CN105728976B - 超纯铁素体不锈钢均质热影响区材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超纯铁素体不锈钢均质热影响区材料制备方法，包括两部分，第一部分采用红外热像仪测量焊接过程中的温度变化，得出热影响区的温度变化曲线；第二部分采用焊接电源短路加热方法，对超纯铁素体不锈钢材料进行加热；短路加热同时采用红外热像仪测量加热过程中的温度变化，并与焊接时热影响区温度变化相对应，最终制备出均匀热影响区材料。针对超纯铁素体不锈钢焊接热影响区的不均匀性，导致的接头性能下降特点，采用焊接电源短路加热方法制备与超纯铁素体不锈钢热影响区同质材料，此制备方法工艺简单，制备速度快，组织均匀，是一种快速有效的制备热影响区材料制备方法。
Description
技术领域
本发明属于超纯铁素体不锈钢焊接及应用的技术领域，具体为一种短路加热超纯铁素体不锈钢均质热影响区制备方法。
背景技术
近年来，由于镍元素价格的提高，导致奥氏体不锈钢的生产成本逐渐增加；而随着炼钢设备及冶炼技术的发展，综合性能好、成本低廉的铁素体不锈钢已经生产。铁素体不锈钢因其具有热膨胀系数小、热导率低、抗高温氧化性强、耐蚀性能好等优点在暖气设备、太阳能集热管、城市供水管等领域得到了广泛的应用。
超纯铁素体不锈钢无相变产生，在焊接过程中伴随着热影响区的晶粒长大，从而导致焊接接头力学性能的下降，成为焊接接头的薄弱环节；而且由于焊接过程是一个极其不均匀的过程，焊接热影响区的组织极其不均匀且尺寸极小。因此，针对超纯铁素体不锈钢焊接热影响区的研究难以有效进行。
目前，均质铁素体不锈钢热影响区材料的制备，主要通过Gleeble热模拟试验机来实现。但是，该方法需要设备复杂，价格昂贵。
发明内容
本发明的目的是针对超纯铁素体不锈钢焊接热影响区组织不均匀，尺寸过小，不利于对焊接热影响区的性能研究，通过均质焊接热影响区材料的制备，以满足试验研究需要。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种超纯铁素体不锈钢均质热影响区材料制备方法，包括两部分，
第一部分采用红外热像仪测量焊接过程中的温度变化，得出热影响区的温度变化曲线；第二部分采用焊接电源短路加热方法，对超纯铁素体不锈钢材料进行加热；短路加热同时采用红外热像仪测量加热过程中的温度变化，并与焊接时热影响区温度变化相对应，最终制备出均匀热影响区材料。
具体步骤如下：
、焊接过程中热影响区的温度变化曲线测量
（1）、预处理超纯铁素体不锈钢焊接试板
对两块，尺寸、规格一样的超纯铁素体不锈钢焊接试板开坡口，单面坡口角度为30°；
用乙醇对两块超纯铁素体不锈钢焊接试板进行擦洗，使焊接部位洁净。
（2）、对超纯铁素体不锈钢焊接试板进行钨极氩弧焊，采用氩气保护并添加奥氏体不锈钢焊丝完成；同时对焊接过程中焊接热影响区的热循环曲线进行记录；
A、将两块尺寸、规格一样的超纯铁素体不锈钢焊接试板水平放置于焊接工作台上，并将被焊部位进行点固；
B、将红外热像仪对准超纯铁素体不锈钢焊接试板被焊区域，红外热像仪与水平方向夹角呈45°；
C、安装奥氏体不锈钢焊丝，使焊丝尖端处于坡口中心处；
D、启动焊接装置，调节焊接电压和电流，电弧作用于焊接试板和焊丝；调节焊接速度；正面焊接完成后，将焊接接头冷却至室温；
F、焊接同时启动红外热像仪对焊接过程热影响区的热循环曲线进行记录；
G、将已经完成正面焊接的不锈钢钢板反面朝上，采用相同的焊接工艺参数进行焊接，完成反面焊接，焊接后冷却至室温；
H、关闭钨极氩弧焊焊机电源，停止焊接，关闭红外热像仪，取出被焊不锈钢板；
I、从红外热像仪提取并记录焊接热影响区的热循环曲线。
、超纯铁素体不锈钢均质焊接热影响区的制备
a、固定超纯铁素体不锈钢加热试板
将被加热的超纯铁素体不锈钢加热试板两端加持在固定装置的固定卡具上，使加热试板水平固定；
b、安装焊接电源加热设备，将钨极氩弧焊机的正负极分别夹持在加热试板的两侧；
