CN109604782A - 一种随焊旋转冲击控制调质钢焊接热影响区软化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随焊旋转冲击控制调质钢焊接热影响区软化的方法，步骤为：安装随焊旋转冲击装置；安装红外测温装置；焊接及随焊冲击旋转挤压。本发明的随焊旋转冲击局部关键区域的方法实现了高效化、精确化控制热影响区软化问题，通过控制超过其调质处理中回火温度区域的塑性变形量及物理冶金的角度出发，采用旋转冲击处理形成了作用区域的较强塑性变形量，细化作用区域的晶粒，抑制碳原子的扩散，诱发马氏体相变，增加作用区域的强度、塑韧性，从根本上抑制了高强钢焊接热影响区接头软化的问题。与传统的改变焊接方法限制焊接热输入和焊后热处理工艺比较，本发明的随焊旋转冲击处理方法采用强复合载荷作用随焊抑制焊接接头软化的效果明显。

Description

一种随焊旋转冲击控制调质钢焊接热影响区软化的方法

技术领域

本发明属于调质钢热处理的技术领域，尤其涉及一种随焊旋转冲击控制调质钢焊接热影响区软化的方法。

背景技术

低合金高强钢综合性能好，经济效益显著，是焊接结构中用量非常大的一类工程材料。低合金高强钢按其屈服强度级别及热处理状态又分为：热轧及正火钢、低碳调质钢、中碳调质钢。其中，调质钢在淬火高温回火后具有良好的综合力学性能，具有较高的强度，良好的塑韧性，因此在机械零件制造中被广泛地使用。

在调质钢焊接过程中，热循环峰值温度介于回火温度与AC1之间的热影响区会产生强度和硬度的降低，即出现局部软化现象。而且，调质钢的强度级别越高，软化问题越突出。调质钢焊接热影响区软化问题的解决，常常通过应用能量密度高的焊接方法，减少焊接热输入降低热影响区的软化程度；或是焊后重新进行调质处理。但是，通过采用高能束的焊接方法降低焊接热输入，需要增加较大的设备投入；另外，降低焊接热输入如果控制不好则会产生咬边、未焊透等缺陷，难以保证焊缝质量。焊后重新进行调质处理，常因工件的尺度和形状难以实现。

公开号为CN101138817的发明专利公开了一种随焊冲击旋转挤压控制焊接应力变形的装置，涉及一种控制薄壁金属焊接应力变形的装置，针对随焊冲击碾压控制焊接应力变形的装置作业时噪音较大，工作环境差，且受冲击碾压轮和焊枪尺寸的影响，轮枪距无法满足理论理想值的问题。压杆的上端插入到电锤的头部内，电锤紧固在二号支座上，底板的另一侧面上固定有两对滑块和一个丝母，丝母和升降丝杠配合，两对滑块分别和两个导轨配合，导轨的两端分别固装在支座上，两个导轨和升降丝杠平行，升降丝杠的两端装有轴承，支座固定在底座上。该发明的频率与冲击力大小均可调节，既能控制直焊缝又能控制封闭环焊缝，而且还可以有效防止产生焊接热裂纹。该装置主要针对薄壁金属焊接应力变形进行控制，还可以有效防止焊缝处产生焊接热裂纹。从其研究背景来看，主要是针对焊缝处的焊接不足进行控制。焊接加热过程形成了焊缝、焊接热影响区，这两个区域都对焊接接头质量有着至关重要的影响，为了进一步提升焊接接头的焊接质量，在保证焊缝质量的前提下，也需要对焊接热影响区进行控制，建立焊接接头质量控制体系。

调质钢焊接过程中，热循环峰值温度介于回火温度与AC1之间的热影响区会产生强度和硬度的降低，即出现局部软化现象。而且调质钢的强度级别越高，软化问题越突出。调质钢焊接热影响区软化问题的解决，常常通过采用高能量密度的焊接方法，通过限制焊接热输入来抑制接头软化的程度。另外，也可以焊后重新进行调质处理。但是，限制焊接热输入需要增加设备投入，甚至可能导致焊接接头产生大量的缺陷；焊后重新进行调质处理常因工件的尺度和形状难以实现。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种随焊旋转冲击控制调质钢焊接热影响区软化的方法，提升焊接影响区中回火软化区的强度，增加焊接接头的承载性能，抑制焊接热影响区软化的效果明显。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种随焊旋转冲击控制调质钢焊接热影响区软化的方法，包括以下步骤：

