CN108381027A - 用于制备高碳当量特厚钢板的真空焊接装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于制备高碳当量特厚钢板的真空焊接装置及其制备方法，装置包括真空室，真空室顶部设上补热单元，还包括有下补热单元，真空室内设双电子枪，双电子枪与上下补热单元间设隔热装置。制备步骤如下：取两/多组连铸坯或钢板，对待复合表面铣削加工后在待复合面四周边缘处加工出相应尺寸台阶，叠合对齐，并在台阶中加入中间过渡层，将组合坯料预热保温后抽真空并补热，先预热后焊接，完成焊缝连接，缓冷并保证焊接合格加热保温，控制轧制参数进行轧制，制得高碳当量特厚钢板，其冶金界面结合优异，满足Z35性能要求。该装置及方法可降低高碳当量连铸钢坯或钢板在真空电子束焊接中开裂倾向，消除接头脆性组织，得到具有高强、高韧组织结构。

Description

用于制备高碳当量特厚钢板的真空焊接装置及其制备方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种用于制备高碳当量特厚钢板的真空焊接装置及其制备方法。

背景技术

由于高碳、高合金(Cr、Mo等合金元素)含量的各类高碳当量特厚钢板中含有各类合金碳化物，因而具有极为优异的强度、硬度、耐磨性以及耐高温性能。目前，随着我国大规格模具、大型核电设施以及重型化工冶炼反应器等关键装备的开发和建设，对于高碳当量特厚钢板的需求十分旺盛，产品具有很高的附加值，市场前景广阔。

目前，我国的高碳当量特厚钢板主要采用铸锭法进行生产，但是铸锭法容易产生严重的心部偏析，以及气孔和夹杂等缺陷，因此产品质量很不稳定。并且铸锭法的成材率也较低，生产成本较高，因而严重地限制了其应用范围。另外，电渣重熔法也被用于制备高碳当量特厚板，但是其耗电极高，生产成本居高不下，仅用于特殊的高合金特厚板应用领域。

真空轧制复合技术是国际上非常先进的特厚板制备技术。与传统的铸锭技术相比，真空轧制复合技术由于采用高质量的连铸坯或钢板，因而特厚板具有很高的产品质量，心部无明显成分偏析，气孔、夹杂等缺陷也较少。另外真空轧制复合技术的成材率和生产效率也都很高。因此，与铸锭法和电渣重熔法相比，真空轧制复合技术生产特厚板，无论是从产品质量还是生产成本上有很大的优势。

针对真空轧制复合技术制备的特厚钢板，通过真空电子束焊接封装坯料，可以避免复合界面在后续的加热和轧制过程中的界面氧化，确保了界面优良的结合性能。然而，对于高碳钢、高合金Cr-Mo钢等碳当量≥0.4％的高碳当量钢，由于具有很强的淬硬倾向，其中钢板的碳当量计算公式采用：C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。因此，当碳和合金元素的含量足够高以后，特厚钢板甚至可以在空冷条件下产生强烈的淬火现象。另外，由于电子束的能量密度很高，焊缝与周围冷金属之间的温度梯度很大，因而焊接接头的冷却速度很快，接头极易出现冷裂纹和延迟裂纹等焊接缺陷，整个焊缝和热影响区生成高硬度的马氏体组织，极大影响了接头的结合强度，最终导致特厚板坯在加热和轧制过程中出现开裂、漏气等现象，无法有效地实现轧制复合过程。

此前我们获批了一项发明专利技术：“一种特厚合金钢板的制备方法”CN201310707559.3。在该专利中，我们采用了双电子枪结构来减缓焊接裂纹的产生，即一把电子枪预热+另一把电子枪焊接的模式。这种方法在一定程度上减缓了裂纹的产生，但对于较高碳当量和较大尺寸规格的合金钢板，例如碳当量超过0.4％钢的高碳或高合金钢且厚度超过300mm，由于其存在强烈的淬硬倾向以及较大的焊接变形约束作用，焊接接头的质量很难进行有效的控制。因此，在真空轧制复合技术的基础上，开发出更出色的可适应高碳当量复合的工艺技术显得十分迫切。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于制备高碳当量特厚钢板的真空焊接装置及其制备方法。采用该装置及方法可降低高碳当量的连铸钢坯或钢板在真空电子束焊接封装过程中的开裂倾向，消除接头的高硬马氏体等脆性组织，从而在焊接接头中得到具有高强、高韧的组织结构，最终制备出具有优异冶金界面结合的高品质高碳当量特厚复合板。

