CN104267061A - 一种测定钢板焊接热循环温度曲线的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测定钢板焊接热循环温度曲线的方法及装置，属于材料工程领域。本发明包括试件制备和焊接热循环测定过程，首先使用待测钢板制作楔形板和引弧板；然后将热电偶丝的端部焊在一起，用高温胶水粘贴于楔形板测量面的指定位置；将引弧板和楔形板电焊固定，并按设定的焊接规范参数在焊接面从引弧板开始向楔形板方向进行焊接，同时使用记录仪记录各测量位置温度随时间的变化情况；根据记录仪测定的时间-温度数据，绘制不同焊接热影响区焊接热循环曲线。本发明能够较好地测定钢板焊接热循环曲线，具有测试快捷、费用低廉、试验可靠和数据准确等优点，可以测定多种焊接方法下钢板的实际焊接热循环曲线，具有很大的实用性和推广价值。

Description

一种测定钢板焊接热循环温度曲线的方法及装置

技术领域

本发明公开了一种测定钢板焊接热循环温度曲线的方法及装置，属于材料工程领域，涉及到金属材料的焊接热循环测定方法及装置。

背景技术

焊接是通过连接处的局部熔化或相互扩散，将简单零部件拼接成复杂零件或构件的一种加工手段。焊接过程中，处于电弧热源中心区域的部位将熔化而成为焊缝，而焊接接头中离电弧距离较远的部位，虽然一直为固态，但仍然受到焊接热的影响而形成热影响区，并且不同部位根据离电弧热源中心距离远近而有所不同。焊接接头中，受到焊接热影响的母材均有升温和冷却两个过程，而且升温速率高、冷却速度快，形成一种与普通热处理大不相同的特殊热循环过程，这种特殊热循环过程是通过焊接热循环曲线来进行描述。焊接过程中，焊接热循环直接影响到焊接接头的综合力学性能，所以焊接热循环曲线是制定合理的焊接工艺的关键参考依据。

由于焊接热循环过程具有加热和冷却时间短、峰值温度高等特殊性，目前国内外测定焊接热循环曲线的方法较少：一种是非接触式热像法，另一种是热电偶埋入式测量。但以上两种方法均存在很多问题：非接触式热像法所需测量设备昂贵，同时由于成像速度无法满足焊接热循环的温度变化速率，其测试结果与实际焊接热循环往往有巨大的差别。而传统的热电偶法需要将热电偶深埋于焊接试板的内部，需要进行多次钻孔加工，操作性较差且工作量巨大，并且由于热电偶与试板接合情况无法观察、测试区域测量位置难以控制等缺点，造成测量成功率很低，且试验误差较大，试验过程中使用的热电偶为铂铑合金材质，试验费用昂贵。例如，中国专利申请号200810041083.3公开了“一种激光焊接热循环参数的测试方法及其装置”，在两块焊接试板之间放置一楔形条，与楔形条斜面相对应的焊接试板的端面作为测温面，沿该焊接试板端面均布若干供放置热电偶的通孔，并相应设置热电偶，采用植入热电偶的方法测得焊接热循环过程；在《热加工工艺》》2006年第35卷第7期中采用局部采点对薄板焊接热循环进行测定；在《内蒙古科技大学学报》2009年第28卷第1期中采用热电偶埋入式测定60mm特厚钢板V型坡口焊接热循环。以上文献均采用热电偶埋入式进行焊接热循环的测定，需要在板上钻孔，工作量巨大而且繁琐。

可见，发明一种能够测试快捷、费用低廉、试验可靠和数据准确的焊接热循环曲线测试试验方法，为焊接工艺参数的制定提供科学的依据就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以快速、准确、可靠地测定钢板焊接热循环曲线的方法及装置，为焊接工艺参数的制定提供重要的依据。

本发明测定钢板焊接热循环温度曲线的方法具体包括如下步骤：

步骤（1），试板制备，使用待测钢板制作楔形板和引弧板；所述楔形板具有按一定角度相交的焊接面和测量面，所述引弧板为长方体，引弧板的厚度与楔形板厚度一致；

步骤（2），连接热电偶丝： 

①    将热电偶丝的测量端焊接在一起；

②    使用高温胶水将热电偶丝的测量端黏贴于楔形板的测量面的指定测量位置；

③    将热电偶丝的输出端连接至记录仪；

步骤（3），将引弧板与楔形板进行组装固定：沿引弧板长度方向，将引弧板的顶面与楔形板的焊接面紧密相连地固定在同一水平面上，楔形板的测量面位于焊接面的下方；

步骤（4），焊接热影响区温度测定：按设定的焊接规范参数，在引弧板的顶面和楔形板的焊接面从引弧板开始向楔形板的方向进行焊接，同时使用记录仪记录各测量位置温度随时间的变化情况；