步骤1：安装随焊旋转冲击装置，通过旋转冲击电锤对工件进行冲击；

步骤2：安装红外测温装置，用于标识工件焊接热循环过程中热影响区的峰值温度；

步骤3：焊接及随焊冲击旋转挤压，用于当所述红外测温装置所测量的温度超过工件调质时的回火温度时，停止移动红外测温装置，迅速下压所述旋转冲击电锤，使得旋转冲击电锤对工件超过调质时的回火温度处形成强烈的冲击作用。

优选的，所述旋转冲击电锤通过环形结构件固定在随焊旋转冲击装置的垂直放置的十字滑台上。

进一步的，所述旋转冲击电锤的输出功率：980W；额定频率：50Hz；空载转速：800r/min；额定电压：220V。

可选的，所述旋转冲击电锤底部的旋转冲击杆与工件作用处设有直径不小于6mm的过渡圆角。

进一步的，所述红外测温装置通过工装夹具固定在随焊旋转冲击装置的垂直放置的十字滑台上；

所述工装夹具包括固定轴、滑动连接在所述固定轴一端上的中空矩形块，所述固定轴的另一端插入台阶式圆形块的阶梯圆形盲孔中，并通过压紧螺栓压紧；所述台阶式圆形块固定在所述垂直放置的十字滑台上。

可选的，在步骤3中，在工件起始及焊接结束部位的预点焊处分别设置引入板、引出板。

进一步的，在步骤3中，工件装夹紧固在水平放置的十字滑台上后，按照设定的焊接速度对水平放置的十字滑台进行移动，同时由工件的板边向板中心位置调整装夹在所述垂直放置的十字滑台上的红外测温装置；

当红外测温装置所测量的温度超过调质时的回火温度时，停止移动红外测温装置，迅速下压旋转冲击电锤，使得旋转冲击电锤对工件超过调质时的回火温度处形成强烈的冲击作用。

由上，本发明的随焊旋转冲击控制调质钢焊接热影响区软化的方法采用机械加载通过冲击、剪切耦合作用方式形成变形强化、抑制第二相粗化、诱发马氏体相变等效应，提升焊接影响区中回火软化区的强度，继而增加焊接接头的承载性能。本发明的随焊旋转冲击局部关键区域的方法实现了高效化、精确化控制热影响区软化问题，工艺参数根据实际工件可在一定范围内进行调整，具有良好的工艺裕度。本发明针对焊接热循环所导致的调质钢焊接热影响区软化问题，焊接冷却过程中通过控制超过其调质处理中回火温度区域的塑性变形量及物理冶金的角度出发，采用旋转冲击处理形成了作用区域的较强塑性变形量，细化了作用区域的晶粒，抑制了碳原子的扩散，诱发了马氏体相变，增加了作用区域的强度、塑韧性，从根本上抑制了高强钢焊接热影响区接头软化的问题。与传统的改变焊接方法限制焊接热输入和焊后热处理工艺比较，本发明的随焊旋转冲击处理方法采用强复合载荷作用随焊抑制焊接接头软化的效果明显。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明的随焊旋转冲击控制调质钢焊接热影响区软化的方法中的随焊旋转冲击工装示意图；

图2为本发明中的环形结构件的结构示意图；

图3为本发明中的工装夹具的结构示意图；

图4为常规焊接和采用本发明的随焊旋转冲击挤压焊接后工件的微观组织对比图；

图5为有、无随焊旋转冲击作用的热影响区的最低硬度图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

参见图1至图5，本发明的随焊旋转冲击技术强化焊接接头承载能力的方法，是在焊接过程中，利用外加机械装置产生的旋转冲击形成压缩应力和剪切应力耦合作用于循环峰值温度介于回火温度与AC1之间的热影响区域，对仍处于较高温度的区域产生较强的塑性变形，起到应变强化作用；同时使该区域的材料受到强烈挤压状态的力学作用，抑制碳原子的扩散，从根本上减少碳化物的粗化；作用区域的强烈的应力及应变使得该区域产生诱发马氏体相变，提高区域中的马氏体含量，继而增加区域的强度、硬度。这三种效应使得焊接热影响区中软化部位的承载能力降低的趋势得到抑制，从而提高调质钢焊接结构件承载性能。本发明按照以下步骤进行：

