CN107790865A - 一种不锈钢复合板的组坯焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种不锈钢复合板的组坯焊接方法，对于100～500mm厚、接头组对间隙≤3mm和错边≤5mm的不锈钢复合板坯的组坯焊接，基层材料采用低碳钢或低合金钢的连铸坯或同质钢板，复层材料为奥氏体或铁素体不锈钢板。连续焊接前增加固定焊接并采用“先短边后长边”和“先两边后中间”次序，抑制连续焊接导致的焊接变形；同质连续焊接时采用偏扫技术，克服大组对间隙和错边问题；异质连续焊接时增加横向偏移量，并优化收弧位置，降低焊缝的裂纹敏感性。通过对焊接位置、次序和参数的优化设计和调节，可以有效的针对具有5mm以内的错边和3mm以内的组对间隙的坯料进行组坯焊接，并降低焊缝的裂纹敏感性，避免弧坑裂纹对产生接头的不利影响。

Description

一种不锈钢复合板的组坯焊接方法

技术领域

本发明属于冶金工业复合板的坯料制备技术，具体涉及以低碳钢或低合金钢为基材的奥氏体或铁素体不锈钢复合板坯真空电子束组坯焊接方法。

背景技术

不锈钢复合板是碳钢基层与不锈钢复层通过一定的方式复合而成的一种双金属复合材料。从性能上看，它不仅具有不锈钢耐磨、耐蚀、耐氧化、使用寿命长等特点，还具备了碳钢高强韧性、耐冲击、可拉伸等机械性能。从经济角度看，不锈钢复合板与纯不锈钢板相比，可节约铬、镍等合金元素70～80％，从而可以节约成本30～50％。因而被广泛应用于冶金、石油化工、水利、核工业、食品、建筑等诸多领域。

目前，世界上80％的复合板是采用轧制复合法生产的。轧制复合法是将碳钢基材和不锈钢复材进行下料和表面处理后，经过组坯焊接制备成复合坯后轧制而成。其中，组坯焊接工艺作为基础环节，其工艺特点可以直接影响到复合板的整体性能。现阶段轧制复合法的组坯焊接工艺主要有爆炸焊组坯、电弧焊组坯和真空电子束焊组坯三种方式。

专利公布号CN102248718A“爆炸复合轧制双面不锈钢复合薄带材”，专利公布号CN102179673A“爆炸复合轧制双面不锈钢复合薄带材生产工艺”，专利公布号CN102248401A“爆炸复合轧制双面不锈钢复合薄带材生产设备”，文献“不锈钢复合板生产方法和制备技术的探讨”及“带夹层材料的爆炸一轧制钛钢复合板工艺研究”中均提出了爆炸组坯技术，即采用爆炸焊技术进行复合板坯的制备，但是爆炸复合工艺本身复杂性较高，不易控制，不可连续生产。同时，对环境的影响极大，制备场地也受到很大的限制。

专利公布号CN103231016A“复合板的生产工艺及其生产设备”，专利公布号CN103639203A“对称热轧制造不锈钢复合板的真空封装方法”，文献“不锈钢复合板制备技术的发展”、“2205双相不锈钢复合板爆炸-轧制工艺研制”和“轧制法生产不锈钢复合板工艺研究及应用”中均提出了电弧焊封装技术，即在开坡口的条件下，应用电弧焊技术进行复合板坯的封装制备，但是此技术不仅延长了单一组坯的制备时间，对结合面易形成二次污染，而且还大大增加了制备复合板坯的人工和材料成本。

专利公布号CN102179405A“防止真空复合轧制不锈钢复合板的界面氧化的方法”，专利公布号CN102069289A“一种不锈钢-碳钢复合板的制备方法”，毕业论文“真空复合轧制不锈钢复合板的微观组织和力学性能”中均提出了真空电子束焊接组坯技术，即在真空条件下，采用电子束焊接技术进行复合板坯的封装制备，但是普通电子束焊接工艺对坯料的加工精度要求非常高，通常其组对间隙要求在0.5mm以下，应用在工业大生产中极大的提高了坯料加工设备的投入和坯料的废品率。