本发明的技术方案为：

一种用于制备高碳当量特厚钢板的真空焊接装置，包括真空室，所述的真空室顶部设有上补热单元；

所述的真空焊接装置还包括有下补热单元；

所述的真空室内设置有双电子枪，所述的双电子枪与上下补热单元之间设有隔热装置，所述的隔热装置设有升降板和水冷板。

所述的上补热单元通过升降杆与真空室顶部连接，所述的升降杆能够驱动上补热单元上下运动。

所述的真空焊接装置配备有焊接小车，所述的焊接小车设有旋转工作台面，用于放置待焊接材料，所述的下补热单元设置在焊接小车旋转工作台面上。

所述的上补热单元用于对待焊接材料进行上补热，所述的下补热单元用于对待焊接材料进行下补热。

所述的双电子枪为预热电子枪和焊接电子枪。

所述的隔热装置用于阻隔真空室内进行真空焊接的待焊接材料产生的高温热辐射对双电子枪的影响。

所述的隔热装置的升降板与双电子枪随动。

所述的水冷板用于带走焊接时高温辐射产生的热量。

一种高碳当量特厚钢板的制备方法，采用上述真空焊接装置，包括以下步骤：

步骤1，待复合面铣削：

取两组或多组连铸坯或钢板，对连铸坯或钢板的待复合表面进行铣削加工，使整个待复合面完全露出新鲜金属，在待复合面四周的边缘处加工出台阶，完成铣削加工，其中：所述的连铸坯或钢板的碳当量≥0.4％，所述的台阶深度为2～10mm，宽度≥10mm；

所述的步骤1中，连铸坯或钢板预先经过退磁处理，将连铸坯或钢板退磁至剩磁≤3mT后，再对其待复合面进行铣削加工。

所述的步骤1中，铣削加工操作在铣床上进行。

所述步骤1中，铣削加工的具体方法为：

(1)采用平面铣刀使连铸坯或钢板待复合面完全露出新鲜金属；

(2)再采用玉米铣刀铣削连铸坯或钢板的四个侧面，并且四个侧面的铣削深度均≥10mm，铣削完成后，四个侧面的宽度范围以坯料叠合后的长、宽尺寸差别≤5mm为准，待复合面最高点和最低点的高度差≤1mm；

(3)最后在待复合面边缘分别加工出深度为2～10mm，宽度≥10mm的台阶。

所述的步骤1中，待复合面加工的台阶可仅在一侧待复合面四周边缘加工台阶，也可在相对的两个待复合表面四周边缘均加工台阶，并保证相对的待复合面台阶加工总深度为2～10mm，所述的待复合面加工的台阶用于放置中间过渡层。

步骤2，坯料翻转对齐：

将铣削加工完成的连铸坯或钢板进行叠合和对齐，并在铣削加工完成的连铸坯或钢板的待复合面的台阶中加入焊接用中间过渡层，得到组合坯料；

所述的步骤2中，所述的中间过渡层尺寸以能够与台阶完全贴合为准，所述的中间过渡层厚度为2～10mm，宽度≥10mm，材质为低碳钢或超低碳钢(不含其他合金元素)，碳质量含量≤0.05％。

所述的步骤2中，通过加入相应尺寸的中间过渡层，用于降低电子束焊缝中的碳当量和淬硬倾向，以便于进行后续的电子束焊接。

步骤3，坯料预热：

将组合坯料预热至150～500℃并保温2～20h，预热过程中通入保护气体；

所述步骤3中，预热操作在预热炉中进行。

所述步骤3中，保护气体优选氮气或者氩气。

所述步骤3中，通过对组合坯料预热至150～500℃并保温2～20h，使坯料整体达到均温状态。

步骤4，坯料补热和真空电子束焊接：

(1)将预热后的组合坯料在真空室中抽真空，并通过上下补热单元对预热后的组合坯料补热至150～500℃的预热设定温度；

(2)采用双电子枪进行真空电子束焊接，预热电子枪散焦预热后，焊接电子枪进行焊接，完成预热后的组合坯料的四周焊缝连接，焊接完成后以≤2℃/min的速度缓冷至25～100℃，得到焊接完成的组合坯料；

所述的步骤4(1)中，预热后的组合坯料降落至焊接小车上，并进入真空室。

所述的步骤4(1)中，抽真空至真空度≤5×10^-2Pa。

所述的步骤4(1)中，上下补热单元对坯料进行补热时，当上补热单元与预热后的组合坯料上部接触后，开始加热，同时下补热单元也对预热后的组合坯料底部进行加热。

所述的步骤4(1)中，上下补热的加热方式为采用红外线加热或陶瓷电阻加热。

所述的步骤4中，上下补热操作持续整个焊接过程及焊后处理过程中，通过上下补热单元同时对预热后的组合坯料进行加热，用以补偿从预热炉到真空室过程中以及后续焊接过程中的温度损耗，以及焊后冷速的控制。

所述的步骤4(2)中，预热电子枪将电子束调整为散焦模式，对焊缝预热至200～400℃，后端的电子枪进行电子束焊接，所述的电子束焊接电流，焊接电压与焊接速度根据组合坯尺寸确定。

所述的步骤4(2)中，电子束焊接后通过控制补热单元热量供应程度使焊接后的组合坯在≤2℃/min的速度下缓冷至25～100℃。

所述的步骤4(2)中，采用双电子枪进行焊接，能够充分将中间过渡层熔化并使焊缝各种合金成分得到充分的熔合和扩散，避免焊接接头的冷裂以及焊缝中合金元素的偏析。

步骤5，焊缝检查：

对焊接完成的组合坯料焊缝进行检查，确保焊接缺陷直径＜2mm，保证焊接合格；

所述的步骤5中，焊缝检查过程为：对焊缝进行超声波探伤，确保焊接缺陷直径＜2mm，当焊接缺陷直径≥2mm时，进行补焊，使焊接缺陷直径＜2mm，所述的补焊过程为：将有缺陷的焊接完成的组合坯料置于真空室抽真空后，通过上下补热单元预热到150～500℃进行真空电子束补焊。

