CN106513974B - 一种预埋焊丝的真空电子束焊接方法 - Google Patents

一种预埋焊丝的真空电子束焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种预埋焊丝的真空电子束焊接方法，通过在初始焊件中预埋低碳焊丝，在真空环境下，将两块连铸板坯叠放并采用电子束焊接在一起，再用于后续轧钢生产。预埋低碳焊丝，可微调熔池化学成分，避开包晶反应区，降低母材的焊接裂纹敏感性。与自熔性真空电子束焊接相比,不但可以保持其高能量密度、高熔透性、焊接变形区小、易于控制、生产效率高等优点，还可以显著降低对接焊接时的装配精度，改善焊缝成形，提高接头的力学性能。本发明解决了焊接裂纹敏感性钢种采用自熔性真空电子束焊接方法焊接开裂问题，大大扩展了真空电子束焊接的应用范围，适合工业大生产，具有显著的经济和社会效益。

Description

一种预埋焊丝的真空电子束焊接方法
技术领域
本发明属于焊接的技术领域，具体的涉及一种预埋焊丝的真空电子束焊接方法。
背景技术
钢中碳元素0.08％-0.13％属于包晶钢范围，在凝固过程中会发生包晶反应(L+δ—γ)，钢中δ-Fe向γ-Fe组织转变，伴随着这一转变有0.38％的体积收缩，且含碳量越高、冷却速度越大，体积收缩越大。凝固过程中在热应力以及体积收缩的不均衡作用下，易产生裂纹。焊缝冷却的过程与铸造的凝固过程类似，而焊缝的冷却要更快一些。由于收缩引起的拉应力可能会在尚未凝固的液相处、在晶间造成微观开裂。
钢中Mo、B、Cr、Ni等合金元素都能提高钢的淬透性，随着合金元素含量的增大，具有非常大的淬硬倾向。特别是在焊接条件下，近缝区的加热温度很高，使奥氏体晶粒发生严重长大，当快速冷却时，粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体。马氏体是一种脆硬组织，发生断裂时将消耗较低的能量，因此，焊接接头有马氏体存在时，导致接头的塑性和韧性大大下降，裂纹易于形成和扩展。其次，在焊接过程中，由于钢质焊件的厚度都很大，焊接接头存在较大的拘束应力，如果拘束应力大于结构接头的临界应力，就会产生裂纹。
上述钢种裂纹敏感性强，焊接过程中的焊接性能极差，在焊接时容易出现热裂纹和冷裂纹。目前，焊前必须预热，预热温度控制在80～150℃。多层多道焊时，第一道焊采用小直径焊条，小电流焊接。焊后立即将工件放入加热炉中，在200-250℃进行保温，消除应力退火。
真空电子束焊接属于高能束流焊接的一种，由于具有热输入小、能量集中、焊深焊宽比大，同时造成材料热影响区小等优点，已经在诸多领域的材料和构件连接上获得了应用。但由于真空电子束焊接是在工件焊缝处通过高速电子流撞击母材使材料迅速熔化而达到焊接的目的。相比传统焊接方法，其焊缝处母材的熔化和冷却速度更快，电子束焊接时的快速热循环使接头形成的组织不同于母材，并且容易造成较大的热致应力，导致裂纹敏感性钢种的焊接接头极易形成裂纹，制约了该类钢在工程实际中的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对上述焊接裂纹敏感性钢种，特别是采用其他焊接方法或自熔性真空电子束焊接方法无法达到焊后无裂纹效果的钢种，本发明通过在初始焊件中预埋低碳焊丝，在真空环境下，将两块连铸板坯(或厚钢板)叠放并采用电子束焊接在一起，再用于后续轧钢生产。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
一种预埋焊丝的真空电子束焊接方法，按照下述步骤进行：
步骤1，将宽度和长度相同的两块裂纹敏感性钢为原料，在两者相对的接触面上分别设置位置对应的第一凹槽和第二凹槽，在两块原料上下设置时，以使第一凹槽和第二凹槽共同组成内腔室并在内腔室中设置焊丝；第一凹槽和第二凹槽分别沿各自裂纹敏感性钢的四周设置，由水平部和竖直部组成以形成凹槽环路，以使焊丝在凹槽环路中彼此接触形成焊丝环路；内腔室由内腔室竖直部和内腔室水平部组成，在内腔室竖直部内上下设置两个焊丝，在内腔室水平部内左右设置两个焊丝。
