CN102620676A - 直缝埋弧焊管焊接热循环参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直缝埋弧焊管焊接热循环参数测量方法。包括以下步骤：焊缝及热影响区尺寸测量；测温试板设计及加工；热电偶选型及焊接；测温系统连接；测温试板定位；焊接热过程测温；测温数据处理；测温点与热循环曲线复核。本发明对提高直缝埋弧焊管质量具有重要的意义，能够获得真实准确的焊接热循环曲线，为焊接工艺参数的制定和优化提供重要的依据。

Description

直缝埋弧焊管焊接热循环参数测量方法

技术领域

本发明涉及一种焊接热循环参数测量方法，特别涉及一种直缝埋弧焊管焊接热循环参数测量方法。

背景技术

焊接作为一种先进的材料连接方法，具有经济、灵活、高效、连续牢固、持久等特点，广泛的应用于船舶、机车、车辆、桥梁、锅炉等工业产品，以及能源工程、海洋工程、航空航天工程、石油化工工程等领域。在当今的工业社会，没有哪一种连接技术能像焊接那样被如此广泛、如此普遍的应用在各个领域。

熔化焊接时，被焊金属在热源的作用下将发生加热和局部熔化的过程。因此，在被焊金属中必然存在着热量的传播和分布问题，通常称之为焊接热过程。也就是焊接时接头金属所经历的加热熔化和随后的连续冷却过程，而焊接热输入量决定了这一过程的加热速度、高温停留时间和冷却速度，从而影响焊接接头金属的组织转变过程，最终影响焊接接头性能。

焊接过程中临近焊缝的母材受焊接热过程的作用而发生组织和性能的变化，这一区域称为焊接热影响区，热影响区是一个具有组织梯度和性能梯度的非均匀性连续体。与母材相比其塑性和韧性下降显著，这是由于该区处在焊缝和母材的过渡部位，不仅具有明显的物理化学不均匀性，而且在焊趾和焊根处出现咬边和裂纹等集合不均匀性造成的应力集中，因而焊接热影响区是整个焊接接头中的一个薄弱环节。国内外对氩弧焊、气保焊、激光焊等明弧焊接方法的焊接温度场测量技术如红外测温、红外热成像等进行了大量的研究，取得了大量的研究成果并在生产实际中得到广泛的应用。但是埋弧焊的热循环参数测量技术研究却很少见，尤其埋弧焊焊接热输入量大，焊接加热和冷却对焊接热影响区组织和性能的影响很大，因此埋弧焊热影响区的热循环参数测量越来越受到重视。

焊接热影响区是一个小范围的局部区域，埋弧焊一般只有几个毫米。埋弧焊由于焊缝及其热影响区上面覆盖较厚的焊剂层，上述的红外测温、红外热成像等测温技术很不适用，因此要准确的测定埋弧焊热影响区热循环参数并不是一件容易的事。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直缝埋弧焊管焊接热循环参数测量方法，解决埋弧焊热循环参数的测量难题。

使用该方法可以精确地测得埋弧焊或其他焊接方法的焊缝热影响区各分区热循环参数，可以结合焊接CCT曲线进行组织的预测，可以为焊接工艺参数的制定和优化、焊缝及热影响区组织性能改善提供重要的依据，可以为焊接温度场数值模拟计算及其相关金相组织、残余应力、力学性能等预测提供实测参考数据，对于提高直缝埋弧焊管焊缝质量具有非常重要的意义。

本发明提供的直缝埋弧焊管焊接热循环参数测量方法，包括以下步骤：

第1、焊缝及热影响区尺寸测量：从之前已经焊接完成的、与待测温焊管同规格、同化学成分的焊管上截取焊接接头试块，用锯床将其加工成金相试样尺寸，然后在金相磨样机、抛光机上磨制，经4％硝酸酒精腐蚀后在体式显微镜下拍摄焊接接头宏观照片，应用金相宏观尺寸测量软件测量一组同规格金相样的焊缝熔深，最后求得该批金相样的焊缝熔深平均值H；

