CN101786213A - 基于电磁感应加热在焊接过程实现控制冷裂纹产生的方法 - Google Patents

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Abstract

基于电磁感应加热在焊接过程实现控制冷裂纹产生的方法，它涉及在焊接过程实现控制冷裂纹产生的方法。本发明的目的是为了解决现有焊接过程中为防止产生冷裂纹使用的焊前预热方法导致焊缝及热影响区晶粒变粗，金属韧性下降和焊后热处理方法中火焰功率不易控制、易发生表面过烧和改变焊缝表面状态且增加焊接生产工序的问题。查找特定的焊接材料对应的焊接连续冷却转变曲线、测定待焊工件、表面焊接温度场、确定感应加热工艺参数、焊接工装和实施焊接直至焊接结束。本发明用于焊接。

Description

基于电磁感应加热在焊接过程实现控制冷裂纹产生的方法
技术领域
本发明涉及一种焊接过程实现控制冷裂纹产生的方法。
背景技术
焊接冷裂纹是焊接过程中存在的普遍问题，特别是对厚板和高强度级别的钢材，其焊接结构在焊接制造加工过程中，冷裂问题非常突出，这直接影响到结构的生产效率和安全性能。在实际生产过程中，为了防止其产生冷裂纹，目前经常采用焊前预热方法、焊后热处理方法或者是二者皆用。焊前预热的方法可以在焊接时减少由于温差过大而产生的焊接应力、可减缓冷却速度，加速氢的扩散逸出,降低过热区组织的硬度，但是为了达到理想的效果有些时候预热温度会要求很高，不仅使焊缝及热影响区晶粒变粗，金属韧性下降，更使劳动环境变得苛刻。焊后热处理方法可降低焊接热影响区的硬度和脆性，提高塑性；并使接头中的氢加速向外扩散，但焊后热处理周期较长，而且焊前预热和焊后热处理增加了焊接生产工序，降低了生产效率，提高了成本。焊后热处理方法常用的火焰后热处理方法是使用火焰对焊接接头的表面进行加热，通过热传导实现焊接接头的缓冷，该方法中火焰功率不易控制、且要使焊缝内部达到理想温度，焊缝表面的温度就会很高，容易发生表面过烧和改变焊缝表面状态的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有焊接过程中为防止产生冷裂纹使用的焊前预热方法导致焊缝及热影响区晶粒变粗，金属韧性下降和焊后热处理方法中火焰功率不易控制、易发生表面过烧和改变焊缝表面状态且增加焊接生产工序的问题，提出了基于电磁感应加热在焊接过程实现控制冷裂纹产生的方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：所述方法由以下步骤实现：步骤一：查找选定的焊接材料对应的焊接连续冷却转变曲线；确定奥氏体转变温度Ac1、马氏体转变温度Ms、形成100%马氏体的最长时间t1和形成0%马氏体的最短时间t2；
步骤二：确定待焊工件的焊接部位的温度场；在待焊工件中选定一个工件为试验件，在所述试验件上实施焊接，焊接工艺与正常焊接一致，确定试验件准稳定温度场下焊缝中心线上电弧中心与熔池后方奥氏体转变温度Ac1点之间距离为L1，焊缝中心线上电弧中心与熔池后方马氏体转变温度Ms的点之间的距离为L2；
步骤三：确定感应加热工艺参数：感应加热频率f和感应加热线圈的长度L；涡流的理论透入深度δ即通过步骤二测得的熔深和热影响区宽度之和为：δ=，式中ρ为材料电阻率，其单位为：Ω·m；μ为导磁率，其单位为：H/m；f为感应加热频率，其单位为：Hz，由此计算出感应加热频率f；根据焊接速度V1和形成0%马氏体的最短时间t2确定感应加热线圈的长度L=V1·t2；
步骤四：焊接工装；待焊工件通过卡具装在焊接工作平台上，焊枪位于始焊位置，感应加热线圈位于焊缝正上方且位于焊枪后方，在待焊工件上测量出所述步骤二中测定的数据L1和L2，将感应加热线圈设在L1和L2之间，感应加热线圈距待焊工件表面垂直高度为0.8-1.2mm；
步骤五：打开循环冷却水箱对感应加热设备和感应加热线圈进行冷却，接通感应加热设备、单片机、计算机、线圈变位机构、第一温度传感器和第二温度传感器的电源，开始焊接，待焊工件相对于焊枪和感应加热线圈运动，当第一温度传感器监测到焊缝温度冷却到Ms点时，单片机发出指令使感应加热设备开始工作，线圈变位机构微调感应加热线圈位置，当第一温度传感器监测到的焊缝温度在奥氏体转变温度Ac1以下100度的温度信号时，当第二温度传感器监测电磁感应线圈后面焊缝和热影响区的温度信号时，分别将第一温度传感器和第二温度传感器监测的温度信号反馈给单片机，单片机发出指令通过线圈变位机构调整感应加热线圈与待焊工件之间的距离及感应加热设备的加热功率，焊接结束之后感应加热设备继续工作，直至感应加热设备1完全离开焊接区，当第二温度传感器监测的电磁感应线圈后方温度低于Ms点以下50度的温度信号时，将第二温度传感器监测的温度信号反馈给单片机，单片机发出指令使感应加热设备停止工作。