步骤6，加热：

将焊接合格的组合坯料加热至1170～1300℃后进行保温，保温时间≥2h；

所述的步骤6中，加热操作在加热炉中进行。

所述的步骤6中，焊接合格的组合坯料加热升温速度≤2℃/min。

步骤7，轧制：

将加热后的组合坯料进行轧制，开轧温度≥1150℃，轧制的总压下率≥30％，道次压下率≥5％，完成轧制并制得高碳当量特厚钢板，所述的高碳当量特厚板满足Z35性能要求。

所述的步骤7中，轧制操作在轧机中进行。

所述的步骤7中，制备的高碳当量特厚板根据组织均匀性需要进行轧后热处理，具体过程为：进行正火或回火处理，正火温度为850～950℃，回火温度为450～650℃，相应时间根据具体要求确定，正、回火后以≤5℃/min的冷却速度缓慢冷却至室温，完成轧后热处理后进行交货。

所述的步骤7中，所述的缓慢冷却在缓冷坑或保温罩中进行。

本发明的有益效果：

(1)本发明的用于制备高碳当量特厚钢板的真空焊接装置及其制备方法，通过在两组坯料的焊缝处添加中间过渡层、对组合坯料在保护气氛下进行整体预热、真空电子束焊接过程中的补热、焊后的缓冷以及采用双电子枪模式等措施，确保消除焊接组织中的缺陷，极大地消除了焊接组织的脆性，提高了焊接接头的强度，通过此种焊接工艺和装备，真空轧制复合制备高碳当量高的特厚钢板得以顺利制备；

(2)本发明的用于制备高碳当量特厚钢板的真空焊接装置及其制备方法，由于真空电子束焊接属于无填充的自熔式焊接，因此高碳当量材料的焊接接头内的碳当量很高。本发明通过添加低碳钢或超低碳钢的中间过渡层，使整个焊接接头的碳和其他合金元素被中间层所稀释，从而有效地降低了焊接接头的熔敷区和近缝区的碳当量，继而降低电子束焊接头组织的冷裂倾向；

(3)本发明的用于制备高碳当量特厚钢板的真空焊接装置及其制备方法，采用对坯料进行预热和补热的方法，一方面可以降低接头的拘束度、降低焊接应力，另一方面可以充分降低焊接接头特别是热影响区的冷却速度，避免焊接接头冷裂纹的产生。

附图说明

图1是本发明实施例1～5中铣削加工完成的连铸坯与中间过渡层的组装图；

图2是本发明实施1用于制备高碳当量特厚钢板的真空焊接装置结构示意图，图2(a)为正视图，图2(b)为图2(a)的俯视图，图2(c)为图2(a)的侧视图，其中：

1-铣削加工完成的连铸坯，2-中间过渡层，2-1-真空室，2-2-1焊接小车，2-2-2旋转工作台面，2-3-上补热单元，2-4-下补热单元，2-5-升降杆，2-6-预热电子枪，2-7-焊接电子枪，2-8-升降板，2-9-水冷板；

图3为实施例3制备的高碳当量特厚钢板及经热处理后的光学显微镜图，其中：

图3(a)为实施例3制备的高碳当量特厚钢板的光学显微镜图，放大倍数为500倍；

图3(b)为实施例3制备的高碳当量特厚钢板经热处理后的光学显微镜图，放大倍数为500倍。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

一种用于制备高碳当量特厚钢板的真空焊接装置，其结构示意图如图2所示，图2(a)为正视图，图2(b)为图2(a)的俯视图，图2(c)为图2(a)的侧视图，包括真空室2-1，所述的真空室2-1顶部设有上补热单元2-3；

所述的真空焊接装置配备有焊接小车2-2-1，所述的焊接小车2-2-1设有旋转工作台面2-2-2，用于放置待焊接材料；

所述的真空焊接装置还包括有下补热单元2-4，所述的下补热单元2-4设置在焊接小车旋转工作台面2-2-2上；

所述的上补热单元2-3通过升降杆2-5与真空室2-1顶部连接，所述的升降杆2-5能够驱动上补热单元2-3上下运动；所述的上补热单元2-3用于对待焊接材料进行上补热，所述的下补热单元2-4用于对待焊接材料进行下补热；

所述的真空室2-1内设置有双电子枪，包括预热电子枪2-6和焊接电子枪2-7，所述的双电子枪与上下补热单元2-4之间设有隔热装置，所述的隔热装置设有升降板2-8和水冷板2-9；

所述的隔热装置用于阻隔真空室2-1内进行真空焊接的待焊接材料产生的高温热辐射对双电子枪的影响；所述的隔热装置的升降板2-8与双电子枪随动；所述的水冷板2-9用于带走焊接时高温辐射产生的热量。

