CN102107313B - 一种提高焊接热影响区性能的在线工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高焊接热影响区性能的在线工艺。其技术方案是：在钢材的焊接过程中，随着焊接电弧的前移，在距离焊接电弧20～50mm的焊接接头处开始喷吹压缩气体，喷吹时间为2～10s；随着压缩气体的离开，立即用保温棉将焊接接头包覆，缓冷至室温；上述焊接、喷吹和缓冷工艺均分别连续进行，直至整个焊接接头冷却至室温。其中：压缩气体为空气，压缩气体的压力为0.5～1.0MPa，压缩气体的流量为5～10L/min；焊接接头为手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、钨极氩弧焊的焊接方法所形成的焊接接头中的一种。本发明具有工艺简单、操作方便、不需增设专用设备和成本低的特点，该工艺能减少或消除焊接热影响区裂纹，显著提高焊接热影响区性能。

Description

一种提高焊接热影响区性能的在线工艺
技术领域
本发明属于焊接技术领域。具体涉及一种提高焊接热影响区性能的在线工艺。
背景技术
随着全球经济的快速发展，大型装备和各种重轨的建设突飞猛进，高碳钢、高碳高合金钢的需求量日益增长。高碳高锰钢通过水韧处理能保持奥氏体介稳状态，获得很高的韧性，同时具有很强的加工硬化特点，在受冲击或冷变形时，工件的表面很快变硬，其硬度可达450～500HB；同时深层仍保持原始状态，具有很好的韧性。这种具有“内柔外刚”特性的铸钢得到了广泛的应用，如铁路辙叉、锤式破碎机械的锤头、腭式破碎机齿板、球磨机补板、拖拉机和坦克的履带板等，在大型装备的建设中发挥了重要的作用。
然而，高碳钢和高碳高合金钢在焊接热影响区会产生裂纹，导致焊接热影响区性能恶化是其应用过程中最大的问题。当高碳高合金钢在焊接过程中经受300～900℃的加热范围时，钢中过饱和的碳以碳化物的形式析出，尤其是在500～700℃范围内更为突出，这些碳化物在晶界连续、不连续或呈网状分布时，将诱导形成热裂纹，致使焊接热影响区性能恶化。而且随着受热温度的升高，碳化物析出的速度随之加快；随着受热时间的延长，析出的数量随之增多。同时，高碳钢的导热性能比低碳钢差，含碳量比中碳钢更高，具有淬火硬化倾向，在焊接过程中，热影响区冷却到200～300℃时，容易产生马氏体组织，此外，高碳钢、高碳高合金钢的线膨胀系数大，焊接后收缩量大，导热系数小，温度分布不均匀，将产生较大的焊接应力，为冷裂纹的产生提供了力学因素，从而导致焊接热影响区冷裂纹的产生。
减少高碳钢、高碳高合金钢的焊接热影响区裂纹，提高性能的方法主要是改变焊接工艺：(1)减小焊接线能量，可有限控制焊接热影响区晶粒的粗大，同时可减少碳化物的析出，提高抗热裂纹性能；但反过来，对于控制冷裂纹，又希望线能量不能太小，否则会使热影响区淬硬，焊接应力增大，不利于冷裂纹的控制，即通过控制线能量来减少和控制热裂纹和冷裂纹是相互矛盾的；(2)适当预热，可防止冷裂纹的产生；但是预热温度过高，一方面恶化了劳动条件，另一方面产生附加应力，反而会促使冷裂纹的产生。也就是说，通过采用或改变焊接工艺，只能有限改善焊接热影响区的性能，且不能保证焊接热影响区性能的稳定。
在现有专利中，虽有如“高碳钢与不锈钢的焊接方法”(CN 1788907A)和“高碳钢钢轨与高锰钢辙叉焊接工艺方法”(CN 1442265A)工艺技术，均为有关高碳钢和高碳高合金钢异种钢焊接的工艺方法。
发明内容