针对不锈钢复合板坯，在采用上述三种组坯焊接工艺时，不可避免的还会受到焊接后应力集中过高和不锈钢高Cr、Ni含量的影响。应力集中过高和低熔点化合物的存在，大大提高了焊缝的裂纹倾向，进而导致组坯焊接接头形成裂纹、开裂和失效。

面对以上问题，为了推动我国不锈钢复合板工业生产水平的快速发展，迫切需要开发出一种绿色环保、高效低成本，且对工业大生产适应性强的组坯焊接方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于不锈钢复合板坯制备的绿色、高效的组坯焊接方法，以解决不锈钢复合板坯大错边和大组对间隙难以施焊，焊缝裂纹倾向较大及焊后应力集中过高导致弧坑裂纹延展的问题。

为此，本发明所采取的技术解决方案是：

一种不锈钢复合板的组坯焊接方法，对于厚度规格为100～500mm、接头组对间隙≤3mm和错边≤5mm的不锈钢复合板坯的组坯焊接，基层材料采用低碳钢或低合金钢的连铸坯或同质钢板，复层材料为奥氏体或铁素体不锈钢板，其具体组坯焊接方法为：

组坯形式为低碳钢或低合金钢、不锈钢板、不锈钢板和低碳钢或低合金钢，从上至下依次叠放的对称组坯形式，依次以板a、板b、板c、板d表示，板b与板c之间涂覆厚度0.6～2mm的隔离剂；为实现真空条件下的封边焊接，在真空度≤10^-1Pa时分别对板a与板b、板b与板c、板c与板d三组接头、每组接头各四条焊缝进行焊接；

焊接前，对焊接接头两侧30mm范围内进行修磨处理，去除表面氧化层，并用酒精去除油脂；

清理后送入真空室抽真空，当真空室真空度小于10^-1Pa时，采用“先两端后中间”的方式进行固定焊接，具体焊接步骤为：

(1)首先，对板a和板b进行固定焊接：将母坯长边均匀划分为M+1等分，M为施焊位置数，一条边各点以A1、A2……AM表示，另一条边各点以B1、B2……BM表示；

(2)依次对A1、AM位置进行固定焊接；

(3)再依次对A2至A(M-1)位置进行固定焊接；

(4)然后依次对B1、BM位置进行固定焊接；

(5)最后依次对B2至B(M-1)位置进行固定焊接；

(6)把母坯短边均匀划分为N+1等分，N为施焊位置数，2≤N≤10，一条边各点以C1、C2……CN表示，另一条边各点以D1、D2……DN表示；

(7)依次对C1、CN位置进行固定焊接；

(8)再依次对C2至C(N-1)位置进行固定焊接；

(9)然后依次对D1、DN位置进行固定焊接；

(10)最后依次对D2至D(N-1)位置进行固定焊接；

上述步骤(2)～(5)以及(7)～(10)的焊接长度均为5～200mm；

(11)其次，对板b和板c进行固定焊接，焊接工艺同对板a和板b间的固定焊接工艺；

(12)最后，对板c和板d进行固定焊接，焊接工艺同对板a和板b间的固定焊接工艺；

针对一组焊接接头的四条焊缝，采取先对一条长边进行固定焊接，然后对其对边进行固定焊接，最后进行两侧边的固定焊接的焊接顺序，以降低由于固定焊接引起板坯的翘曲和变形；

在对一条边进行固定焊接的过程中，采用“先两端后中间”的焊接方法，对焊接接头两端点进行拘束固定，避免短距离固定焊接而引起临边产生错边缺陷累积形成的错边形变；

固定焊接完成后，为了保证板坯结合面间为真空环境，采用“先短边后长边”的方式进行连续封边焊接，具体步骤如下：

(1)首先，对板b和板c进行连续焊接，焊接电压60kV，焊接电流200～400mA，焊接速度400～500mm/min，焊接离焦量-5～0mm，焊接偏扫幅值0～5mm，扫描频率200Hz；