第一步：随焊旋转冲击装置的安装：将两把实现旋转冲击的旋转冲击电锤7安装在垂直放置的十字滑台5上，十字滑台5距焊缝中心有一定距离，且平面与工件表面垂直。旋转冲击电锤7与十字滑台5间紧固通过一个厚度为30mm的环形结构件和穿过环形结构件底端部通孔的两根M10螺栓、垫片、螺帽实现；环形结构件上制有两处夹角为180°的M6的螺纹，旋转冲击电锤与环形结构件通过两个螺栓实现紧固，环形结构件如图2所示。随焊旋转冲击装置的旋转冲击电锤7的具体参数包括输出功率：980W；额定频率：50Hz；空载转速：800r/min；额定电压：220V。要注意的是随焊旋转冲击装置的输入电压可以在0～220V内进行调整，调整电压时会导致旋转冲击电锤底部的旋转冲击杆4的旋转速度、冲击频率、冲击力都发生了变化。因此在实际使用时，要对相关工件进行试验测试后，再决定所采用的输入电压，这是一个关键的工艺参数。旋转冲击杆采用高速钢W18Cr4V制成，具体参数为杆长：170mm；杆直径：18mm，经热处理后冲击杆硬度>60HRC，并旋转冲击杆4与工件作用处制备出直径不小于6mm的过渡圆角，过渡圆角使得旋转冲击杆由作用区域过渡到未作用区域的移动更加顺畅。

第二步：红外测温装置的安装：采用测温量程为不小于900℃的红外线工业级测温仪6，放置在如图3所示的工装夹具上，该工装夹具实现了测温仪6的安装及其与十字滑台5的紧固连接。采用开有与测温仪测试端相同尺寸的中空矩形块31放置测温仪。当需要调整测温仪位置，适度地松开螺栓41，待确定后，紧固螺栓41，防止测温仪滑动。将中空矩形块31与直径为Φ10的固定轴21的一端相紧固，固定轴21的另一端插入台阶式圆形块11的阶梯圆形盲孔中，通过穿过台阶处的M3螺栓51压紧台阶处的固定轴21。通过M6的螺栓穿过台阶式圆形块11的光孔，将其固定在十字滑台5上。在焊接前的初始调整位置时，使测温仪6在工件上的测量点与旋转冲击杆的端部中心重合，测量点主要用于标识焊接热循环过程中热影响区某处的峰值温度。实时测量时，当测量点处的峰值温度大于工件调质处理的回火温度时，将旋转冲击杆作用在该处。

第三步：焊接及随焊冲击旋转挤压：工件起始及焊接结束部位的预点焊处分别设置引入板、引出板。引入板是将电弧引入工件的板，是为了避免工件上产生引弧所导致缺陷；同时可以为冲击装置及测温装置的调整提供时间，便于操作。引出板是将电弧引出工件的板件，是为了避免工件上因收弧所导致的缺陷，并在随焊旋转冲击装置完成整个作用区域的旋转挤压后，提升旋转冲击装置避免对辅助工装的影响。工件装夹紧固后，在引入板上通过TIG焊枪8引燃电弧，水平放置的十字滑台1、装夹螺栓2和焊接工件3按照焊接工艺中设定的焊接速度进行移动，同时由板边向板中心位置调整装夹在十字滑台5上的红外测温装置，当红外测温装置所测量的温度超过调质时的回火温度时，停止移动红外测温装置，迅速下压旋转冲击电锤底部的旋转冲击杆4，使得旋转冲击杆4对该处形成强烈的冲击作用。当焊接电弧移动到引出板，随焊旋转冲击装置完成对整个工件作用时，提升随焊旋转冲击装置，完成整个过程。随焊旋转冲击工装如图1所示。

本发明通过较高温度区域的冲击挤压及旋转剪切耦合作用，导致焊接热循环峰值温度超过回火温度区域产生强烈塑性变形。这种作用产生了以下三方面的影响：第一，作用区域处金属材料产生较大的塑性变形，导致作用处晶粒细化，产生加工强化，材料的屈服强度、塑韧性增加；第二，作用区域处于三向受压状态，由金属物理学的基础理论中J＝Dc/kT*F(其中J为溶质流量；D为扩撒系数；c为单位体积中原子的数目，即浓度；k为常数；T为温度；F为外界作用应力)知，在压应力作用下溶质扩散降低，从而抑制了第二相碳化物的粗化；第三，调质组织在冲击旋转应力及应变的作用下，诱发马氏体转变，抑制焊接过程中的组织软化的转变过程。