步骤（5），绘制焊接热循环曲线：根据记录仪测定的时间―温度数据，绘制不同焊接热影响区焊接热循环曲线。

本发明步骤（1）中，楔形板角度a为5～45°，楔形板斜边长度l为100～800mm，楔形板高度h≥50mm，楔形板厚度d≥30mm；引弧板长度L≥50mm，引弧板高度H≥50mm，引弧板厚度与楔形板厚度一致。楔形板测量面粗糙度为Ra3.2及以下，楔形板焊接面和引弧板顶面的粗糙度为Ra25及以下。

本发明步骤（2）中，热电偶直径为0.2～0.5mm，用热电偶焊机将热电偶丝的测量端焊在一起，并使用耐1400℃以上高温胶水将热电偶丝测量端牢固粘贴于楔形板的测量面的指定测量位置，测量位置间隔≥0.5mm。

上述测定钢板焊接热循环曲线的方法中重要参数的选用范围及理由如下：

（1）楔形板和引弧板尺寸规格

本发明中，楔形板长度和高度尺寸影响到焊接热影响区热循环测试范围，同时要预留充足的息弧区域，所以楔形板斜边长度l为100～800mm，楔形板高度h（焊接面终点到斜边的距离）≥50mm。较小的楔形板角度有利于试验精度，但是过小楔形板角度造成试板尺寸过大，不利于试验操作，所以楔形板角度a为5～45°。为保证焊接电弧的运动和焊缝金属的流动，焊楔形板厚度d≥30mm。

（2）楔形板和引弧板表面粗糙度

  楔形板测量面的粗糙度影响到热电偶丝和测量面的紧密结合从而影响到温度测量的准确性，所以测量面的表面粗糙度要求为Ra3.2及以下。楔形板和引弧板焊接面的粗糙程度影响到电弧的稳定性，所以其表面粗糙度要求为Ra25及以下。

（3）热电偶直径

    热电偶直径过粗将使温度测量误差增大，但热电偶丝过细往往不利于试验过程的操作，容易出现断丝等现象，热电偶直径选用0.2～0.5mm较为适宜。 

（4）测量间距

    测量间距将影响到测量准确度，测量位置过于密集会影响到测量结果的准确性，所以测量位置间隔≥0.5mm。同时应根据楔形试块的尺寸规格与测试要求布置测试位置，测试位置越紧密，焊接热影响区的热循环曲线越详细。 

本发明同时公开了用于测定钢板焊接热循环曲线的装置，该装置由一楔形板和一引弧板组成，所述楔形板具有按一定角度相交的焊接面和测量面；所述引弧板为长方体，引弧板的厚度与楔形板厚度一致；沿引弧板长度方向，引弧板的顶面与楔形板的焊接面紧密相连地固定在同一水平面上，楔形板的测量面位于焊接面的下方。

本发明具有如下优点：

1、本发明可以快速、准确地测定钢板的焊接热循环曲线，为制定科学合理的焊接工艺提供重要依据。

2、本发明所需实验材料和试验设备较少，费用低廉，试验过程较为简单，试验成功率高，可操作性较强。

3、本发明具有较广的适用性，可以测定GMAW、GTAW、SMAW等焊接方法下钢板的实际焊接热循环曲线。

附图说明

图1 本发明所涉及楔形板结构示意图；

图2 本发明所涉及引弧板结构示意图；

图3 本发明所涉及测量位置示意图；

图4 本发明所涉及楔形板和引弧板组装和焊接方向示意图；

图5本发明一实施例的焊接热影响区曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步的说明。

应用本发明对屈服强度890MPa高强钢Q890进行焊接热循环曲线测定，包括以下步骤：

（1）试板制备，如图4所示，试板由楔形板1和引弧板2组成。使用待测钢板按图1制作楔形板1，焊接面1-1和测量面1-2之间形成的楔形板角度a为15°，焊接面1-1和测量面1-2为长方形。.斜边长度l（即测量面2的长度）为400mm，楔形板厚度d（即焊接面的宽度）为40mm；按图2制作引弧板，引弧板为长方体，其中一面2-1用于焊接，引弧板长度L（即用于焊接一面的长度）为100mm，高度H为100mm，厚度D（即用于焊接一面的宽度）为40mm，与楔形板厚度相等。楔形板测量面粗糙度为Ra3.2，楔形板和引弧板的焊接面粗糙度为Ra12.5。

（2）连接热电偶丝：选用直径为0.3mm热电偶丝进行温度测定，用热电偶焊机将热电偶丝的测量端焊在一起，并使用耐1400℃的高温胶水将热电偶丝测量端牢固分别粘贴于距焊接面垂直距离为0.5mm、1.0mm、1.5mm及2.0mm的测量位置A~D，如图3所示。

