CN102689123A

CN102689123A - 一种碾压头及利用该碾压头实现再纳米化焊接的方法

Info

Publication number: CN102689123A
Application number: CN2012101964772A
Authority: CN
Inventors: 杨建国; 方坤; 宋奎晶; 方洪渊; 刘雪松; 董志波; 王涛; 赵德龙
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2032-06-14
Also published as: CN102689123B

Abstract

一种碾压头及利用该碾压头实现再纳米化焊接的方法，它涉及一种高温随焊冲击碾压辅助再纳米化焊接装置及方法，以解决现有再纳米化焊接工艺处理时间长、能量损耗大的问题。碾压头：前冲击圆杆的下端面与压轮的下方母线在同一水平线上，前冲击圆杆的下端面与前冲击圆杆的圆周面之间具有冲击圆杆弧形过渡面，两个压轮之间的距离与前冲击圆杆的下端面的直径相等。方法：一、将工件装夹在焊接平台上；二、确定对应的奥氏体转变温度Ac₁；三、根据焊接工艺参数测定对应的焊接温度场；四、确定冲击碾压温度、冲击碾压力及经过动态再结晶之后的奥氏体平均晶粒大小d_DRX五、焊接；六、保温，时间为t＝t₀×d_DRX/d₀。本发明用于焊接。

Description

一种碾压头及利用该碾压头实现再纳米化焊接的方法

技术领域

本发明涉及一种随焊冲击碾压头及随焊冲击碾压焊接方法，具体说涉及一种高温随焊冲击碾压辅助再纳米化焊接装置及方法，属于高强钢焊接领域。

背景技术

纳米贝氏体钢是目前存在的拥有最高强度级别的新一代钢种，其极限拉伸强度可达2.5GPa，屈服强度达1.7GPa，硬度为600～700HV，断裂韧性为30～40MPam^1/2，延伸率达30％左右。这种钢的含碳量在0.78％左右，并且含有一定含量的硅元素以抑制碳化物的析出，是在稍高于马氏体转变温度等温转变数天而获得，微观组织为无碳化物析出的纳米片状贝氏体和残留的固溶大量碳元素的纳米片状奥氏体。由于碳当量很高，这种钢的焊接性极差，焊接接头的性能与母材相比严重恶化，其常规焊焊缝和热影响区组织极易转变为硬脆的马氏体组织，从而引发冷裂纹的产生。

再纳米化焊接工艺能够实现纳米贝氏体钢的优质焊接，再纳米化焊接工艺的基本原理为：借鉴通过在贝氏体相变温度区间保温可以使成分均匀的奥氏体转变为纳米贝氏体的方法，在焊接冷却过程中控制焊接冷却历程，使经过焊接高温熔化和奥氏体化的组织，在快速冷却到贝氏体相变温度区间时对其进行保温处理，最终转变成为与母材组织一致的纳米贝氏体组织。由于纳米贝氏体组织是目前存在的最高强度级别的组织，这种方法能够使焊接接头的组织经焊接热过程之后依然保持纳米贝氏体组织，从而获得高性能的焊接接头；虽然再纳米化焊接方法能够有效的解决纳米贝氏体钢的焊接问题，但是这种方法的问题是处理时间长，能量损耗大，工业化应用困难。目前的研究结果表明奥氏体晶粒越细小，纳米贝氏体相变时间越短，相变时间与奥氏体晶粒大小成正比，而且随焊冲击碾压方法能够在焊接过程中细化奥氏体晶粒。然而在焊缝整形过程中使用的碾压头的结构为前后两个碾压轮，前轮使焊趾处圆滑过渡，后轮调整余高高度，这种经前后两个碾压轮压过后的冲击碾压作用优化了接头形状，却不能有效的细化奥氏体晶粒。

发明内容

本发明的目的是为解决现有再纳米化焊接工艺处理时间长、能量损耗大，而使用现有的碾压头不能细化奥氏体晶粒，加速再纳米化过程的问题，提供一种碾压头及利用该碾压头实现再纳米化焊接的方法。