一种高碳当量特厚钢板的制备方法，采用上述真空焊接装置，包括以下步骤：

步骤1，待复合面铣削：

选用55号中碳钢连铸坯，其主要化学成分质量百分含量为：C-0.55％，Mn-0.65％，Si-0.27％，Cr-0.25％，Cu-0.25％，经计算其碳当量为0.72％；

选取两块单坯尺寸为3m×2m×300mm的55号中碳钢连铸坯，将其通过退磁线圈，退磁至剩磁≤3mT后，在铣床上对连铸坯的待复合表面进行铣削加工，采用平面铣刀去除整个待复合面表面的氧化铁皮，再采用玉米铣刀铣削连铸坯的四个侧面，并且四个侧面的铣削深度为≥10mm，铣削完成后，四个侧面的宽度范围以坯料叠合后的长、宽尺寸差别≤5mm为准，待复合面最高点和最低点的高度差≤1mm，仅在一侧的待复合面四周的边缘处加工出台阶，台阶深度为4mm，宽度40mm，用于放置中间过渡层，完成铣削加工；

步骤2，坯料翻转对齐：

将铣削加工完成的连铸坯1的待复合面相对通过翻钢机，叠合到一起，通过对齐机构将上下两板对齐，并在铣削加工完成的连铸坯1的待复合面的台阶中加入焊接用中间过渡层2，厚度为4mm，宽度40mm，材质为无间隙原子钢(0.03％碳含量，无其他合金元素)，使中间过渡层2与台阶完全贴合，得到组合坯料，铣削加工完成的连铸坯与中间过渡层的组装图如图1所示，所述的中间过渡层2，通过加入相应尺寸的中间过渡层2，降低电子束焊缝中的碳当量和淬硬倾向，以便于进行后续的电子束焊接；

步骤3，坯料预热：

将组合坯料在有氮气保护的预热炉中预热至220℃并保温8h，使坯料整体达到均温状态；步骤4，坯料补热和真空电子束焊接：

(1)将预热后的组合坯料降落至焊接小车2-2-1上，并进入真空室2-1，并通过上下补热单元2-4对预热后的组合坯料温度保持在220℃，上补热单元2-3与下补热单元2-4对坯料进行补热时，当上补热单元2-3与预热后的组合坯料上部接触后，开始加热，同时下补热单元2-4也对预热后的组合坯料底部进行加热；上下补热的加热方式为采用红外线加热；将真空室2-1中抽真空至真空度1.0×10^-2Pa；

(2)采用双电子枪进行真空电子束焊接，预热电子枪2-6将电子束调整为散焦模式，聚焦方式为上聚焦方式，经散焦预热对焊缝预热至200～300℃后，焊接电子枪2-7进行电子束焊接，两枪之间的距离为100mm，采用190mA的电子束焊接电流，80kV的焊接电压与230mm/min的焊接速度，完成预热后的55号中碳钢连铸坯组合坯料的四周焊缝连接，采用双电子枪进行焊接，能够充分将中间过渡层熔化并使焊缝各种合金成分得到充分的熔合和扩散，避免焊接接头的冷裂以及焊缝中合金元素的偏析，焊接完成后通过控制补热单元热量供应程度使焊接后的组合坯以1℃/min的速度冷却到35℃，得到焊接完成的组合坯料，焊接小车2-2-1开出真空室2-1；

步骤5，焊缝检查：

对焊接完成的组合坯料焊缝进行超声波探伤检查，焊接缺陷直径≥2mm，将有缺陷的焊接完成的组合坯料置于真空室2-1抽真空后，通过上补热单元2-3与下补热单元2-4预热到200℃进行真空电子束补焊，使焊接缺陷直径＜2mm；

步骤6，加热：

将焊接合格的组合坯料在加热炉中以1℃/min的升温速度，从400℃入炉，加热至1200℃后保温6h；

步骤7，轧制：

(1)将加热后的组合坯料在轧机中进行轧制，开轧温度≥1150℃，轧制的总压下率为60％，共轧制7道次，轧制速度0.9m/s，完成轧制并制得高碳当量特厚钢板，尺寸为7.5m×2m×240mm，所述的高碳当量特厚板断面收缩率41％，满足Z35性能要求。

实施例2

本实施例的用于制备高碳当量特厚钢板的真空焊接装置，其结构同实施例1。

一种高碳当量特厚钢板的制备方法，采用上述真空焊接装置，包括以下步骤：

步骤1，待复合面铣削：

选用12Cr2Mo1R耐高温临氢钢，其主要化学成分质量百分含量为：C-0.12％，Cr-2.25％，Mo-1％，Ni-0.2％，Mn-0.45％，V-0.3％，经计算碳当量为0.92％；