在步骤1中，选择裂纹敏感性钢为原料，裂纹敏感性钢的成分中按照重量百分比含有C0.081-0.126％，或Cr0.14-3.63％，或Mo0.11-1.4％，或Ni0.12-1.13％，或B0.0011-0.004％，换算为碳当量Ceq 0.39％≤Ceq≤0.96％，焊接裂纹敏感性指数0.20％≤Pcm≤0.33％。
在步骤1中，焊丝为低碳焊丝，成分和含量如下C 0.012-0.049％，Mn 0.26-0.58％，Cr≤0.036％，Mo≤0.028％，Ni≤0.031％，B≤0.0008％，H≤1.0PPm，其余为铁。
在步骤1中，分别对两块裂纹敏感性钢进行铣削清理，表面不得有油污、铁屑等杂质。
在步骤1中，在两块裂纹敏感性钢的相对接触面上镗铣出凹槽，然后使用酒精(丙酮或四氯化碳)对所有新鲜金属面进行表面清洗、风干。
在步骤1中，待焊丝填充满内腔室后，使用手工电弧焊进行点焊固定，并将焊点打磨平整。
在步骤1中，内腔室竖直部到原料边缘棱线的距离为15—30mm，优选20—25mm，以防止电子束焊接时熔液飞溅。
在步骤1中，以第一凹槽为例，第一凹槽的深度H＝第一凹槽的第一深度H1+第一凹槽的第二深度H2，第一凹槽的宽度L0＝第一凹槽的第一宽度L1+第一凹槽的第二宽度L2，第一凹槽的深度为2-4mm，第一凹槽的宽度为5.8-12mm，第一凹槽深度和第二凹槽深度相等，第一凹槽宽度和第二凹槽宽度相等。
步骤2，将两块原料上下设置，保证四边平齐，然后平移进真空室，关闭密封面，抽真空至8.5×10-4Pa-1×10-3Pa
在步骤2中，两块原料的结合面间隙0.4-0.63mm，错边量≤0.47mm
步骤3，进行真空电子束深熔深焊接，完成两块坯料四边间隙的密封焊接，完成焊接后继续保真空10—30min后，再破真空运出坯料，焊接电压70-80KV，焊接电流为180-260mA，焊接速度为186-252mm/min，扫描幅值1.4—1.8mm，如附图1所示，电子束在焊缝所在平面的X轴方向的扫描摆幅与电子束在焊缝所在平面的Y轴方向的扫描摆幅相等，沿X轴方向的扫描摆幅为电子束的左右摆幅，沿Y轴方向的扫描摆幅为电子束的前后摆幅。
在步骤3中，焊接电压70-75KV，焊接电流为200-240mA，焊接速度为200-220mm/min，扫描幅值1.5—1.8mm。
在本法明的技术方案中，通过添加低碳焊丝，在进行电子束焊接时不仅母材进行焊接，设置的焊丝也参与焊接过程中，微调熔池化学成分，避开包晶反应区，降低母材的焊接裂纹敏感性。与自熔性电子束焊接相比,不但可以保持其高能量密度、高熔透性、焊接变形区小、易于控制、生产效率高等优点，还可以显著降低对接焊接时的装配精度，改善焊缝成形，提高接头的力学性能，从而大大扩展了真空电子束焊接的应用范围。
采用本发明的技术方案一方面是可以改变焊缝的化学成分，避开包晶反应区间，稀释焊缝区域淬透性元素的含量，降低碳当量和焊接裂纹敏感性指数，提高钢的焊接性；另一方面预埋焊丝的熔入对焊缝的组织也有一定的改善；同时，电子束对熔池的搅拌作用使得元素分布更加均匀。最终降低焊缝的裂纹敏感性，改善了焊缝韧性，接头强塑性大幅度提高，取得了自熔性真空电子束焊接方法无法实现焊接裂纹敏感性高的钢种焊后无裂纹的效果。该方法焊接后的特厚板坯无裂纹出现，工艺简单、工期短、适合工业大生产，能产生显著的经济和社会效益。
附图说明
图1本发明预埋丝真空电子束焊接示意图，其中1—待加工部件(即连铸坯料或者厚钢板)，2—电子束，3—焊缝，4—真空室。
图2是本发明中凹槽结构及焊丝预埋方式示意图(沿图1中A—A方向的视图)，其中1为待加工部件，5—焊后熔合线，6为焊丝，7—1为第一凹槽，7—2为第二凹槽，8为内腔室，9为上下两块待加工部件的接触面，H表示第一凹槽(或者第二凹槽)的深度，L0表示第一凹槽(或者第二凹槽)的宽度，L为第一凹槽(或者第二凹槽)到待加工部件侧边的距离，L1为第一(或者第二)凹槽的第一宽度，L2为第一(或者第二)凹槽的第二宽度，H1为第一(或者第二)凹槽的第一深度，H2为第一(或者第二)凹槽的第二深度。