(2)将母坯两条长边分别定义为AB和CD边，A、B、C、D顺时针构成母坯四角定点，则母坯两条短边为BC和DA边；

(3)以B为起始点，由B点至C点进行连续焊接；

(4)以D为起始点，由D点至A点进行连续焊接；

(5)以A为起始点，由A点至B点进行连续焊接；

(6)以C为起始点，由C点至D点进行连续焊接；

(7)其次，对板a和板b进行连续焊接，焊接电压60kV，焊接电流300～500mA，焊接速度350～450mm/min、焊接离焦量-5～0mm，焊接偏扫幅值0～2mm，扫描频率200Hz，焊接焦点向板a偏移量为0～2mm；焊接完成后不立刻断开电子束，而是在基材50～100mm长度内进行递减降低至零束流；

(8)对板a和板b进行连续焊接的顺序与板b和板c进行连续焊接的顺序相同；

(9)最后，对板c和板d进行连续焊接，焊接电压60kV，焊接电流300～500mA，焊接速度350～450mm/min，焊接离焦量-5～0mm，焊接偏扫幅值0～2mm，扫描频率200Hz，焊接焦点向板d偏移量为0～2mm；焊接完成后不立刻断开电子束，而是在基材50～100mm长度内进行递减降低至零束流；

(10)对板c和板d进行连续焊接的顺序与板b和板c进行连续焊接的顺序相同。

所述固定焊接的焊接参数为：焊接电压55～65kV,焊接电流100～150mA,焊接速度450～600mm/min,焊接离焦量-5～0mm。

所述施焊位置数M＝2～10。

本发明连续焊接前增加固定焊接并采用“先短边后长边”和“先两边后中间”技术抑制了连续焊接导致的焊接变形；同质连续焊接时采用偏扫技术，克服了大组对间隙和错边的问题；异质连续焊接时增加了一横向偏移量，并优化了收弧位置，降低了焊缝的裂纹敏感性。

在进行连续焊接时，由于焊接热源的作用，使焊接接头金属熔化并形成熔池而后快速冷却。在此过程中，由于板材各区域的受热、冷却速度不同会使工件产生焊接变形，如翘曲、伸长等。因此，在连续焊接前需进行固定焊接，对复合坯料进行拘束，防止由于连续焊接引起板坯的翘曲、变形，降低由于焊接热输入的作用对复合板坯产生的形变影响。

同时，尽管进行固定焊接时采用的线能量较低，降低了焊接产生的形变程度，但是复合板坯依然会在焊接热输入的作用下发生焊接变形。为了最大限度的减小焊接变形程度，需要对焊接顺序进行优化设计。焊接变形的程度与焊接热输入大小和焊后时间长短有着直接关系。因此，本发明针对一组焊接接头的四条焊缝，采用了先对一条长边进行固定焊接，然后对其对边进行固定焊接，最后进行两侧边的固定焊接的焊接顺序。可以最大限度的降低由于固定焊接引起的板坯翘曲和变形。

此外，在对一条边进行固定焊接时，同样会受到焊接变形的影响。若从头到尾依次进行固定焊接，则产生焊接变形依次递增，变形总量较大，为此需要对一条边的焊接顺序进行优化。本发明采用“先两端后中间”的焊接方法，通过对焊接接头两端点的拘束固定，避免由于短距离固定焊接而引起临边产生错边缺陷累积形成较大的错边形变。

为了降低由于焊接接头由于尺寸上的差异而产生的应力应变，需要对复合坯三组接头连续焊接的顺序进行优化。在连续焊接过程中，焊接接头在焊接热源的作用下处于快速受热并熔化形成熔池，随后快速冷却的过程。焊接接头两端试板的规格尺寸直接影响熔池的加热和冷却速度，从而影响其焊接应力的分布，最终决定其焊接变形。

本发明在进行连续封边焊接的过程中，采用先进行板b和板c之间的焊接，然后进行板a和板b之间的焊接，最后进行板c和板d之间的焊接的顺序。可以在一定程度上降低由于两焊接接头板材在尺寸规格的差异引起的应力分布和变形不均的缺陷。