本发明的技术方案一是：碾压头包括连接头、支撑件、前冲击圆杆、后碾压轮、轮轴和两个立板，所述后碾压轮由中间套筒和两个压轮组成，两个压轮对称设置在中间套筒的两端，每个压轮内侧端面与压轮圆周面之间设有圆弧过渡面，所述后碾压轮安装在轮轴上，所述轮轴的两端分别与两个立板连接，两个立板的上端均与支撑件的下端固定连接，前冲击圆杆设置在后碾压轮的前面，且前冲击圆杆的上端与支撑件的下端固定连接，前冲击圆杆的下端面与压轮的下方母线在同一水平线上，所述连接头安装在支撑件的上端面上，前冲击圆杆的下端面与前冲击圆杆的圆周面之间具有冲击圆杆弧形过渡面，所述两个压轮之间的距离与前冲击圆杆的下端面的直径相等。

本发明的技术方案二是：再纳米化焊接的方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、将工件装夹在焊接平台上，碾压头安装在随焊冲击碾压装置的下面，随焊冲击碾压装置位于焊枪的后面，再纳米化焊接装置设置在焊缝两侧，焊枪和随焊冲击碾压装置固定不动且位于焊缝中心线上，再纳米化焊接装置随着工件移动，工件随着焊接平台移动；

步骤二、根据被焊纳米贝氏体钢的焊接CCT图，确定对应的奥氏体转变温度Ac₁；

步骤三、根据焊接工艺参数测定对应的焊接温度场，确定其准稳定温度场下焊缝中心线上电弧中心峰值温度点0与熔池后方奥氏体转变温度Ac₁点之间的距离为L，后碾压轮距焊枪的距离为L，前冲击圆杆的下端面与工件表面的距离为5mm；

步骤四、确定冲击碾压参数：冲击碾压温度为Ac₁～Ac₁+200，冲击碾压力为0.01MPa～0.5MPa，采用金属平均晶粒度测定方法确定经过动态再结晶之后的奥氏体平均晶粒大小d_DRX；

步骤五、焊接开始后，当工件移动到碾压头的下方时，随焊冲击碾压装置向下移动至前冲击圆杆与工件接触，同时施加高速冲击碾压力使焊缝和热影响区金属发生塑性变形，直到工件离开冲击碾压装置；

步骤六、利用再纳米化焊接装置对焊缝进行保温，其保温时间为t＝t₀×d_DRX/d₀，之后工件在空气中冷却至室温，焊接结束；其中d₀为纳米贝氏体钢母材的奥氏体平均晶粒大小，t₀为普通再纳米化焊接过程所需时间。

本发明具有以下优点：

一、由于本发明将前冲击圆杆3的下端面与后碾压轮4下方的母线设计为同一水平线，且两个压轮4-2之间的距离W与前冲击圆杆3的下端面的直径D相等，使得被前冲击圆杆3挤压到两侧的金属能够被后碾压轮4挤压回去，从而增大了焊缝和热影响区的塑性变形量，经前冲击圆杆3碾压后再经后碾压轮4轮压，使得焊接组织得到了晶粒细化，保证了焊缝成形良好。本发明不仅实现了纳米贝氏体钢的优质焊接，极大地减少了再纳米化方法的时间，减少了再纳米化工艺需要炉中保温的工序，提高了生产效率，降低了生产成本；而且在冲击碾压过程中焊缝和热影响区金属发生大量塑性变形，进一步消除了气孔、缩孔等焊接缺陷，提高了焊接接头质量。二、本发明具有使用方便、成本低、工作稳定可靠、操作简易等特点。

附图说明

图1是本发明的碾压头的整体结构图；图2是图1的右视图；图3是后碾压轮4的结构示意图；图4是利用碾压头对工件9进行高温随焊冲击碾压辅助再纳米化焊接的工艺原理图；图5是常规焊温度场图(图中10表示Ac₁等温线，11表示焊缝中心线)。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式的碾压头包括连接头1、支撑件2、前冲击圆杆3、后碾压轮4、轮轴5和两个立板6，所述后碾压轮4由中间套筒4-1和两个压轮4-2组成，两个压轮4-2对称设置在中间套筒4-1的两端，每个压轮4-2内侧端面与压轮4-2圆周面之间设有圆弧过渡面4-3，所述后碾压轮4安装在轮轴5上，轮轴5的两端分别与两个立板6连接，两个立板6的上端均与支撑件2的下端固定连接，前冲击圆杆3设置在后碾压轮4的前面，且前冲击圆杆3的上端与支撑件2的下端固定连接，前冲击圆杆3的下端面与压轮4-2的下方母线在同一水平线上，所述连接头1安装在支撑件2的上端面上，前冲击圆杆3的下端面与前冲击圆杆3的圆周面之间具有冲击圆杆弧形过渡面3-1，弧形过渡面3-1是为提高前冲击圆杆3的冲击力，增大焊缝发生塑性变形量，同时防止工件8移动过程导致卡死，两个压轮4-2之间的距离W与前冲击圆杆3的下端面的直径D相等。两个压轮4-2之间的距离W与前冲击圆杆3的下端面的直径D相等是为了使被前冲击圆杆3挤压到两侧的金属能够被后碾压轮4挤压回去，即增大了焊缝和热影响区的塑性变形量，又保证了焊缝成形良好。