图3是本发明中待加工部件的接触面的结构示意图，其中1为待加工部件，10为沿水平方向(x方向)的第一凹槽，11为沿竖直方向(y方向)的第一凹槽。
图4是本发明中在上下两个待加工部件之间，由第一凹槽和第二凹槽组成的内腔室结构示意图，其中8-1为内腔室的竖直部，8-2为内腔室的水平部，9为上下两块待加工部件的接触面。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。使用的钢材为山东钢铁集团有限公司生产。
实施例1
本实施例采用两块270mm×2100mm×4100mm(厚×宽×长)EH36连铸坯，经真空电子束焊接，制备534±2mm×2100mm×4100mm(厚×宽×长)EH36复合坯料，用于轧制生产特厚钢板。
所述EH36连铸坯的化学成分按重量百分比为：C 0.11％，Si 0.28％，Mn 1.46％，P0.011％，S 0.002％，Cu 0.12％，Ni 0.25％，V 0.059％，Nb 0.042％，Ti 0.018％，Als0.27％，余量为Fe及不可避免的杂质。
所述一种预埋丝真空电子束焊接方法，包括以下步骤：
(1)以宽度和长度相同的两块EH36连铸板坯(或厚钢板)为原料，分别对两块连铸板坯(或厚钢板)上表面(或下表面)进行铣削清理，表面不得有油污、铁屑等；
(2)分别在两块EH36连铸坯料已铣削面的四周，沿厚度方向镗铣出阶梯状凹槽，凹槽结构如附图2所示，其中凹槽起始边到坯料四边棱线的距离L＝17mm，凹槽宽度L0＝5.8mm、L1＝2mm、L2＝3.74mm，凹槽深度H＝2mm、H1＝H2＝1mm；然后使用酒精(丙酮或四氯化碳)对所有新鲜金属面进行表面清洗、风干。
(3)在坯料阶梯状凹槽内埋入焊丝，直至填满为止，所述焊丝主要成分含量：C0.014％，Mn0.32％，Cr≤0.031％，Mo≤0.024％，Ni≤0.029％，B≤0.0007％，H≤1.0PPm。接着用手工电弧焊进行点焊固定，并将焊点打磨平整。
(4)将其中一块EH36连铸坯料(或厚钢板)清理面向上平置，然后将另一块EH36坯料清理面向下叠放在第一块坯料上面，保证四边平齐,然后平移进真空室，关闭密封面，抽真空，直至真空度达到7.3×10-3Pa。
(5)进行真空电子束深熔深焊接，其焊接电压75KV，焊接电流为233mA，焊接速度为192mm/min，扫描幅值1.51mm，完成两块EH36坯料四边间隙的密封焊接。焊接完成后继续保真空23min，再破真空运出坯料至加热炉。
采用本发明完成了两块270mm×2100mm×4100mm(厚×宽×长)EH36连铸坯的预埋丝真空电子束焊接，制成了534±2mm×2100mm×4100mm(厚×宽×长)EH36复合坯料，通过添加低碳焊丝，避开了包晶反应区，降低了焊缝的裂纹敏感性，改善了焊缝韧性，接头强塑性大幅度提高，解决了自熔性真空电子束焊接方法焊后开裂问题。经检测，焊缝质量满足GJB 1718-2005I级要求，EH36复合坯料轧制特厚钢板过程中坯料未开裂，实现了工业化生产。
实施例2
本实施例采用两块300mm×2200mm×3900mm(厚×宽×长)12Cr2Mo1R连铸坯料，经真空电子束焊接，制备592±4mm×2200mm×3900mm(厚×宽×长)12Cr2Mo1R复合坯料，用于轧制生产特厚钢板。
所述12Cr2Mo1R连铸坯的化学成分按重量百分比为：C 0.10％，Si 0.23％，Mn0.51％，P 0.0051％，S 0.0023％，Cr 2.32％，Mo 0.97％，Als 0.22％，余量为Fe及不可避免的杂质。
所述一种预埋丝真空电子束焊接方法，包括以下步骤：
(1)以宽度和长度相同的两块12Cr2Mo1R连铸板坯(或厚钢板)为原料，分别对两块连铸板坯(或厚钢板)上表面(或下表面)进行铣削清理，表面不得有油污、铁屑等；