同时，在进行连续焊接时，由于焊缝长短不同引起的焊接应力应变也会存在差异。在针对一组接头的四条焊缝进行焊接时，为了防止固定焊接开裂失效，需要对其焊接顺序进行优化。本发明采用的是先短后长的焊接顺序进行封边连续焊接。首先进行的是短边的连续焊接，产生的应力应变较小，而后对长边进行连续焊接，在短边连续焊缝的固定作用下，实现一组接头整体的封边效果。

另外，在进行板b和板c之间的连续封边焊接时，由于中间存在一层分板需要的隔离剂，厚度为0.6-2mm，接头间的组对间隙远远超过真空电子束焊接的坯料加工要求，容易造成漏束、不成形和未熔合等缺陷，极大地限制了真空电子束焊接组坯工艺的推广和应用。为了进一步开发真空电子束组坯焊接技术，需要对焊接工艺进行优化。焊接偏扫是在电子束通过路径上加入一偏扫高压线圈，可以通过控制偏扫电压的加载来控制电子束汇聚焦点的位置，可以使电子束在焊接过程中进行快速反复摆动。本发明采用偏扫技术，使电子束焦点在焊接接头呈环形高频扫动，避免了由于组对间隙或错边过大而形成的焊接缺陷，可以形成良好的焊接接头，提高了焊接工艺的工业适应性。

更重要的是，与低碳钢或低合金钢相比，不锈钢的导热系数较低，而线膨胀系数较高，因此，在焊接过程中易于在焊缝中形成较大的拉伸应力，在焊接时具有较高的热裂敏感性。若复层采用的是铬镍系不锈钢，由于含有较高的Ni元素，熔池中会形成低熔点的硫化物，更会大大提高焊缝的热裂倾向。在进行板a和板b之间的连续封边焊接时，也面临着接头裂纹倾向严重的问题，特别是弧坑裂纹。为了降低接头的裂纹倾向，需要对焊接工艺进行优化。因此，本发明在不锈钢和低碳钢或低合金钢的焊接过程中，加入一横向偏移量，即电子束聚焦斑点向低碳钢或低合金钢一侧偏离，以及在基材上进行逐级递减降低电子束束流值。不仅可以降低焊接熔池中Ni含量，减少低熔点硫化物的生成，弱化了弧坑裂纹倾向，还避免了在封边接头区域残留弧坑，最大限度了降低了弧坑缺陷对封边区域的影响。

与已有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明不锈钢复合板的组坯焊接方法，采用真空电子束焊接技术对不锈钢复合板坯进行组坯焊接，通过对焊接位置、次序和参数的优化设计和调节，可以有效的针对具有5mm以内的错边和3mm以内的组对间隙的坯料进行组坯焊接，并降低焊缝的裂纹敏感性和避免弧坑裂纹对产生接头的不利影响。

具体实施方式

实施例1：

采用Q235B材质热轧板，304L热轧不锈钢板。

实施例2：

采用Q235B热轧板，304L热轧不锈钢板。

Claims (3)

1.一种不锈钢复合板的组坯焊接方法，其特征在于，对于厚度规格为100～500mm、接头组对间隙≤3mm和错边≤5mm的不锈钢复合板坯的组坯焊接，基层材料采用低碳钢或低合金钢的连铸坯或同质钢板，复层材料为奥氏体或铁素体不锈钢板，其具体组坯焊接方法为：

组坯形式为低碳钢或低合金钢、不锈钢板、不锈钢板和低碳钢或低合金钢，从上至下依次叠放的对称组坯形式，依次以板a、板b、板c、板d表示，板b与板c之间涂覆厚度0.6～2mm的隔离剂；为实现真空条件下的封边焊接，在真空度≤10^-1Pa时分别对板a与板b、板b与板c、板c与板d三组接头、每组接头各四条焊缝进行焊接；