具体实施方式二、结合图3说明本实施方式，本实施方式的每个压轮4-2的圆周面至中间套筒4-1的圆周面之间的高度H为2mm～3mm。如此设置，使被前冲击圆杆3挤压到两侧的金属能够被后碾压轮4挤压回去，即增大了焊缝和热影响区的塑性变形量，又保证了焊缝成形良好。其它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1～图3说明本实施方式，本实施方式的前冲击圆杆3和后碾压轮4均由Gr15材料制成。Gr15具有较高的强度。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图4说明本实施方式，本实施方式的再纳米化焊接的方法具体步骤为：

步骤一、将工件8装夹在焊接平台13上，碾压头安装在随焊冲击碾压装置9的下面，随焊冲击碾压装置9位于焊枪7的后面，再纳米化焊接装置15设置在焊缝两侧，焊枪7和随焊冲击碾压装置9固定不动且位于焊缝中心线上，再纳米化焊接装置15随着工件8移动，工件8随着焊接平台13移动；

本实施方式中的随焊冲击碾压装置9为现有技术，其已在发明名称为“电磁感应加热辅助随焊冲击碾压焊缝整形装置”的专利申请中公开，该专利申请的申请人为哈尔滨工业大学，申请号为号201010255136，申请日为2010年8月17日。

本实施方式中的再纳米化焊接装置15为现有技术，其已在发明名称为“纳米贝氏体钢的再纳米化焊接装置及方法”的专利申请中公开，该专利申请的申请人为哈尔滨工业大学，申请号为号2012100960577，申请日为2012年4月5日。

步骤二、根据被焊纳米贝氏体钢的焊接CCT图(焊接连续冷却转变图)，确定对应的奥氏体转变温度Ac₁；

步骤三、根据焊接工艺参数测定对应的焊接温度场，确定其准稳定温度场下焊缝中心线上电弧中心峰值温度点0与熔池后方奥氏体转变温度Ac₁点之间的距离为L，见图5，后碾压轮4距焊枪7的距离为L，前冲击圆杆3的下端面与工件8表面的距离为5mm；

步骤四、确定冲击碾压参数：冲击碾压温度为Ac₁～Ac₁+200，冲击碾压力为0.01MPa～0.5MPa，采用金属平均晶粒度测定方法确定经过动态再结晶之后的奥氏体平均晶粒大小d_DRX，金属平均晶粒度测定方法为GB/T 6394-2002规定的方法；

步骤五、焊接开始后，当工件8移动到碾压头的下方时，随焊冲击碾压装置9向下移动至前冲击圆杆3与工件2接触，同时施加高速冲击碾压力使焊缝和热影响区金属发生塑性变形，直到工件8离开冲击碾压装置9；

步骤六、利用再纳米化焊接装置15对焊缝进行保温，其保温时间为t＝t₀×d_DRX/d₀，之后工件8在空气中冷却至室温，焊接结束；其中d₀为纳米贝氏体钢母材的奥氏体平均晶粒大小，t₀为普通再纳米化焊接过程所需时间。

具体实施方式五：本实施方式的步骤四中的冲击碾压温度为Ac₁+100。其它步骤与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式的步骤四中的冲击碾压力为0.02MPa。其它步骤与具体实施方式四或五相同。