选取两块单坯尺寸为3.5m×2.5m×300mm的12Cr2Mo1R钢连铸坯，将其通过退磁线圈，退磁至剩磁≤3mT后，在铣床上对连铸坯的待复合表面进行铣削加工，采用平面铣刀去除整个待复合面表面的氧化铁皮，再采用玉米铣刀铣削连铸坯的四个侧面，并且四个侧面的铣削深度≥10mm，铣削完成后，四个侧面的宽度范围以坯料叠合后的长、宽尺寸差别≤5mm为准，待复合面最高点和最低点的高度差≤1mm，仅在一侧的待复合面四周的边缘处加工出台阶，台阶深度为3mm，宽度50mm，用于放置中间过渡层，完成铣削加工；

步骤2，坯料翻转对齐：

将铣削加工完成的连铸坯1的待复合面相对通过翻钢机，叠合到一起，通过对齐机构将上下两板对齐，并在铣削加工完成的连铸坯1的待复合面的台阶中加入焊接用中间过渡层2，厚度为3mm，宽度50mm，材质为无间隙原子钢(0.03％碳含量，无其他合金元素)，使中间过渡层2与台阶完全贴合，得到组合坯料，铣削加工完成的连铸坯与中间过渡层的组装图如图1所示，所述的中间过渡层2，通过加入相应尺寸的中间过渡层2，降低电子束焊缝中的碳当量和淬硬倾向，以便于进行后续的电子束焊接；

步骤3，坯料预热：

将组合坯料在有氮气保护的预热炉中预热至260℃并保温20h，使坯料整体达到均温状态；

步骤4，坯料补热和真空电子束焊接：

(1)将预热后的组合坯料降落至焊接小车2-2-1上，并进入真空室2-1，并通过上下补热单元2-4对预热后的组合坯料温度保持在260℃，上补热单元2-3与下补热单元2-4对坯料进行补热时，当上补热单元2-3与预热后的组合坯料上部接触后，开始加热，同时下补热单元2-4也对预热后的组合坯料底部进行加热；上下补热的加热方式为采用红外线加热；将真空室2-1中抽真空至真空度3.0×10^-2Pa；

(2)采用双电子枪进行真空电子束焊接，预热电子枪2-6将电子束调整为散焦模式，聚焦方式为上聚焦方式，经散焦预热对焊缝预热至200～300℃后，焊接电子枪2-7进行电子束焊接，两枪之间的距离为100mm，采用170mA的电子束焊接电流，80kV的焊接电压与200mm/min的焊接速度，完成预热后的12Cr2Mo1R钢连铸坯组合坯料的四周焊缝连接，采用双电子枪进行焊接，能够充分将中间过渡层熔化并使焊缝各种合金成分得到充分的熔合和扩散，避免焊接接头的冷裂以及焊缝中合金元素的偏析，焊接完成后通过控制补热单元热量供应程度使焊接后的组合坯以1.5℃/min的速度冷却到55℃，得到焊接完成的组合坯料，焊接小车2-2-1开出真空室2-1；

步骤5，焊缝检查：

对焊接完成的组合坯料焊缝进行超声波探伤检查，确保焊接缺陷直径＜2mm，保证焊接合格；

步骤6，加热：

将焊接合格的组合坯料在加热炉中以1.5℃/min的升温速度，从400℃入炉，加热至1200℃后保温7h；

步骤7，轧制：

(1)将加热后的组合坯料在轧机中进行轧制，开轧温度≥1150℃，轧制的总压下率为65％，共轧制8道次，轧制速度1m/s，完成轧制并制得高碳当量特厚钢板，尺寸为10m×2.5m×210mm，所述的高碳当量特厚板断面收缩率44％，满足Z35性能要求；

(2)制备的高碳当量特厚板根据组织均匀性需要进行轧后热处理，在200℃入退火炉，在670℃退火26h，然后入保温坑以≤5℃/min的冷却速度缓冷至室温，完成轧后热处理。

实施例3

本实施例的用于制备高碳当量特厚钢板的真空焊接装置，其结构同实施例1。一种高碳

当量特厚钢板的制备方法，采用上述真空焊接装置，包括以下步骤：

步骤1，待复合面铣削：

选用P20塑料模具钢，其主要化学成分质量百分含量为：C-0.28％，Mn-1.3％，Cr-1.85％，Mo-0.4％，经计算碳当量为0.91％；

选取两块单坯尺寸为3.2m×2.4m×350mm的P20塑料模具钢连铸坯，将其通过退磁线圈，退磁至剩磁≤3mT后，在铣床上对连铸坯的待复合表面进行铣削加工，采用平面铣刀去除整个待复合面表面的氧化铁皮，再采用玉米铣刀铣削连铸坯的四个侧面，并且四个侧面的铣削深度为≥10mm，铣削完成后，四个侧面的宽度范围以坯料叠合后的长、宽尺寸差别≤5mm为准，待复合面最高点和最低点的高度差≤1mm，仅在一侧的待复合面四周的边缘处加工出台阶，台阶深度为4.5mm，宽度50mm，用于放置中间过渡层，完成铣削加工；