c、安装调试红外热像仪，镜头正对加热试板；
d、启动焊接电源，调节通电时间和加热电流，同时启动红外热像仪对加热过程热影响区的热循环曲线进行记录；使得加热过程热循环曲线与步骤中焊接过程热影响区焊接热循环曲线吻合良好；
e、关闭钨极氩弧焊机电源，停止加热；关闭红外热像仪。
f、加热后冷却至室温，拆下焊接卡具，取出被加热的超纯铁素体不锈钢加热试板；
g、砂纸打磨加热试板表面
将加热试板置于平板上，用砂纸打磨正反两面，使表面光洁，使正反面粗糙度达Ra=0.32-0.63μm；
h、乙醇清洗
用乙醇清洗加热试板正反表面，使其洁净；
i、制备出的焊接热影响区材料。
本发明是针对超纯铁素体不锈钢焊接过程中热影响区存在的晶粒长大而导致力学性能下降，但由于热影响区组织、尺寸较小且极其不均匀，对焊接热影响区的研究受限的问题。采用钨极氩弧焊机，在焊接过程中使用红外热像仪对焊接热影响区热循环进行记录，并采用焊接短路电流的方式对不锈钢板进行加热，制备出了与钨极氩弧焊焊接热影响区晶粒尺寸相同的均质材料，此方法工艺先进合理，数据翔实准确，是十分理想的均质热影响区材料制备的方法。
附图说明
图1 表示热焊接热影响区位置示意图。
图2表示短路加热状态正视图。
图3表示短路加热状态侧视图。
图4表示焊接与短路加热过程中热影响区P点的温度变化曲线。
图5表示焊接热影响区微观组织和短路加热后微观组织的对比图。
图中，5-红外热像仪，6-钨极氩弧焊机，7-电源开关，8-加热电流设置器，9 -固定支架，10-固定卡具，11-超纯铁素体不锈钢加热试板（热影响区），12-装置底座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种超纯铁素体不锈钢均质热影响区材料制备方法，分两部分进行：第一部分采用红外热像仪测量焊接过程中的温度变化，得出热影响区的温度变化曲线；第二部分采用焊接电源短路加热方法，对超纯铁素体不锈钢材料进行加热；短路加热同时采用红外热像仪测量加热过程中的温度变化，并与焊接时热影响区温度变化相对应，最终制备出均匀热影响区材料。
、焊接过程中热影响区的温度变化曲线测量
使用的化学物质材料为：超纯铁素体不锈钢板、铁素体不锈钢焊丝、三氯化铁、盐酸、去离子水、氩气、砂纸，其准备用量如下：以毫米、毫升、厘米为计量单位。
铁素体不锈钢板（焊接使用）： TTS443 550mm×10mm×100mm 2块；
铁素体不锈钢板（短路加热）： TTS443 15mm×5mm×0.4mm 1块；
奥氏体不锈钢焊丝：ER309L Φ1.2 mm×400mm；
三氯化铁：FeCl3 5g；
盐酸：HCl 15mL；
去离子水：H2O 15ml；
氩气：Ar 100000cm3±50cm3；
砂纸：SiC 400粒 276mm×0.5 mm×230mm 2张。
具体制备方法如下：
（1）、预处理超纯铁素体不锈钢试板
对两块，尺寸、规格一样的超纯铁素体不锈钢焊接试板开坡口，单面坡口角度为30°。
用乙醇对两块焊接试板进行擦洗，使焊接部位洁净。
（2）、钨极氩弧焊焊接纯铁铁素体不锈钢板，同时采用红外热像仪记录热影响区焊接热循环曲线。
对纯铁铁素体不锈钢钢板进行钨极氩弧焊，采用氩气保护并添加奥氏体不锈钢焊丝完成；同时对焊接过程中焊接热影响区的热循环曲线进行记录；
A、将两块尺寸、规格一样的超纯铁素体不锈钢焊接试板水平放置于焊接工作台上，并将被焊部位进行点固；
B、将红外热像仪5对准超纯铁素体不锈钢焊接试板被焊区域（与焊接方向在同一直线上），红外热像仪与水平方向夹角呈45°；
C、安装奥氏体不锈钢焊丝，使焊丝尖端处于坡口中心处；
D、启动焊接装置，焊接电压18 V，焊接电流165 A，电弧作用于奥氏体不锈钢板和焊丝；焊接速度为7.5 mm/s；正面焊接完成后，将焊接接头冷却至室温；
F、焊接同时启动红外热像仪对焊接过程热影响区的热循环曲线进行记录；
G、将已经完成正面焊接的不锈钢钢板反面朝上，采用相同的焊接工艺参数进行焊接，完成反面焊接，焊接后冷却至室温；