如图4所示，对厚度为4mm的30CrMnSi调质态钢板进行随焊旋转冲击处理，焊接电流180A，焊接速度为1.5mm/S，气流量为10L/min，旋转冲击电锤的输入电压为160V，作用处温度不低于400℃。该工艺参数下的微观组织如图4所示，经过处理的30CrMnSi钢板焊接热影响区产生了明显的塑性变形的痕迹；常规焊接下的晶粒边界处白色的铁素体因旋转冲击力学作用下转变为马氏体形态；同时经旋转冲击作用后无粗大碳化物出现。

采用维氏硬度计进行热影响区的硬度测量，测量位置为工件表面以下1mm处，测量间距为0.5mm，测量热影响区的最低硬度。通过硬度试验，有、无随焊旋转冲击作用的热影响区的最低硬度如图5所示，作用处的硬度与无随焊旋转冲击的工件有明显变化，由原来173HV上升到217HV，硬度增加幅度为原来1.25倍，作用区域的力学性能有明显的变化。

与传统的降低焊接热输入、焊后调质处理的方式相比，本发明的随焊旋转冲击局部关键区域的方法实现了高效化、精确化控制热影响区软化问题，工艺参数根据实际工件可在一定范围内进行调整，具有良好的工艺裕度。本发明针对焊接热循环所导致的调质钢焊接热影响区软化问题，焊接冷却过程中通过控制超过其调质处理中回火温度区域的塑性变形量及物理冶金的角度出发，采用旋转冲击处理形成了作用区域的较强塑性变形量，细化了作用区域的晶粒，抑制了碳原子的扩散，诱发了马氏体相变，增加了作用区域的强度、塑韧性，从根本上抑制了高强钢焊接热影响区接头软化的问题。与传统的改变焊接方法限制焊接热输入和焊后热处理工艺比较，本发明的随焊旋转冲击处理方法采用强复合载荷作用随焊抑制焊接接头软化的效果明显，可以增加20％以上。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种随焊旋转冲击控制调质钢焊接热影响区软化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：安装随焊旋转冲击装置，通过旋转冲击电锤对工件进行冲击；

步骤2：安装红外测温装置，用于标识工件焊接热循环过程中热影响区的峰值温度；

步骤3：焊接及随焊冲击旋转挤压，用于当所述红外测温装置所测量的温度超过工件调质时的回火温度时，停止移动红外测温装置，迅速下压所述旋转冲击电锤，使得旋转冲击电锤对工件超过调质时的回火温度处形成强烈的冲击作用。

2.如权利要求1所述的随焊旋转冲击控制调质钢焊接热影响区软化的方法，其特征在于，所述旋转冲击电锤通过环形结构件固定在随焊旋转冲击装置的垂直放置的十字滑台上。

3.如权利要求1所述的随焊旋转冲击控制调质钢焊接热影响区软化的方法，其特征在于，所述旋转冲击电锤的输出功率：980W；额定频率：50Hz；空载转速：800r/min；额定电压：220V。

4.如权利要求1所述的随焊旋转冲击控制调质钢焊接热影响区软化的方法，其特征在于，所述旋转冲击电锤底部的旋转冲击杆与工件作用处设有直径不小于6mm的过渡圆角。

5.如权利要求1所述的随焊旋转冲击控制调质钢焊接热影响区软化的方法，其特征在于，所述红外测温装置通过工装夹具固定在随焊旋转冲击装置的垂直放置的十字滑台上；

所述工装夹具包括固定轴、滑动连接在所述固定轴一端上的中空矩形块，所述固定轴的另一端插入台阶式圆形块的阶梯圆形盲孔中，并通过压紧螺栓压紧；所述台阶式圆形块固定在所述垂直放置的十字滑台上。

6.如权利要求1所述的随焊旋转冲击控制调质钢焊接热影响区软化的方法，其特征在于，在步骤3中，在工件起始及焊接结束部位的预点焊处分别设置引入板、引出板。

7.如权利要求2所述的随焊旋转冲击控制调质钢焊接热影响区软化的方法，其特征在于，在步骤3中，工件装夹紧固在水平放置的十字滑台上后，按照设定的焊接速度对水平放置的十字滑台进行移动，同时由工件的板边向板中心位置调整装夹在所述垂直放置的十字滑台上的红外测温装置；

当红外测温装置所测量的温度超过调质时的回火温度时，停止移动红外测温装置，迅速下压旋转冲击电锤，使得旋转冲击电锤对工件超过调质时的回火温度处形成强烈的冲击作用。