本发明旨在解决上述技术问题，目的是提供一种能减少或消除焊接热影响区裂纹、不需增设专用设备、工艺简单、成本低和操作方便的提高焊接热影响区性能的在线工艺。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：在钢材的焊接过程中，随着焊接电弧的前移，在距离焊接电弧20～50mm的焊接接头处，开始喷吹压缩气体，喷吹时间为2～10s；随着压缩气体的离开，立即用保温棉将焊接接头包覆，缓冷至室温；上述焊接、喷吹和缓冷工艺均分别连续进行，直至整个焊接接头冷却至室温。
其中，压缩气体为空气，压缩气体的压力为0.5～1.0MPa，压缩气体的流量为5～10L/min；
上述技术方案中：钢材为高碳钢、高碳高合金钢中的一种；焊接接头为手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、钨极氩弧焊的焊接方法所形成的焊接接头中的一种。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下积极效果：
(1)在钢材的焊接过程中，对着焊接接头直接喷吹压缩气体，缩短焊接热影响区在高温停留时间，一方面减小在1000～1200℃时奥氏体晶粒粗化，另一方面有效减少碳化物在500～700℃的析出，显著提高了焊接热影响区性能；进行保温缓冷至室温，可以明显降低马氏体的含量，减少焊接应力，使淬硬倾向和裂纹敏感性变小，也显著提高焊接热影响区性能；
(2)放宽了焊接工艺条件，可在较大范围的焊接线能量下实施焊接，热影响区仍可获得较好的性能；
(3)操作简单，易于实施，不受场地的限制，可用于任何的制造现场及安装现场；
(4)不需增设专用设备，不增加生产成本。
因此，本发明具有工艺简单、不需增设专用设备、成本低和易于操作的特点。采用本发明的在线工艺，可减小裂纹的产生，减小淬硬倾向和焊接应力，从而提高焊接热影响区性能，几乎适用于所有的金属材料，特别适用于高碳钢、高碳高合金钢的焊接。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对保护范围的限制：
实施例1
一种提高焊接热影响区性能的在线工艺。在钢材的焊接过程中，随着焊接电弧的前移，在距离焊接电弧20～50mm的焊接接头处，开始喷吹压缩气体，喷吹时间为2～10s；随着压缩气体的离开，立即用保温棉将焊接接头包覆，缓冷至室温；上述焊接、喷吹和缓冷工艺连续进行，直至整个焊接接头冷却至室温。
本实施例中，压缩气体为空气，压缩气体的压力为0.5～1.0MPa，压缩气体的流量为5～10L/min；钢材为高碳钢轨钢，焊接接头为手工电弧焊所形成的焊接接头。
经显微组织观察表明：本实施例的热影响区均为均匀细小的珠光体组织，无马氏体产生，热影响区的熔合区及粗晶区珠光体晶粒并无长大。焊接接头经超声波无损探伤后，未发现裂纹。其力学性能试验结果如下：热影响区的冲击值为35、32和30J，高于母材；焊接接头的抗拉强度为557MPa；疲劳循环次数达2×106时，焊接接头无裂纹出现；落锤试验结果表明：经落锤后，焊接接头未开裂。
而未采用本实施例所述在线工艺的试样，经相同的手工电弧焊工艺焊接后，热影响区出现大量微小裂纹，超声波探伤结果为不合格。超声波探伤不合格后，不再进行力学性能的检测。
实施例2
一种提高焊接热影响区性能的在线工艺。其中：钢材为高碳钢轨钢，焊接接头为埋弧焊所形成的焊接接头。具体工艺与实施例1相同。
经显微组织观察表明：本实施例的热影响区为较细小的珠光体组织，无马氏体产生，热影响区的熔合区及粗晶区珠光体晶粒并无长大。焊接接头经超声波无损探伤后，未发现裂纹。其力学性能试验结果如下：热影响区的冲击值为28、30和27J，高于母材；焊接接头的抗拉强度为565MPa；疲劳循环次数达2×106时，焊接接头无裂纹出现；落锤试验结果表明：经落锤后，焊接接头未开裂。