H、关闭钨极氩弧焊焊机电源，停止焊接，关闭红外热像仪，取出被焊不锈钢板；
I、从红外热像仪提取并记录焊接热影响区的热循环曲线。
H、超纯铁素体不锈钢均质焊接热影响区的制备
将超纯铁素体不锈钢加热试板固定在专用夹具上，将钨极氩弧焊机正负极分别夹在超纯铁素体不锈钢薄板试样两端，进行短路加热，并使用红外热像仪对不锈钢板加热过程中的热循环曲线进行记录，在得到与上一步所得焊接热循环曲线吻合良好的热循环曲线基础上，制备焊接热影响区。
如图2、3所示，在装置底座12的上部装有固定支架9，在固定支架9顶端装有固定卡具10；固定卡具10两端分别连接钨极氩弧焊机6正负极；在钨极氩弧焊机上设置电源开关7，加热电流设置器8；红外热像仪器5正对被加热铁素体不锈钢钢板11。
a、固定铁素体不锈钢
将被加热铁素体不锈钢两端加持在固定装的固定卡具上，使铁素体不锈钢水平固定；
b、安装焊接电源加热设备，将焊接电源的正负极分别加持在不锈钢板的两侧；
c、安装调试红外热像仪，镜头正对试样；
d、启动焊接电源，调节通电时间，加热电流；同时启动红外热像仪对加热过程热影响区的热循环曲线进行记录；加热电流为90A，通电时间为5.3秒时，加热过程热循环曲线与焊接过程热影响区焊接热循环曲线吻合良好；
e、关闭钨极氩弧焊机电源，停止加热；关闭红外热像仪；
f、加热后冷却至室温，拆下焊接卡具，取出被加热不锈钢板；
g、砂纸打磨被焊钢板表面
将被焊钢板置于平板上，用砂纸打磨正反两面，使表面光洁，使正反面粗糙度达Ra=0.32-0.63μm；
h、乙醇清洗
用乙醇清洗被焊钢板正反表面，使其洁净；
I、 检测、分析、表征
结论：制备出的焊接热影响区材料组织均匀、尺寸满足了试验研究的要求，与焊接后的铁素体不锈钢板焊接热影响区晶粒尺寸吻合良好，相对误差为4%。
铁素体不锈钢板焊接与红外测温状态，各部位置、连接关系要正确，按量配置，按序操作。
焊接使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以毫米、毫升、厘米为计量单位。
铁素体不锈钢板的钨极氩弧焊是在焊接工作台上进行的，是由钨极氩弧焊机在氩气保护、添加奥氏体不锈钢焊丝的过程中完成的；焊接过程中采用红外热像仪进行温度测量，得到焊接热影响区。
焊接工作台、水平放置铁素体不锈钢板、焊枪、奥氏体不锈钢焊丝、红外热像仪5与焊接方向在同一直线上、启动焊接装置，焊接电压18 V，焊接电流165 A，电弧作用于奥氏体不锈钢板和焊丝；焊接速度为7.5 mm/s。焊接完成后，将焊接接头冷却至室温：焊接同时启动红外热像仪5对焊接过程热影响区的热循环曲线进行记录。
图1 为热焊接接热影响区位置，如图中P点处。
图2和图3为短路加热状态图，各部位置、连接关系要正确，按量配置，按序操作。
焊接使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以毫米、毫升、厘米为计量单位。
在装置底座12上固定支架9，在固定支架9上固定卡具10、固定卡具10两端分别连接钨极氩弧焊机6的正负极、在钨极氩弧焊接机上设置电源开关7、加热电流设置器8，红外热像仪器5正对被加热铁素体不锈钢钢板11。
图4分别为焊接与短路加热过程中热影响区P点的温度变化曲线，从图中可以看出两曲线吻合。
图5a为焊接热影响区微观组织，图5b为短路加热后微观组织，两组织晶粒度同为一级。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。
Claims (2)
1.一种超纯铁素体不锈钢均质热影响区材料制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
说明: D:\cpc\cases\inventions\c8a43b37-9c24-4fac-b6ef-8f42237dc512\others\4ff3920b-7db7-46f2-b6b2-214ebcf8cf55\100001\782822dest_path_image001.jpg、焊接过程中热影响区的温度变化曲线测量