步骤2，坯料翻转对齐：

将铣削加工完成的连铸坯1的待复合面相对通过翻钢机，叠合到一起，通过对齐机构将上下两板对齐，并在铣削加工完成的连铸坯1的待复合面的台阶中加入焊接用中间过渡层2，厚度为4.5mm，宽度50mm，材质为无间隙原子钢(0.03％碳含量，无其他合金元素)，使中间过渡层2与台阶完全贴合，得到组合坯料，铣削加工完成的连铸坯与中间过渡层的组装图如图1所示，所述的中间过渡层2，通过加入相应尺寸的中间过渡层2，降低电子束焊缝中的碳当量和淬硬倾向，以便于进行后续的电子束焊接；

步骤3，坯料预热：

将组合坯料在有氮气保护的预热炉中预热至300℃并保温17h，使坯料整体达到均温状态；

步骤4，坯料补热和真空电子束焊接：

(1)将预热后的组合坯料降落至焊接小车2-2-1上，并进入真空室2-1，并通过上下补热单元2-4对预热后的组合坯料温度保持在300℃，上补热单元2-3与下补热单元2-4对坯料进行补热时，当上补热单元2-3与预热后的组合坯料上部接触后，开始加热，同时下补热单元2-4也对预热后的组合坯料底部进行加热；上下补热的加热方式为采用红外线加热；将真空室2-1中抽真空至真空度1.0×10^-2Pa；

(2)采用双电子枪进行真空电子束焊接，预热电子枪2-6将电子束调整为散焦模式，聚焦方式为上聚焦模式，经散焦预热对焊缝预热至300～400℃后，焊接电子枪2-7进行电子束焊接，两枪之间的距离为100mm，采用180mA的电子束焊接电流，80kV的焊接电压与210mm/min的焊接速度，完成预热后的P20塑料模具钢连铸坯组合坯料的四周焊缝连接，采用双电子枪进行焊接，能够充分将中间过渡层熔化并使焊缝各种合金成分得到充分的熔合和扩散，避免焊接接头的冷裂以及焊缝中合金元素的偏析，焊接完成后通过控制补热单元热量供应程度使焊接后的组合坯以1℃/min的速度冷却到25℃，得到焊接完成的组合坯料，焊接小车2-2-1开出真空室2-1；

步骤5，焊缝检查：

对焊接完成的组合坯料焊缝进行超声波探伤检查，确保焊接缺陷直径＜2mm，保证焊接合格；

步骤6，加热：

将焊接合格的组合坯料在加热炉中以1℃/min的升温速度，从400℃入炉，加热至1200℃后保温8h；

步骤7，轧制：

(1)将加热后的组合坯料在轧机中进行轧制，开轧温度≥1150℃，轧制的总压下率为50％，共轧制6道次，轧制速度1m/s，完成轧制并制得高碳当量特厚钢板，尺寸为6.4m×2.4m×350mm，所述的高碳当量特厚板断面收缩率42％，满足Z35性能要求，其光学显微镜图如图3(a)所示；

(2)制备的高碳当量特厚板根据组织均匀性需要进行轧后热处理，200℃入正火炉，在930℃正火温度保温5h后淬火，580℃回火4h后空冷到室温，完成轧后热处理，其光学显微镜图如图3(b)所示，组织均匀性更好。

实施例4

本实施例的用于制备高碳当量特厚钢板的真空焊接装置，其结构同实施例1。

一种高碳当量特厚钢板的制备方法，采用上述真空焊接装置，包括以下步骤：

步骤1，待复合面铣削：

选用55号中碳钢连铸坯，其主要化学成分质量百分含量为：C-0.55％，Mn-0.65％，Si-0.27％，Cr-0.25％，Cu-0.25％，经计算其碳当量为0.72％；

选取两块单坯尺寸为4m×3m×350mm的55号中碳钢钢连铸坯，将其通过退磁线圈，退磁至剩磁≤3mT后，在铣床上对连铸坯的待复合表面进行铣削加工，采用平面铣刀去除整个待复合面表面的氧化铁皮，再采用玉米铣刀铣削连铸坯的四个侧面，并且四个侧面的铣削深度为≥10mm，铣削完成后，四个侧面的宽度范围以坯料叠合后的长、宽尺寸差别≤5mm为准，待复合面最高点和最低点的高度差≤1mm，仅在一侧的待复合面四周的边缘处加工出台阶，台阶深度为4.5mm，宽度60mm，用于放置中间过渡层，完成铣削加工；

步骤2，坯料翻转对齐：

将铣削加工完成的连铸坯1的待复合面相对通过翻钢机，叠合到一起，通过对齐机构将上下两板对齐，并在铣削加工完成的连铸坯1的待复合面的台阶中加入焊接用中间过渡层2，厚度为4.5mm，宽度60mm，材质为无间隙原子钢(0.02％碳含量，无其他合金元素)，使中间过渡层2与台阶完全贴合，得到组合坯料，铣削加工完成的连铸坯与中间过渡层的组装图如图1所示，所述的中间过渡层2，通过加入相应尺寸的中间过渡层2，降低电子束焊缝中的碳当量和淬硬倾向，以便于进行后续的电子束焊接；