而未采用本实施例所述在线工艺的试样，经相同的埋弧焊工艺焊接后，热影响区出现大量微小裂纹，超声波探伤结果为不合格。超声波探伤不合格后，不再进行力学性能的检测。
实施例3
一种提高焊接热影响区性能的在线工艺，其中：钢材为高碳高锰钢轨钢，焊接接头为气体保护焊所形成的焊接接头。具体工艺与实施例1相同。
经显微组织分析表明：本实施例的热影响区为细小的单一奥氏体组织，无碳化物析出。焊接接头经超声波无损探伤后，未发现裂纹。其力学性能试验结果如下：高碳高锰钢热影响区的冲击值为158、172和166J；焊接接头的抗拉强度为625MPa；疲劳循环次数达2×106时，焊接接头无裂纹出现；落锤试验结果表明：经落锤后，焊接接头未开裂。
而未采用本实施例所述在线工艺的试样，经相同的气体保护焊工艺焊接后，热影响区出现大量微小裂纹，超声波探伤结果为不合格。超声波探伤不合格后，不再进行力学性能的检测。
实施例4
一种提高焊接热影响区性能的在线工艺。其中：钢材为高碳高锰钢轨钢，焊接接头为钨极氩弧焊所形成的焊接接头。具体工艺与实施例1相同。
经显微组织分析表明：本实施例的热影响区为较细小的奥氏体组织，无碳化物析出。焊接接头经超声波无损探伤后，未发现裂纹。其力学性能试验结果如下：高碳高锰钢热影响区的冲击值为183、168和179J；焊接接头的抗拉强度为638MPa；疲劳循环次数达2×106时，焊接接头无裂纹出现；落锤试验结果表明：经落锤后，焊接接头未开裂。
而未采用本实施例所述在线工艺的试样，经相同的钨极氩弧焊工艺焊接后，热影响区出现大量微小裂纹，超声波探伤结果为不合格。超声波探伤不合格后，不再进行力学性能的检测。
本具体实施方式与未采用本实施方式相比，具有如下积极效果：
(1)在钢材的焊接过程中，对着焊接接头直接喷吹压缩气体，缩短高温停留时间，减小奥氏体晶粒粗化程度；在焊接过程中减少碳化物的析出和消除析出的碳化物，显著提高焊接热影响区性能；进行保温缓冷至室温，可以明显降低马氏体的含量，减少焊接应力，使淬硬倾向和裂纹敏感性变小，显著提高焊接热影响区性能；
(2)放宽了焊接工艺条件，可在较大范围的焊接线能量下实施焊接，热影响区仍可获得较好的性能；
(3)操作简单，易于实施，不受场地的限制，可用于任何的制造现场及安装现场；
(4)不需增设专用设备，不增加生产成本。
因此，本发明具有工艺简单、不需增设专用设备、成本低和易于操作的特点。采用本发明的在线工艺，可以明显减少焊接热影响区的裂纹，特别适用于高碳钢、高碳高合金钢的焊接。

Claims (2)

1.一种提高焊接热影响区性能的在线工艺，其特征是在钢材的焊接过程中，随着焊接电弧的前移，在距离焊接电弧20~50mm的焊接接头处，开始喷吹压缩气体，喷吹时间为2~10s；随着压缩气体的离开，立即用保温棉将焊接接头包覆，缓冷至室温；上述焊接、喷吹和缓冷工艺均分别连续进行，直至整个焊接接头冷却至室温；
上述技术方案中：压缩气体为空气，压缩气体的压力为0.5~1.0MPa，压缩气体的流量为5~10L/min；钢材为高碳钢、高碳高合金钢中的一种。
2.根据权利要求1所述的提高焊接热影响区性能的在线工艺，其特征在于所述的焊接接头为手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、钨极氩弧焊的焊接方法所形成的焊接接头中的一种。
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