（1）、预处理超纯铁素体不锈钢焊接试板
对两块，尺寸、规格一样的超纯铁素体不锈钢焊接试板开坡口，单面坡口角度为30°；
用乙醇对两块超纯铁素体不锈钢焊接试板进行擦洗，使焊接部位洁净；
（2）、对超纯铁素体不锈钢焊接试板进行钨极氩弧焊，采用氩气保护并添加奥氏体不锈钢焊丝完成；同时对焊接过程中焊接热影响区的热循环曲线进行记录；
A、将两块尺寸、规格一样的超纯铁素体不锈钢焊接试板水平放置于焊接工作台上，并将被焊部位进行点固；
B、将红外热像仪对准超纯铁素体不锈钢焊接试板被焊区域，红外热像仪与水平方向夹角呈45°；
C、安装奥氏体不锈钢焊丝，使焊丝尖端处于坡口中心处；
D、启动焊接装置，调节焊接电压和电流，电弧作用于焊接试板和焊丝；调节焊接速度；正面焊接完成后，将焊接接头冷却至室温；
F、焊接同时启动红外热像仪对焊接过程热影响区的热循环曲线进行记录；
G、将已经完成正面焊接的不锈钢钢板反面朝上，采用相同的焊接工艺参数进行焊接，完成反面焊接，焊接后冷却至室温；
H、关闭钨极氩弧焊焊机电源，停止焊接；关闭红外热像仪，取出被焊不锈钢板；
I、从红外热像仪提取并记录焊接热影响区的热循环曲线；
说明: D:\cpc\cases\inventions\c8a43b37-9c24-4fac-b6ef-8f42237dc512\others\4ff3920b-7db7-46f2-b6b2-214ebcf8cf55\100001\168192dest_path_image002.jpg、超纯铁素体不锈钢均质焊接热影响区的制备
a、固定超纯铁素体不锈钢加热试板
将被加热的超纯铁素体不锈钢加热试板两端加持在固定装置的固定卡具上，使加热试板水平固定；
b、安装焊接电源加热设备，将钨极氩弧焊机的正负极分别夹持在加热试板的两侧；
c、安装调试红外热像仪，镜头正对加热试板；
d、启动焊接电源，调节通电时间和加热电流，同时启动红外热像仪对加热过程热影响
区的热循环曲线进行记录；使得加热过程热循环曲线与步骤说明: D:\cpc\cases\inventions\c8a43b37-9c24-4fac-b6ef-8f42237dc512\others\4ff3920b-7db7-46f2-b6b2-214ebcf8cf55\100001\191512dest_path_image001.jpg中焊接过程热影响区焊接热
循环曲线吻合良好；
e、关闭钨极氩弧焊机电源，停止加热；关闭红外热像仪；
f、加热后冷却至室温，拆下焊接卡具，取出被加热的超纯铁素体不锈钢加热试板；
g、砂纸打磨加热试板表面
将加热试板置于平板上，用砂纸打磨正反两面，使表面光洁，使正反面粗糙度达Ra=0.32-0.63μm；
h、乙醇清洗
用乙醇清洗加热试板正反表面，使其洁净；
i、制备出的焊接热影响区材料。
2.根据权利要求1所述的超纯铁素体不锈钢均质热影响区材料制备方法，其特征在于：
步骤说明: D:\cpc\cases\inventions\c8a43b37-9c24-4fac-b6ef-8f42237dc512\others\4ff3920b-7db7-46f2-b6b2-214ebcf8cf55\100001\761033dest_path_image001.jpg中，焊接电压18V，焊接电流165A，焊接速度为7.5mm/s；对应的步骤说明: D:\cpc\cases\inventions\c8a43b37-9c24-4fac-b6ef-8f42237dc512\others\4ff3920b-7db7-46f2-b6b2-214ebcf8cf55\100001\364053dest_path_image002.jpg中，加热电流 1
90A，通电时间5.3秒。 2
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