本发明具有以下有益效果：1.本发明无需使用焊前预热方法和焊后热处理方法，通过线圈感应加热的方式控制焊接热循环过程的冷却曲线，使焊接冷却曲线尽可能的绕过被焊材料的马氏体生成区间，减少淬硬组织，增加焊缝及热影响区的韧性；同时由于焊缝及热影响区金属在马氏体相变温度以上停留时间被延长，其内部的残余扩散氢也能比常规焊接更能充分溢出。二者共同作用降低焊缝及热影响区的冷裂倾向；2.本发明能够精确控制热输入，对不同材料能精确控制温度场和加热范围，使焊缝均匀加热，且涡流加热可以通过改变频率调节加热深度，使焊缝在厚度方向上受热均匀，从而改善并获得均匀焊缝组织；3.高效的控制焊接冷裂纹，减少焊接生产工序，极大的提高焊接生产效率。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；图2是焊缝与线圈相对位置示意图；图3是平面感应线圈示意图；图4是随焊后热与常规焊接温度曲线对比图，其中Ⅰ为随焊加热温度曲线、Ⅱ为常规焊温度曲线；图5是常规焊温度场图，其中P区域为熔池，Q区域为焊道。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式的方法由以下步骤实现：步骤一：查找选定的焊接材料对应的焊接连续冷却转变曲线；确定奥氏体转变温度Ac1、马氏体转变温度Ms、形成100%马氏体的最长时间t1和形成0%马氏体的最短时间t2；
步骤二：确定待焊工件的焊接部位的温度场；在待焊工件中选定一个工件为试验件，在所述试验件上实施焊接，焊接工艺与正常焊接一致，确定试验件准稳定温度场下焊缝中心线上电弧中心与熔池后方奥氏体转变温度Ac1点之间距离为L1，焊缝中心线上电弧中心与熔池后方马氏体转变温度Ms的点之间的距离为L2；
步骤三：确定感应加热工艺参数：感应加热频率f和感应加热线圈7的长度L；涡流的理论透入深度δ即通过步骤二测得的熔深和热影响区宽度之和为：δ=
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，式中ρ为材料电阻率，其单位为：Ω·m；μ为导磁率，其单位为：H/m；f为感应加热频率，其单位为：Hz，由此计算出感应加热频率f；根据焊接速度V1和形成0%马氏体的最短时间t2确定感应加热线圈7的长度L=V1·t2；
步骤四：焊接工装；待焊工件9通过卡具装在焊接工作平台上，焊枪6位于始焊位置，感应加热线圈7位于焊缝正上方且位于焊枪6后方，在待焊工件9上测量出所述步骤二中测定的数据L1和L2，将感应加热线圈7设在L1和L2之间，感应加热线圈7距待焊工件9表面垂直高度为0.8-1.2mm；
步骤五：打开循环冷却水箱2对感应加热设备1和感应加热线圈7进行冷却，接通感应加热设备1、单片机3、计算机4、线圈变位机构5、第一温度传感器8-1和第二温度传感器8-2的电源，开始焊接，待焊工件9相对于焊枪6和感应加热线圈7运动，当第一温度传感器8-1监测到焊缝温度冷却到Ms点时，单片机3发出指令使感应加热设备1开始工作，线圈变位机构5微调感应加热线圈7位置，当第一温度传感器8-1监测到的焊缝温度在奥氏体转变温度Ac1以下100度的温度信号时，当第二温度传感器8-2监测电磁感应线圈7后面焊缝和热影响区的温度信号时，分别将第一温度传感器8-1和第二温度传感器8-2监测的温度信号反馈给单片机3，单片机3发出指令通过线圈变位机构5调整感应加热线圈7与待焊工件9之间的距离及感应加热设备1的加热功率，焊接结束之后感应加热设备1继续工作，直至感应加热设备1完全离开焊接区，当第二温度传感器8-2监测的电磁感应线圈7后方温度低于Ms点以下50度的温度信号时，将第二温度传感器8-2监测的温度信号反馈给单片机3，单片机3发出指令使感应加热设备1停止工作。本发明在焊缝及热影响区没有形成淬硬组织，在焊缝及热影响区形成淬硬组织之前就开始保温，保证其具有足够的相变时间，改善焊缝组织，提高焊缝组织韧性，提高焊缝的抗裂性。避免了常规热处理保证氢扩散溢出需要的大量的时间；随焊电磁感应加热为局部短时间加热，工作环境舒适，无需大型加热设备。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式的电磁感应线圈7的特征尺寸为长度、宽度和纵向管间距，长度为步骤三中的L=V1·t2，宽度为覆盖焊缝及热影响区，纵向管间距为19-21mm。其他组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式的电磁感应线圈7由紫铜材料制成。其他组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