(2)分别在两块12Cr2Mo1R连铸坯料已铣削面的四周，沿厚度方向镗铣出阶梯状凹槽，凹槽结构如附图2所示，其中凹槽起始边到坯料四边棱线的距离L＝19mm，凹槽宽度L0＝11.5mm、L1＝4mm、L2＝7.5mm，凹槽深度H＝4mm、H1＝H2＝2mm；然后使用酒精(丙酮或四氯化碳)对所有新鲜金属面进行表面清洗、风干。
(3)在坯料阶梯状凹槽内埋入焊丝，直至填满为止，所述焊丝主要成分含量：C0.013％，Mn0.33％，Cr≤0.034％，Mo≤0.027％，Ni≤0.028％，B≤0.0006％，H≤0.8PPm。接着用手工电弧焊进行点焊固定，并将焊点打磨平整。
(4)将其中一块12Cr2Mo1R连铸坯料(或厚钢板)清理面向上平置，然后将另一块12Cr2Mo1R坯料清理面向下叠放在第一块坯料上面，保证四边平齐,然后平移进真空室，关闭密封面，抽真空，直至真空度达到1.7×10-4Pa。
(5)进行真空电子束深熔深焊接，其焊接电压80KV，焊接电流为257mA，焊接速度为201mm/min，扫描幅值1.63mm，完成两块12Cr2Mo1R坯料四边间隙的密封焊接。焊接完成后继续保真空27min，再破真空运出坯料至加热炉。
采用本发明完成了两块300mm×2200mm×3900mm(厚×宽×长)12Cr2Mo1R连铸坯的预埋丝真空电子束焊接，制成了592±4mm×2200mm×3900mm(厚×宽×长)12Cr2Mo1R复合坯料，通过添加低碳焊丝，避开了包晶反应区，降低了焊缝的裂纹敏感性，改善了焊缝韧性，接头强塑性大幅度提高，解决了自熔性真空电子束焊接方法焊后开裂问题。经检测，焊缝质量满足GJB 1718-2005I级要求，12Cr2Mo1R复合坯料轧制特厚钢板过程中坯料未开裂，实现了工业化生产。
实施例3
本实施例采用两块250mm×1820mm×2900mm(厚×宽×长)Q890D坯料，经真空电子束焊接，制备494±3mm×1820mm×2900mm(厚×宽×长)Q890D复合坯料，用于轧制生产特厚钢板。
所述Q890D连铸坯的化学成分按重量百分比为：C 0.09％，Si 0.25％，Mn 1.68％，P 0.0012％，S 0.0031％，Cr 0.44％，Mo 0.47％，Ni 0.49，V 0.053，Nb 0.027，Ti 0.023，B0.002％，Als 0.26％，余量为Fe及不可避免的杂质。
所述一种预埋丝真空电子束焊接方法，包括以下步骤：
(1)以宽度和长度相同的两块Q890D连铸板坯(或厚钢板)为原料，分别对两块连铸板坯(或厚钢板)上表面(或下表面)进行铣削清理，表面不得有油污、铁屑等；
(2)分别在两块Q890D连铸坯料已铣削面的四周，沿厚度方向镗铣出阶梯状凹槽，凹槽结构如附图2所示，其中凹槽起始边到坯料四边棱线的距离L＝22mm，凹槽宽度L0＝11.5mm、L1＝4mm、L2＝7.5mm，凹槽深度H＝4mm、H1＝H2＝2mm；然后使用酒精(丙酮或四氯化碳)对所有新鲜金属面进行表面清洗、风干。
(3)在坯料阶梯状凹槽内埋入焊丝，直至填满为止，所述焊丝主要成分含量：C0.016％，Mn0.29％，Cr≤0.022％，Mo≤0.016％，Ni≤0.019％，B≤0.0004％，H≤0.9PPm。接着用手工电弧焊进行点焊固定，并将焊点打磨平整。
(4)将其中一块Q890D连铸坯料(或厚钢板)清理面向上平置，然后将另一块Q890D坯料清理面向下叠放在第一块坯料上面，保证四边平齐,然后平移进真空室，关闭密封面，抽真空，直至真空度达到3.4×10-4Pa。
(5)进行真空电子束深熔深焊接，其焊接电压78KV，焊接电流为249mA，焊接速度为239mm/min，扫描幅值1.48mm，完成两块Q890D坯料四边间隙的密封焊接。焊接完成后继续保真空28min，再破真空运出坯料至加热炉。