焊接前，对焊接接头两侧30mm范围内进行修磨处理，去除表面氧化层，并用酒精去除油脂；

清理后送入真空室抽真空，当真空室真空度小于10^-1Pa时，采用“先两端后中间”的方式进行固定焊接，具体焊接步骤为：

(1)首先，对板a和板b进行固定焊接：将母坯长边均匀划分为M+1等分，M为施焊位置数，一条边各点以A1、A2……AM表示，另一条边各点以B1、B2……BM表示；

(2)依次对A1、AM位置进行固定焊接；

(3)再依次对A2至A(M-1)位置进行固定焊接；

(4)然后依次对B1、BM位置进行固定焊接；

(5)最后依次对B2至B(M-1)位置进行固定焊接；

(6)把母坯短边均匀划分为N+1等分，N为施焊位置数，2≤N≤10，一条边各点以C1、C2……CN表示，另一条边各点以D1、D2……DN表示；

(7)依次对C1、CN位置进行固定焊接；

(8)再依次对C2至C(N-1)位置进行固定焊接；

(9)然后依次对D1、DN位置进行固定焊接；

(10)最后依次对D2至D(N-1)位置进行固定焊接；

上述步骤(2)～(5)以及(7)～(10)的焊接长度均为5～200mm；

(11)其次，对板b和板c进行固定焊接，焊接工艺同对板a和板b间的固定焊接工艺；

(12)最后，对板c和板d进行固定焊接，焊接工艺同对板a和板b间的固定焊接工艺；

针对一组焊接接头的四条焊缝，采取先对一条长边进行固定焊接，然后对其对边进行固定焊接，最后进行两侧边的固定焊接的焊接顺序，以降低由于固定焊接引起板坯的翘曲和变形；

在对一条边进行固定焊接的过程中，采用“先两端后中间”的焊接方法，对焊接接头两端点进行拘束固定，避免短距离固定焊接而引起临边产生错边缺陷累积形成的错边形变；

固定焊接完成后，为了保证板坯结合面间为真空环境，采用“先短边后长边”的方式进行连续封边焊接，具体步骤如下：

(1)首先，对板b和板c进行连续焊接，焊接电压60kV，焊接电流200～400mA，焊接速度400～500mm/min，焊接离焦量-5～0mm，焊接偏扫幅值0～5mm，扫描频率200Hz；

(2)将母坯两条长边分别定义为AB和CD边，A、B、C、D顺时针构成母坯四角定点，则母坯两条短边为BC和DA边；

(3)以B为起始点，由B点至C点进行连续焊接；

(4)以D为起始点，由D点至A点进行连续焊接；

(5)以A为起始点，由A点至B点进行连续焊接；

(6)以C为起始点，由C点至D点进行连续焊接；

(7)其次，对板a和板b进行连续焊接，焊接电压60kV，焊接电流300～500mA，焊接速度350～450mm/min、焊接离焦量-5～0mm，焊接偏扫幅值0～2mm，扫描频率200Hz，焊接焦点向板a偏移量为0～2mm；焊接完成后不立刻断开电子束，而是在基材50～100mm长度内进行递减降低至零束流；

(8)对板a和板b进行连续焊接的顺序与板b和板c进行连续焊接的顺序相同；

(9)最后，对板c和板d进行连续焊接，焊接电压60kV，焊接电流300～500mA，焊接速度350～450mm/min，焊接离焦量-5～0mm，焊接偏扫幅值0～2mm，扫描频率200Hz，焊接焦点向板d偏移量为0～2mm；焊接完成后不立刻断开电子束，而是在基材50～100mm长度内进行递减降低至零束流；

(10)对板c和板d进行连续焊接的顺序与板b和板c进行连续焊接的顺序相同。

2.根据权利要求1所述的不锈钢复合板的组坯焊接方法，其特征在于，所述固定焊接的焊接参数为：焊接电压55～65kV,焊接电流100～150mA,焊接速度450～600mm/min,焊接离焦量-5～0mm。

3.根据权利要求1所述的不锈钢复合板的组坯焊接方法，其特征在于，所述施焊位置数M＝2～10。