Claims (3)

1.基于电磁感应加热在焊接过程实现控制冷裂纹产生的方法，其特征在于所述方法由以下步骤实现：
步骤一：查找选定的焊接材料对应的焊接连续冷却转变曲线；确定奥氏体转变温度Ac1、马氏体转变温度Ms、形成100%马氏体的最长时间t1和形成0%马氏体的最短时间t2；
步骤二：确定待焊工件的焊接部位的温度场；在待焊工件中选定一个工件为试验件，在所述试验件上实施焊接，焊接工艺与正常焊接一致，确定试验件准稳定温度场下焊缝中心线上电弧中心与熔池后方奥氏体转变温度Ac1点之间距离为L1，焊缝中心线上电弧中心与熔池后方马氏体转变温度Ms的点之间的距离为L2；
步骤三：确定感应加热工艺参数：感应加热频率f和感应加热线圈7的长度L；涡流的理论透入深度δ即通过步骤二测得的熔深和热影响区宽度之和为：δ=，式中ρ为材料电阻率，其单位为：Ω·m；μ为导磁率，其单位为：H/m；f为感应加热频率，其单位为：Hz，由此计算出感应加热频率f；根据焊接速度V1和形成0%马氏体的最短时间t2确定感应加热线圈7的长度L=V1·t2；
步骤四：焊接工装；待焊工件（9）通过卡具装在焊接工作平台上，焊枪（6）位于始焊位置，感应加热线圈（7）位于焊缝正上方且位于焊枪（6）后方，在待焊工件（9）上测量出所述步骤二中测定的数据L1和L2，将感应加热线圈（7）设在L1和L2之间，感应加热线圈（7）距待焊工件（9）表面垂直高度为0.8-1.2mm；
步骤五：打开循环冷却水箱2对感应加热设备（1）和感应加热线圈（7）进行冷却，接通感应加热设备（1）、单片机（3）、计算机（4）、线圈变位机构（5）、第一温度传感器（8-1）和第二温度传感器（8-2）的电源，开始焊接，待焊工件（9）相对于焊枪（6）和感应加热线圈（7）运动，当第一温度传感器（8-1）监测到焊缝温度冷却到Ms点时，单片机（3）发出指令使感应加热设备（1）开始工作，线圈变位机构（5）微调感应加热线圈（7）位置，当第一温度传感器（8-1）监测到的焊缝温度在奥氏体转变温度Ac1以下100度的温度信号时，当第二温度传感器（8-2）监测电磁感应线圈（7）后面焊缝和热影响区的温度信号时，分别将第一温度传感器（8-1）和第二温度传感器（8-2）监测的温度信号反馈给单片机（3），单片机（3）发出指令通过线圈变位机构（5）调整感应加热线圈（7）与待焊工件（9）之间的距离及感应加热设备（1）的加热功率，焊接结束之后感应加热设备（1）继续工作，直至感应加热设备（1）完全离开焊接区，当第二温度传感器（8-2）监测的电磁感应线圈（7）后方温度低于Ms点以下50度的温度信号时，将第二温度传感器（8-2）监测的温度信号反馈给单片机（3），单片机（3）发出指令使感应加热设备（1）停止工作。
2.根据权利要求1所述基于电磁感应加热在焊接过程实现控制冷裂纹产生的方法，其特征在于所述电磁感应线圈（7）的特征尺寸为长度、宽度和纵向管间距，长度为步骤三中的L=V1·t2，宽度为覆盖焊缝及热影响区，纵向管间距为19-21mm。
3.根据权利要求1所述基于电磁感应加热在焊接过程实现控制冷裂纹产生的方法，其特征在于所述电磁感应线圈（7）由紫铜材料制成。
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