好，機(jī)械性能（硬度、金相、晶間腐蝕等）優(yōu)異。

本文初步分析并總結(jié)了鈷基合金與奧氏體不銹鋼異種鋼的真空電子束焊，試驗(yàn)驗(yàn)證了鈷基合金與奧氏體不銹鋼的接頭性能，為后續(xù)進(jìn)一步的探索奠定了基礎(chǔ)。