步骤3，坯料预热：

将组合坯料在有氮气保护的预热炉中预热至240℃并保温20h，使坯料整体达到均温状态；

步骤4，坯料补热和真空电子束焊接：

(1)将预热后的组合坯料降落至焊接小车2-2-1上，并进入真空室2-1，并通过上下补热单元2-4对预热后的组合坯料温度保持在240℃，上补热单元2-3与下补热单元2-4对坯料进行补热时，当上补热单元2-3与预热后的组合坯料上部接触后，开始加热，同时下补热单元2-4也对预热后的组合坯料底部进行加热；上下补热的加热方式为采用陶瓷电阻加热；将真空室2-1中抽真空至真空度3×10^-2Pa；

(2)采用双电子枪进行真空电子束焊接，预热电子枪2-6将电子束调整为散焦模式，聚焦方式为上聚焦模式，经散焦预热对焊缝预热至300～400℃后，焊接电子枪2-7进行电子束焊接，两枪之间的距离为100mm，采用210mA的电子束焊接电流，80kV的焊接电压与220mm/min的焊接速度，完成预热后的55号中碳钢连铸坯组合坯料的四周焊缝连接，采用双电子枪进行焊接，能够充分将中间过渡层熔化并使焊缝各种合金成分得到充分的熔合和扩散，避免焊接接头的冷裂以及焊缝中合金元素的偏析，焊接完成后通过控制补热单元热量供应程度使焊接后的组合坯以0.8℃/min的速度缓冷至25℃，得到焊接完成的组合坯料，焊接小车2-2-1开出真空室2-1；

步骤5，焊缝检查：

对焊接完成的组合坯料焊缝进行超声波探伤检查，确保焊接缺陷直径＜2mm，保证焊接合格；

步骤6，加热：

将焊接合格的组合坯料在加热炉中以0.8℃/min的升温速度，从400℃入炉，加热至1230℃后保温8h；

步骤7，轧制：

(1)将加热后的组合坯料在轧机中进行轧制，开轧温度≥1150℃，轧制的总压下率为50％，共轧制5道次，轧制速度0.9m/s，完成轧制并制得高碳当量特厚钢板，尺寸为8m×3m×350mm，所述的高碳当量特厚板断面收缩率44％，满足Z35性能要求。

实施例5

本实施例的用于制备高碳当量特厚钢板的真空焊接装置，其结构同实施例1。

一种高碳当量特厚钢板的制备方法，采用上述真空焊接装置，包括以下步骤：

步骤1，待复合面铣削：

选用14Cr1MoR耐高温临氢钢，其主要化学成分质量百分含量为：C-0.14％，Cr-1.2％，Mo-0.5％，Ni-0.22％，Mn-0.55％，Si-0.65％，经计算碳当量为0.58％；

选取两块单坯尺寸为4m×3m×350mm的14Cr1MoR临氢钢连铸坯，其通过退磁线圈，退磁至剩磁≤3mT后，在铣床上对连铸坯的待复合表面进行铣削加工，采用平面铣刀去除整个待复合面表面的氧化铁皮，再采用玉米铣刀铣削连铸坯的四个侧面，并且四个侧面的铣削深度为≥10mm，铣削完成后，四个侧面的宽度范围以坯料叠合后的长、宽尺寸差别≤5mm为准，待复合面最高点和最低点的高度差≤1mm，仅在一侧的待复合面四周的边缘处加工出台阶，台阶深度为2mm，宽度60mm，用于放置中间过渡层，完成铣削加工；

步骤2，坯料翻转对齐：

将铣削加工完成的连铸坯1的待复合面相对通过翻钢机，叠合到一起，通过对齐机构将上下两板对齐，并在铣削加工完成的连铸坯1的待复合面的台阶中加入焊接用中间过渡层2，厚度为2mm，宽度60mm，材质为无间隙原子钢(0.04％碳含量，无其他合金元素)，使中间过渡层2与台阶完全贴合，得到组合坯料，铣削加工完成的连铸坯与中间过渡层的组装图如图1所示，所述的中间过渡层2，通过加入相应尺寸的中间过渡层2，降低电子束焊缝中的碳当量和淬硬倾向，以便于进行后续的电子束焊接；

步骤3，坯料预热：

将组合坯料在有氩气保护的预热炉中预热至150℃并保温10h，使坯料整体达到均温状态；

步骤4，坯料补热和真空电子束焊接：

(1)将预热后的组合坯料降落至焊接小车2-2-1上，并进入真空室2-1，并通过上下补热单元2-4对预热后的组合坯料温度保持在150℃，上补热单元2-3与下补热单元2-4对坯料进行补热时，当上补热单元2-3与预热后的组合坯料上部接触后，开始加热，同时下补热单元2-4也对预热后的组合坯料底部进行加热；上下补热的加热方式为采用陶瓷电阻加热；将真空室2-1中抽真空至真空度5×10^-2Pa；