第2、测温试板设计及加工：根据第1步测量的焊缝熔深的平均值H，设计如附图3、4、5所示的测温试板；为尽量减小测温试板总面积和总体积对其边界散热条件的影响，测温试板的长度、宽度应适当加大，其宽度应大于等于350mm，长度应大于等于500mm；测温试板的材料应使用与待测温焊管相同钢级、相同壁厚、相同或相近化学成分的钢板；在测温试板焊缝位置的背面设计一组等间距并存在等深度差的测温孔，深度不同的测温孔使焊接热影响区的各个分区都有测温点；沿测温试板正面纵向中心线加工与焊管尺寸一致的V型焊接坡口；测温试板与钢管管端焊接的一端加工有单边V型对接坡口，使测温试板与钢管对接焊接牢固、接头平滑，避免对测温产生影响；

第3、热电偶选型及焊接：选择铂铑-铂型热电偶，利用热电偶焊接机将热电偶正负极结球后，再用热电偶焊接机将热电偶结球点焊接到第2步加工好的测温试板测温孔的底平面上；采用钎焊将热电偶与热电偶补偿线连接起来；

第4、测温系统连接：将第3步焊接好的多路热电偶补偿线另一端与多路测温仪输入端连接，这样就构成了多路热电偶测温系统；

第5、测温试板定位：把焊好热电偶的测温试板焊接到待测温焊管的引弧板或熄弧板位置，并确保测温试板的焊缝中心和钢管焊缝中心完全对正；

第6、焊接热过程测温：用正常生产的焊接工艺规范进行焊管及测温试板的焊接，待焊缝温度降低到室温附近时，关闭测温仪停止测温并将整块测温试板从焊管上切下；

第7、测温数据处理：多路测温仪自动记录整个焊接过程热循环数据，数据处理软件处理生成多路热循环曲线；

第8、测温点与热循环曲线复核：从测温试板上取下热电偶丝，用锯床沿试板背面该组测温孔的中轴线进行切割，并将包含各测温孔截面的试块加工成金相试样，在光学显微镜下对测温点进行观察，精确确定各个测温点在焊缝及热影响区所处的位置，与各点热循环曲线分别对应后，即可获得焊缝热影响区不同位置处的热循环曲线。

本发明具有以下优点：

根据焊缝及热影响区分布特点，设计了背面打孔布置热电偶的测温方案。在一定焊接规范下，焊缝熔深基本保持不变，设计中将其假设成常数，沿焊缝中心线向下，焊缝熔深处即为熔合线，向下依此是熔合区、过热区、相变重结晶区、不完全重结晶区、时效脆化区、母材。在焊缝背面沿其中心线加工一组深度呈一定梯度的测温孔，分别可以到达焊缝及热影响区的各个分区。将若干个测温热电偶一端分别焊接到各个测温孔的底平面上，另一端连接到多路温度测试仪输入端，直接记录每个测温点的连续测温数据，并可以用excel表格或者时间-温度热循环曲线图的形式输出测温结果(如表2、附图4所示)，利用热循环曲线可以分别得出升温速度、峰值温度、冷却速度、高温停留时间等重要焊接热循环参数。可以为焊接工艺参数的制定和优化、焊缝及热影响区组织性能改善提供重要的依据。

附图说明

图1为本发明直缝埋弧焊管焊接热循环参数测量方法的工艺流程图；

图2为直缝埋弧焊管焊缝宏观照片；

图3为本发明焊接热循环测温试板示意图；

图4为图3中的A-A截面剖视图；

图5为图3中的B-B截面剖视图；

图6为焊接热影响区某点测温点的热循环曲线。

以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

具体实施方式

实施例

1、对壁厚为18.4mm的直缝埋弧焊管焊缝进行取样，为了减少测量造成的误差，要尽可能多的取样，焊管上取下的试样要在锯床上切除掉试块受火焰切割影响的部分，加工好的试样经磨样机磨制后，再经抛光机抛光，然后在金相显微镜下拍下如附件图2所示的焊接接头低倍宏观照片。在金相尺寸测量软件里测量焊接接头熔深H，最后求得所测H的平均值为11.4mm。

