一种铸造高温合金与马氏体不锈钢摩擦焊接方法与流程

本发明属于异种材料固态连接领域，涉及一种铸造高温合金与马氏体不锈钢摩擦焊接方法。

背景技术：

铸造高温合金是在高温及氧化腐蚀环境中长期稳定工作的金属结构材料，在航空工业上最重要的用途是制造航空发动机涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘等零件。马氏体不锈钢具有很高的热强性，不仅中温瞬时强度高，而且中温持久性、抗蠕变性、抗应力腐蚀及冷热疲劳性能良好，适合制造压气机叶片、压气机盘、涡轮轴等零件。采用螺栓、榫齿等机械结构连接这两种材料增加了结构的复杂性和加工成本，同时增加了构件重量和应力集中；采用传统焊接方法工艺控制不当，易产生裂纹、未溶合、未焊透等缺陷，且接头力学性能差。

连续驱动摩擦焊是一种优质、高效、再现性好的固态焊接方法，能够避免产生气孔、夹渣等缺陷，焊件尺寸精度高、成本低，焊接速度快，生产效率高。但是，目前尚无适用于铸造高温合金与马氏体不锈钢的异种材料连续驱动摩擦焊接方法，研究开发这两种材料的连接技术在航空、航天、舰船、交通等领域具有重要的实用价值和广阔前景。

专利cn106624339提供一种高温合金和42crmo钢的摩擦焊接方法，焊前需要加工凸台作为焊接接触面，焊后还需进行回火处理，增加了工件的加工难度和工艺的复杂性，且42crmo钢属于调质钢主要用于汽车发动机，马氏体不锈钢与其相比含有较多的cr、al、mo等固溶强化元素，这些元素会增加合金的裂纹敏感性，易造成焊接裂纹、组织偏析、脆性相析出等缺陷，因此焊接性更差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种铸造高温合金与马氏体不锈钢摩擦焊接方法，解决现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种铸造高温合金与马氏体不锈钢摩擦焊接方法，将铸造高温合金与马氏体不锈钢棒材分别夹持于摩擦焊机的移动夹具和旋转夹具上，旋转下，在低压力下进行第一级摩擦焊接，然后在高压力下进行第二级摩擦焊接，最后进行顶锻。

本发明进一步的改进在于，旋转的转速为1500r/min。

本发明进一步的改进在于，第一级摩擦焊接的条件为：摩擦压力为1-2mpa，摩擦时间为6-8s。

本发明进一步的改进在于，第二级摩擦焊接的条件为：摩擦压力为8.5-9.5mpa，摩擦时间为20-24s。

本发明进一步的改进在于，铸造高温合金与马氏体不锈钢棒材为两支壁厚为10-20mm管件。

本发明进一步的改进在于，铸造高温合金为1cr12ni2wmovnb不锈钢或1cr11ni2w2mov不锈钢。

本发明进一步的改进在于，马氏体不锈钢为k405高温合金、k417高温合金或k423高温合金。

本发明进一步的改进在于，顶锻的条件为：施加10-15mpa压力，保持60s。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明工艺简单，可操作性强，无需增加特殊设备或添加过渡层金属，就可以实施焊接。第一级摩擦焊具有预清洗作用，破坏焊接面上氧化膜，使内部纯净金属暴露出来，同时摩擦产生的热量能够使焊接面温度升高并产生塑性变形层。此外顶锻过程能够使焊接接头得到进一步锻造，形成组织致密、力学性能良好的焊接接头。采用本发明方法焊接后，焊缝处经荧光检验未发现裂纹、气孔等缺陷，焊缝质量良好。本发明焊接后的接头抗拉强度σb为828～866mpa。

附图说明

图1为本发明的焊接后的实物图。

图2为本发明焊接后的x光检验图。

具体实施方式

下面对本发明进行详细描述。

铸造高温合金是航空发动机涡轮盘主要材料，马氏体不锈钢是涡轮轴主要材料，本发明实际提供的是一种航空发动机涡轮盘与涡轮轴摩擦焊接方法。航空发动机中尽管涡轮盘与涡轮轴规格型号有很多但是壁厚主要集中在10-20mm，因此本发明的焊接母材为两支壁厚为10-20mm管件。其他壁厚相同材料的管件也适合摩擦焊接，但是转速、摩擦压力、摩擦时间等参数均需根据壁厚变化而调整。