(2)采用双电子枪进行真空电子束焊接，预热电子枪2-6将电子束调整为散焦模式，聚焦方式为上聚焦模式，经散焦预热对焊缝预热至200～300℃后，焊接电子枪2-7进行电子束焊接，两枪之间的距离为100mm，采用150mA的电子束焊接电流，80kV的焊接电压与200mm/min的焊接速度，完成预热后的14Cr1MoR临氢钢连铸坯组合坯料的四周焊缝连接，采用双电子枪进行焊接，能够充分将中间过渡层熔化并使焊缝各种合金成分得到充分的熔合和扩散，避免焊接接头的冷裂以及焊缝中合金元素的偏析，焊接完成后通过控制补热单元热量供应程度使焊接后的组合坯以2℃/min的速度缓冷至70℃，得到焊接完成的组合坯料，焊接小车2-2-1开出真空室2-1；

步骤5，焊缝检查：

对焊接完成的组合坯料焊缝进行超声波探伤检查，确保焊接缺陷直径＜2mm，保证焊接合格；

步骤6，加热：

将焊接合格的组合坯料在加热炉中以2℃/min的升温速度，从400℃入炉，加热至1170℃后保温6h；

步骤7，轧制：

(1)将加热后的组合坯料在轧机中进行轧制，开轧温度≥1150℃，轧制的总压下率为40％，共轧制5道次，轧制速度0.9m/s，完成轧制并制得高碳当量特厚钢板，尺寸为10m×3m×280mm，所述的高碳当量特厚板断面收缩率为45％，满足Z35性能要求。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变形。

Claims (10)

1.一种用于制备高碳当量特厚钢板的真空焊接装置，其特征在于，包括真空室，所述的真空室顶部设有上补热单元；

所述的真空焊接装置还包括有下补热单元；

所述的真空室内设置有双电子枪，所述的双电子枪与上下补热单元之间设有隔热装置，所述的隔热装置设有升降板和水冷板。

2.根据权利要求1所述的用于制备高碳当量特厚钢板的真空焊接装置，其特征在于，所述的上补热单元通过升降杆与真空室顶部连接，所述的升降杆能够驱动上补热单元上下运动。

3.根据权利要求1所述的用于制备高碳当量特厚钢板的真空焊接装置，其特征在于，所述的真空焊接装置配备有焊接小车，所述的焊接小车设有旋转工作台面，用于放置待焊接材料，所述的下补热单元设置在焊接小车旋转工作台面上。

4.根据权利要求1所述的用于制备高碳当量特厚钢板的真空焊接装置，其特征在于，所述的双电子枪为预热电子枪和焊接电子枪。

5.一种高碳当量特厚钢板的制备方法，采用权利要求1所述的真空焊接装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，表面铣削：

取两组或多组连铸坯或钢板，对连铸坯或钢板的待复合表面进行铣削加工，使整个表面完全露出新鲜金属，在待复合面四周的边缘处加工出台阶，完成铣削加工，其中：所述的连铸坯或钢板的碳当量≥0.4％，所述的台阶深度为2～10mm，宽度≥10mm；

步骤2，坯料翻转对齐：

将铣削加工完成的连铸坯或钢板进行叠合和对齐，并在铣削加工完成的连铸坯或钢板的待复合面的台阶中加入焊接用中间过渡层，得到组合坯料；

步骤3，坯料预热：

将组合坯料预热至150～500℃并保温2～20h，预热过程中通入保护气体；

步骤4，坯料补热和真空电子束焊接：

(1)将预热后的组合坯料在真空室中抽真空，并通过上下补热单元对预热后的组合坯料补热至150～500℃的预热设定温度；

(2)采用双电子枪进行真空电子束焊接，预热电子枪散焦预热后，焊接电子枪进行焊接，完成预热后的组合坯料的四周焊缝连接，焊接完成后以≤2℃/min的速度缓冷至25～100℃，得到焊接完成的组合坯料；

步骤5，焊缝检查：

对焊接完成的组合坯料焊缝进行检查，确保焊接缺陷直径＜2mm，保证焊接合格；

步骤6，加热：

将焊接合格的组合坯料加热至1170～1300℃后进行保温，保温时间≥2h；

步骤7，轧制：

将加热后的组合坯料进行轧制，开轧温度≥1150℃，轧制的总压下率≥30％，道次压下率≥5％，完成轧制并制得高碳当量特厚钢板，所述的高碳当量特厚板满足Z35性能要求。

6.根据权利要求5所述的高碳当量特厚钢板的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，连铸坯或钢板预先经过退磁处理，将连铸坯或钢板退磁至剩磁≤3mT后，再对其待复合面进行铣削加工。

7.根据权利要求5所述的高碳当量特厚钢板的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，所述的中间过渡层尺寸以能够与台阶完全贴合为准，所述的中间过渡层厚度为2～10mm，宽度≥10mm，材质为低碳钢或超低碳钢(不含其他合金元素)，碳质量含量≤0.05％。

8.根据权利要求5所述的高碳当量特厚钢板的制备方法，其特征在于，所述的步骤4(1)中，抽真空至真空度≤5×10^-2Pa。

9.根据权利要求5所述的高碳当量特厚钢板的制备方法，其特征在于，所述的步骤4(1)中，上下补热的加热方式为采用红外线加热或陶瓷电阻加热。

10.根据权利要求5所述的高碳当量特厚钢板的制备方法，其特征在于，所述的步骤6中，焊接合格的组合坯料加热升温速度≤2℃/min。