2、从同一批壁厚为18.4mm钢板上截取宽度350mm、长度600mm的钢板，并将该钢板加工成如附图3、4、5所示的测温试板。沿测温试板正面纵向中心线I(即焊缝中心线，亦即图3中的A-A截面位置)加工与焊管尺寸一致的V型焊接坡口II；测温试板与钢管管端焊接的一端加工有单边V型对接坡口III(见图4)，使测温试板与钢管对接焊接牢固、接头平滑，避免对测温产生影响；根据第1步测量的焊缝熔深的平均值，在测温试板背面(正对V型焊接坡口位置)设计出一组等间距并存在等深度差的测温孔IV，使焊接热影响区的各个分区都有测温点。其中6号孔的孔底深度正好和统计出来的平均熔深11.4mm位置V重合，5、4、3、2、1号孔的深度依此比前一个孔浅0.5mm，考虑到熔深存在一定的波动性，焊缝熔深统计数据中有部分熔深小于11.4mm如10.7mm、11.2mm，为了尽量测到焊缝熔合线和粗晶区的热循环曲线，减小熔深波动对热循环测量的影响，在6号孔后面增加了7、8号孔，7号孔比6号孔加深0.5mm，8号孔比7号孔加深0.5mm。

3、用储能焊机把铂铑-铂热电偶结球后点焊到加工好的测温试板测温孔的底平面上；采用钎焊将热电偶与热电偶补偿线连接起来。

4、将焊接好的多路热电偶补偿线另一端与多路测温仪输入端连接，就构成了多路热电偶测温系统。

5、把焊好热电偶的测温试板焊接到待测温焊管的引弧板或熄弧板位置，并确保测温试板的焊缝中心和钢管焊缝中心完全对正。

6、用正常生产的焊接工艺规范进行焊管及测温试板的焊接，待焊缝温度降低到室温附近时，关闭测温仪停止测温并将整块测温试板从焊管上切下。

7、多路测温仪自动记录整个焊接过程热循环数据，数据处理软件处理生成多路热循环曲线。

8、从测温试板上取下热电偶丝，用锯床沿试板背面该组测温孔的中轴线进行切割，并将各测温孔截面加工成金相试样，在光学显微镜下对测温点进行观察，精确确定各个测温点在焊缝及热影响区所处的位置，与各点热循环曲线分别对应后，即可获得焊缝热影响区不同位置处的热循环曲线。

表1为18.4mm壁厚钢板多丝埋弧焊测温试板各测温点的热循环参数峰值温度。由表1可知，随着热电偶测温点与焊缝的距离减小，其最高温度值逐渐增大，直到接近焊缝金属熔合区的温度；由表2可以看出，随着焊接热源的移动，热电偶测温点处的升温速度很快，但是降温速度较慢。

表1焊接热影响区热循环峰值温度测量结果

表2某点时间-温度数据表(℃)

时间	3s	4s	5s	6s	7s	8s	9s	10s	11s	12s	13s
												温度	33.3	138.2	726.7	1198.7	1028.2	953.1	932.2	905.2	889.5	884.0	874.8
时间	14s	15s	16s	17s	18s	19s	20s	21s	22s	23s	24s
												温度	869.9	857.7	853.0	841.9	835.4	826.8	813.7	806.9	794.5	782.5	770.3
时间	25s	26s	27s	28s	29s	30s	31s	32s	33s	34s	35s
												温度	764.6	759.3	743.1	737.8	728.4	723.7	709.2	704.9	701.0	692.0	683.7