采用本发明完成了两块250mm×1820mm×2900mm(厚×宽×长)Q890D连铸坯的预埋丝真空电子束焊接，制成了494±3mm×1820mm×2900mm(厚×宽×长)Q890D复合坯料，通过添加低碳焊丝，避开了包晶反应区，降低了焊缝的裂纹敏感性，改善了焊缝韧性，接头强塑性大幅度提高，解决了自熔性真空电子束焊接方法焊后开裂问题。经检测，焊缝质量满足GJB 1718-2005I级要求，Q890D复合坯料轧制特厚钢板过程中坯料未开裂，实现了工业化生产。
依照本发明内容记载的方案进行工艺参数的调整，均可实现针对裂纹敏感性钢的有效焊接连接，且焊缝质量满足GJB 1718-2005I级要求(对焊缝接头取样并进行强度检测，参照标准GB/T228金属材料室温拉伸试验方法进行抗拉强度测试)，两块坯料复合后进行轧制中不出现开裂现象。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种预埋焊丝的真空电子束焊接方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
步骤1，将宽度和长度相同的两块裂纹敏感性钢为原料，在两者相对的接触面上分别设置位置对应的第一凹槽和第二凹槽，在两块原料上下设置时，以使第一凹槽和第二凹槽共同组成内腔室并在内腔室中设置焊丝；第一凹槽和第二凹槽分别沿各自裂纹敏感性钢的四周设置，由水平部和竖直部组成以形成凹槽环路，以使焊丝在凹槽环路中彼此接触形成焊丝环路；内腔室由内腔室竖直部和内腔室水平部组成，在内腔室竖直部内上下设置两个焊丝，在内腔室水平部内左右设置两个焊丝；在步骤1中，裂纹敏感性钢的成分中按照重量百分比含有C 0.081-0.126％，或Cr0.14-3.63％，或Mo0.11-1.4％，或Ni0.12-1.13％，或B0.0011-0.004％，换算为碳当量Ceq 0.39％≤Ceq≤0.96％，焊接裂纹敏感性指数0.20％≤Pcm≤0.33％；焊丝为低碳焊丝，成分和含量如下C 0.012-0.049％，Mn 0.26-0.58％，Cr≤0.036％，Mo≤0.028％，Ni≤0.031％，B≤0.0008％，H≤1.0PPm，其余为铁；内腔室竖直部到原料边缘棱线的距离为15—30mm；第一凹槽的深度为2-4mm，第一凹槽的宽度为5.8-12mm，第一凹槽深度和第二凹槽深度相等，第一凹槽宽度和第二凹槽宽度相等；
步骤2，将两块原料上下设置，保证四边平齐，然后平移进真空室，关闭密封面，抽真空至8.5×10-4Pa-1×10-3Pa；
步骤3，进行真空电子束深熔深焊接，完成两块坯料四边间隙的密封焊接，完成焊接后继续保真空10—30min后，再破真空运出坯料，焊接电压70-80KV，焊接电流为180-260mA，焊接速度为186-252mm/min，扫描幅值1.4—1.8mm，电子束在焊缝所在平面的X轴方向的扫描摆幅与电子束在焊缝所在平面的Y轴方向的扫描摆幅相等。
2.根据权利要求1所述的一种预埋焊丝的真空电子束焊接方法，其特征在于，在步骤1中，分别对两块裂纹敏感性钢进行铣削清理，表面不得有油污、铁屑杂质。
3.根据权利要求1所述的一种预埋焊丝的真空电子束焊接方法，其特征在于，在步骤1中，在两块裂纹敏感性钢的相对接触面上镗铣出凹槽，然后使用酒精对所有新鲜金属面进行表面清洗、风干。
4.根据权利要求1所述的一种预埋焊丝的真空电子束焊接方法，其特征在于，在步骤1中，待焊丝填充满内腔室后，使用手工电弧焊进行点焊固定，并将焊点打磨平整。
5.根据权利要求1所述的一种预埋焊丝的真空电子束焊接方法，其特征在于，在步骤1中，内腔室竖直部到原料边缘棱线的距离为20—25mm。
6.根据权利要求1所述的一种预埋焊丝的真空电子束焊接方法，其特征在于，在步骤2中，两块原料的结合面间隙0.4-0.63mm，错边量≤0.47mm。
7.根据权利要求1所述的一种预埋焊丝的真空电子束焊接方法，其特征在于，在步骤3中，焊接电压70-75KV，焊接电流为200-240mA，焊接速度为200-220mm/min，扫描幅值1.5—1.8mm。
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