本发明提供一种铸造高温合金与马氏体不锈钢异种材料连续驱动摩擦焊接方法，填补了行业空白，焊接母材为两支壁厚为10-20mm的管件，工艺步骤为：

步骤一：焊前使用丙酮或酒精清洗待焊件，确保表面无油污、油漆、外来杂物等污染物质。

步骤二：将铸造高温合金与马氏体不锈钢棒材分别夹持于摩擦焊机的移动夹具和旋转夹具上。

步骤三：以转速1500r/min，摩擦压力1-2mpa，摩擦时间6-8s进行第一级摩擦焊接。

步骤四：步骤三结束后以摩擦压力8.5-9.5mpa，摩擦时间20-24s进行第二级摩擦焊接。

步骤五：步骤四结束后在立即刹车并施加10-15mpa顶锻压力，保持60s。

步骤六：清除焊接件内外圆飞边。

下面为具体实施例。

实施例1

焊接母材是壁厚10-15mm的1cr12ni2wmovnb不锈钢和k405高温合金管件，具体步骤为：

步骤一：焊前使用丙酮或酒精清洗待焊件，确保表面无油污、油漆、外来杂物等污染物质。

步骤二：将铸造高温合金与马氏体不锈钢棒材分别夹持于摩擦焊机的移动夹具和旋转夹具上。

步骤三：以转速1500r/min，摩擦压力1mpa，摩擦时间6s进行第一级摩擦焊接。

步骤四：步骤三结束后以摩擦压力8.5mpa，摩擦时间20s进行第二级摩擦焊接。

步骤五：步骤四结束后在立即刹车并施加10mpa顶锻压力，保持60s。

步骤六：清除焊接件内外圆飞边。

经荧光检验，焊缝区域未发现裂纹、气孔等缺陷，接头抗拉强度σb为861mpa。

实施例2

焊接母材是壁厚10-15mm的1cr12ni2wmovnb不锈钢和k417高温合金管件，焊接方法与实施例1的区别在于：

步骤四：步骤三结束后以摩擦压力8.7mpa，摩擦时间21s进行第二级摩擦焊接。

步骤五：步骤四结束后在立即刹车并施加12mpa顶锻压力，保持60s。

经荧光检验，焊缝区域未发现裂纹、气孔等缺陷，接头抗拉强度σb为853mpa。

实施例3

焊接母材是壁厚10-15mm的1cr12ni2wmovnb不锈钢和k423高温合金管件，焊接方法与实施例1的区别在于：

步骤三：以转速1500r/min，摩擦压力1mpa，摩擦时间7s进行第一级摩擦焊接。

步骤四：步骤三结束后以摩擦压力9.0mpa，摩擦时间22s进行第二级摩擦焊接。

步骤五：步骤四结束后在立即刹车并施加12mpa顶锻压力，保持60s。

经荧光检验，焊缝区域未发现裂纹、气孔等缺陷，接头抗拉强度σb为866mpa。

实施例4

焊接母材是壁厚15-20mm的1cr11ni2w2mov不锈钢和k405高温合金管件，焊接方法与实施例1的区别在于：

步骤三：以转速1500r/min，摩擦压力2mpa，摩擦时间7s进行第一级摩擦焊接。

步骤四：步骤三结束后以摩擦压力9.2mpa，摩擦时间23s进行第二级摩擦焊接。

步骤五：步骤四结束后在立即刹车并施加14mpa顶锻压力，保持60s。

经荧光检验，焊缝区域未发现裂纹、气孔等缺陷，接头抗拉强度σb为828mpa。

实施例5

焊接母材是壁厚15-20mm的1cr11ni2w2mov不锈钢和k417高温合金管件，焊接方法与实施例1的区别在于：

步骤三：以转速1500r/min，摩擦压力2mpa，摩擦时间8s进行第一级摩擦焊接。

步骤四：步骤三结束后以摩擦压力9.4mpa，摩擦时间24s进行第二级摩擦焊接。

步骤五：步骤四结束后在立即刹车并施加14mpa顶锻压力，保持60s。

经荧光检验，焊缝区域未发现裂纹、气孔等缺陷，接头抗拉强度σb为837mpa。

实施例6

焊接母材是壁厚15-20mm的1cr11ni2w2mov不锈钢和k423高温合金管件，焊接方法与实施例1的区别在于：

步骤三：以转速1500r/min，摩擦压力2mpa，摩擦时间8s进行第一级摩擦焊接。

步骤四：步骤三结束后以摩擦压力9.5mpa，摩擦时间24s进行第二级摩擦焊接。

步骤五：步骤四结束后在立即刹车并施加15mpa顶锻压力，保持60s。

经荧光检验，焊缝区域未发现裂纹、气孔等缺陷，接头抗拉强度σb为842mpa。

图1为本发明的焊接后的实物图，图2为本发明焊接后的x光检验图，从图1和图2中可以看出，采用本发明焊接后焊缝质量好，x光检验无裂纹、气孔等缺陷。本发明中焊前只是对待焊件进行清洗，焊前减少打磨工序可以大大提高工作效率。打磨时间短效率高。同时第一级摩擦焊起到了破坏焊接面上氧化膜，使内部纯净金属暴露出来，产生的热量也能够使焊接面温度升高并产生塑性变形层。这也是本专利能够解决铸造高温合金和马氏体不锈钢焊接难题的原因。