本发明具有以下优点：

1)测温系统轻巧便捷，便于移动，可以实时记录焊接温度场测温数据；

2)每个测温点的测温结果以excel表格(如表2：由于篇幅有限只截取一部分数据)或者时间-温度热循环曲线图的形式输出(如附件图4)，便于得到各项焊接热循环参数；

3)测温试板焊接到焊管的引熄弧板位置，不会影响焊管的焊接质量；

4)测温完成后，切下测温试板，从测温孔处剖开，能使测温曲线和测温点所处的热影响区分区精确对应。

上述的对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易的对该实施例做出各种修改，并把在此说明的技术流程应用到气保焊、氩弧焊、摩擦焊、激光焊等其他焊接方法测温实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于在这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种直缝埋弧焊管焊接热循环参数测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

第1、焊缝及热影响区尺寸测量；

第2、测温试板设计及加工；

第3、热电偶选型及焊接；

第4、测温系统连接；

第5、测温试板定位；

第6、焊接热过程测温；

第7、测温数据处理；

第8、测温点与热循环曲线复核。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法的具体测量步骤是：

第1、焊缝及热影响区尺寸测量：从之前已经焊接完成的、与待测温焊管同规格、同化学成分的焊管上截取焊接接头试块，用锯床将其加工成金相试样尺寸，然后在金相磨样机、抛光机上磨制，经4％硝酸酒精腐蚀后在体式显微镜下拍摄焊接接头宏观照片，应用金相宏观尺寸测量软件测量一组同规格金相样的焊缝熔深，最后求得该批金相样的焊缝熔深平均值H；

第2、测温试板设计及加工：根据第1步测量的焊缝熔深的平均值H，设计焊缝背面位置打孔利用热电偶测温的测温试板；为尽量减小测温试板总面积和总体积对其边界散热条件的影响，测温试板的长度、宽度应适当加大，其宽度应大于等于350mm，长度应大于等于500mm；测温试板的材料应使用与待测温焊管相同钢级、相同壁厚、相同或相近化学成分的钢板；在测温试板焊缝位置的背面设计一组等间距并存在等深度差的测温孔，深度不同的测温孔使焊接热影响区的各个分区都有测温点；沿测温试板正面纵向中心线加工与焊管尺寸一致的V型焊接坡口；测温试板与钢管管端焊接的一端加工有单边V型对接坡口，使测温试板与钢管对接焊接牢固、接头平滑，避免对测温产生影响；

第3、热电偶选型及焊接：选择铂铑-铂型热电偶，利用热电偶焊接机将热电偶正负极结球后，再用热电偶焊接机将热电偶结球点焊接到第2步加工好的测温试板测温孔的底平面上；采用钎焊将热电偶与热电偶补偿线连接起来；

第4、测温系统连接：将第3步焊接好的多路热电偶补偿线另一端与多路测温仪输入端连接，这样就构成了多路热电偶测温系统；

第5、测温试板定位：把焊好热电偶的测温试板焊接到待测温焊管的引弧板或熄弧板位置，并确保测温试板的焊缝中心和钢管焊缝中心完全对正；

第6、焊接热过程测温：用正常生产的焊接工艺规范进行焊管及测温试板的焊接，待焊缝温度降低到室温附近时，关闭测温仪停止测温并将整块测温试板从焊管上切下；

第7、测温数据处理：多路测温仪自动记录整个焊接过程热循环数据，数据处理软件处理生成多路热循环曲线；

第8、测温点与热循环曲线复核：从测温试板上取下热电偶丝，用锯床沿试板背面该组测温孔的中轴线进行切割，并将包含各测温孔截面的试块加工成金相试样，在光学显微镜下对测温点进行观察，精确确定各个测温点在焊缝及热影响区所处的位置，与各点热循环曲线分别对应后，即可获得焊缝热影响区不同位置处的热循环曲线。

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