（3）组装引弧板和楔形板：按照图4所示将引弧板和楔形板进行无间隙组装，即沿引弧板长度方向，将引弧板的顶面与楔形板的焊接面紧密相连地固定在同一水平面上，楔形板的测量面位于焊接面的下方；并于组装结构两侧进行电焊固定。

（4）焊接热影响区温度测定：使用GMAW焊接方法，从引弧板开始向楔形板的方向进行焊接，引弧板顶面的始端为起弧端，楔形板焊接面的终端为息弧端，焊接工艺参数为：焊接电流270A，焊接电压27V，焊接速度36cm/min，焊前使用火焰喷枪预热60℃。焊接材料选用FK-1000，直径为Φ1.2mm，保护气体选用成分为80%Ar和20%CO₂的混合气体。

（5）绘制焊接热循环曲线：根据记录仪测定的时间―温度数据，绘制不同焊接热影响区焊接热循环曲线。最终获得的焊接热影响区曲线见图5。

由以上可见，实施例很好的测定了Q890高强钢板12kJ/cm的GMAW焊接热循环曲线，测试方法简单快捷，具有很好的应用价值，可以为焊接工艺参数的制定提供可靠的依据。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种测定钢板焊接热循环温度曲线的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤（1），试板制备，使用待测钢板制作楔形板和引弧板；所述楔形板具有按一定角度相交的焊接面和测量面；所述引弧板为长方体，引弧板的厚度与楔形板厚度一致；

步骤（2），连接热电偶丝： 

将热电偶丝的测量端焊接在一起；

使用高温胶水将热电偶丝的测量端黏贴于楔形板的测量面的指定测量位置；

将热电偶丝的输出端连接至记录仪；

步骤（3），将引弧板与楔形板进行组装固定：沿引弧板长度方向，将引弧板的顶面与楔形板的焊接面紧密相连地固定在同一水平面上，楔形板的测量面位于焊接面的下方；

步骤（4），焊接热影响区温度测定：按设定的焊接规范参数，在引弧板的顶面和楔形板的焊接面从引弧板开始向楔形板的方向进行焊接，同时使用记录仪记录各测量位置温度随时间的变化情况；

步骤（5），绘制焊接热循环曲线：根据记录仪测定的时间―温度数据，绘制不同焊接热影响区焊接热循环曲线。

2.根据权利要求1所述的测定钢板焊接热循环曲线的方法，其特征在于：步骤（1）中，楔形板角度a为5～45°，楔形板斜边长度l为100～800mm，楔形板高度h≥50mm，楔形板厚度d≥30mm；引弧板长度L≥50mm，引弧板高度H≥50mm。

3.根据权利要求1所述的测定钢板焊接热循环曲线的方法，其特征在于：楔形板的测量面粗糙度为Ra3.2及以下，楔形板的焊接面和引弧板的顶面粗糙度为Ra25及以下。

4.根据权利要求1所述的测定钢板焊接热循环曲线的方法，其特征在于：热电偶丝直径为0.2～0.5mm。

5.根据权利要求1所述的测定钢板焊接热循环曲线的方法，其特征在于：步骤（2）中，使用耐1400℃以上高温胶水将热电偶丝测量端牢固粘贴于相应的测量位置，测量位置间隔≥0.5mm。

6.根据权利要求1所述的测定钢板焊接热循环曲线的方法，其特征在于：步骤（3）中，在引弧板与楔形板组装结构的两侧进行电焊固定。

7.根据权利要求1所述的测定钢板焊接热循环曲线的方法，其特征在于：步骤（4）中，实际焊接工艺要求进行焊前预热的，使用火焰喷枪于焊接面对试件进行烘烤，预热至预定温度。

8.根据权利要求1所述的测定钢板焊接热循环曲线的方法，其特征在于：步骤（5）中，测量位置距焊接面的垂直距离即该部位离电弧热源中心距离。

9.一种用于测定钢板焊接热循环曲线的装置，其特征在于由一楔形板和一引弧板组成，所述楔形板具有按一定角度相交的焊接面和测量面；所述引弧板为长方体，引弧板的厚度与楔形板厚度一致；沿引弧板长度方向，引弧板的顶面与楔形板的焊接面紧密相连地固定在同一水平面上，楔形板的测量面位于焊接面的下方。

10.如权利要求1所述的用于测定钢板焊接热循环曲线的装置，其特征在于楔形板角度a为5～45°，楔形板斜边长度l为100～800mm，楔形板高度h≥50mm，楔形板厚度d≥30mm；引弧板长度L≥50mm，引弧板高度H≥50mm。