具体实施方式七：本实施方式的步骤四中的冲击碾压力为0.03MPa。其它步骤与具体实施方式四或五相同。

本发明的原理为：再纳米化的过程是过冷奥氏体转变为贝氏体的相变过程，奥氏体晶粒越细小，相变时间越短，相变时间与奥氏体晶粒大小成正比。在焊接电弧的热作用下，焊缝金属经历加热和冷却两个过程，在冷却过程中，焊缝金属在离熔池中心一定距离处仍处于较高的温度，冲击碾压装置作用处的焊缝和热影响区金属具有高的温度时该区域的金属屈服强度降低，塑性变形能力较好。随焊冲击碾压力作用在该区域，并使焊缝和热影响区金属发生大的塑性变形，在较高的温度下焊缝和热影响区金属随后进行动态再结晶，从而细化了该区域奥氏体的晶粒，进而减小再纳米化的时间。动态再结晶细化晶粒的效果与金属应变速率和变形温度有关，应变速率越大、变形温度越低，奥氏体晶粒细化效果越好，其中冲击碾压力决定应变速率，冲击碾压装置9作用处的工件温度决定变形温度。

Claims

1.一种碾压头，其特征在于：所述碾压头包括连接头(1)、支撑件(2)、前冲击圆杆(3)、后碾压轮(4)、轮轴(5)和两个立板(6)，所述后碾压轮(4)由中间套筒(4-1)和两个压轮(4-2)组成，两个压轮(4-2)对称设置在中间套筒(4-1)的两端，每个压轮(4-2)内侧端面与压轮(4-2)圆周面之间设有圆弧过渡面(4-3)，所述后碾压轮(4)安装在轮轴(5)上，所述轮轴(5)的两端分别与两个立板(6)连接，两个立板(6)的上端均与支撑件(2)的下端固定连接，前冲击圆杆(3)设置在后碾压轮(4)的前面，且前冲击圆杆(3)的上端与支撑件(2)的下端固定连接，前冲击圆杆(3)的下端面与压轮(4-2)的下方母线在同一水平线上，所述连接头(1)安装在支撑件(2)的上端面上，前冲击圆杆(3)的下端面与前冲击圆杆(3)的圆周面之间具有冲击圆杆弧形过渡面(3-1)，所述两个压轮(4-2)之间的距离(W)与前冲击圆杆(3)的下端面的直径(D)相等。

2.根据权利要求1所述一种碾压头，其特征在于：所述每个压轮(4-2)的圆周面至中间套筒(4-1)的圆周面之间的高度(H)为2mm～3mm。

3.根据权利要求1所述一种碾压头，其特征在于：所述前冲击圆杆(3)和后碾压轮(4)均由Gr15材料制成。

4.一种利用权利要求1、2或3所述碾压头实现再纳米化焊接的方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、将工件(8)装夹在焊接平台(13)上，碾压头安装在随焊冲击碾压装置(9)的下面，随焊冲击碾压装置(9)位于焊枪(7)的后面，再纳米化焊接装置(15)设置在焊缝两侧，焊枪(7)和随焊冲击碾压装置(9)固定不动且位于焊缝中心线上，再纳米化焊接装置(15)随着工件(8)移动，工件(8)随着焊接平台(13)移动；

步骤三、根据焊接工艺参数测定对应的焊接温度场，确定其准稳定温度场下焊缝中心线上电弧中心峰值温度点0与熔池后方奥氏体转变温度Ac₁点之间的距离为L，后碾压轮(4)距焊枪(7)的距离为L，前冲击圆杆(3)的下端面与工件(8)表面的距离为5mm；

步骤五、焊接开始后，当工件(8)移动到碾压头的下方时，随焊冲击碾压装置(9)向下移动至前冲击圆杆(3)与工件(2)接触，同时施加高速冲击碾压力使焊缝和热影响区金属发生塑性变形，直到工件(8)离开冲击碾压装置(9)；

步骤六、利用再纳米化焊接装置(15)对焊缝进行保温，其保温时间为t＝t₀×d_DRX/d₀，之后工件(8)在空气中冷却至室温，焊接结束；其中d₀为纳米贝氏体钢母材的奥氏体平均晶粒大小，t₀为普通再纳米化焊接过程所需时间。

5.根据权利要求4所述再纳米化焊接的方法，其特征在于：步骤四中的冲击碾压温度为Ac₁+100。

6.根据权利要求4或5所述再纳米化焊接的方法，其特征在于：步骤四中的冲击碾压力为0.02MPa。

7.根据权利要求4或5所述再纳米化焊接的方法，其特征在于：步骤四中的冲击碾压力为0.03MPa。