CN110000448B - 一种焊接钢板的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钢材电弧焊领域，公开了一种焊接钢板的方法和装置。所述焊接钢板的方法包括在钢板电弧焊过程中，对焊缝熔池施加脉冲电压，所述脉冲电压所产生的脉冲电场的方向与两块钢板待焊接面连线基本垂直。采用本发明提供的方法和装置对钢板进行焊接，能够有效细化晶粒尺寸并降低焊缝晶粒的板厚方向尺寸，构建特定的焊缝晶体取向拓扑形态，从而抑制裂纹的产生。

Description

一种焊接钢板的方法和装置
技术领域
本发明属于钢材电弧焊领域，具体涉及一种焊接钢板的方法和装置。
背景技术
目前，随着钢材结构尺度的增大，大型结构越来越多地采用高强度且大厚度的钢材，由此可以增加承载能力。然而，随着钢材强度的增加，强化机理变得越发复杂，焊接裂纹敏感性也随之变大，其中，焊接裂纹是大型结构的主要焊接质量问题。目前，钢板之间的焊接通常是在两块待焊接的钢板之间利用高温热源将焊丝和接缝处的金属熔化形成熔池，待熔池冷却结晶之后便形成焊缝以将这两块钢板连接成整体。
当熔池冷却结晶时，焊缝晶粒不断长大，形成焊缝的晶粒大小和取向等拓扑形态遵循结晶学体系自由能最低原则，焊缝中心因过冷度最低成为最后结晶区域。而熔池中各化学成分的凝固点不同，低熔点成分最后结晶，因而聚集于焊缝中心区域。如图4所示，钢板焊缝中低熔点成分(夹杂物)力学性能一般低于高熔点成分，因而当施加载荷时，焊缝中心区域成为裂纹聚集地。采用现有的焊接方式所得焊缝晶粒尺寸粗大致使焊缝中心区域容易断裂。此外，焊缝中心区域低熔点成分沿钢板板厚方向分布。因此，细化晶粒和降低焊缝中心区域晶粒沿板厚方向尺寸可有效降低冶金因素对焊接工艺应力和载荷的影响，抑制焊缝裂纹。
为了降低焊缝中裂纹率，目前关注的重点在于控制焊接工艺因素，通过调整焊接速度、焊前预热和焊后后热等方式，减小焊接工艺应力、改变焊缝中夹杂物形态。然而，采用此方法裂纹抑制效率低，成本高，且有效窗口窄。而利用电脉冲辅助焊缝构建晶体取向拓扑形态、降低焊缝区域晶粒沿板厚方向尺寸以抑制裂纹的方法未见有关文献披露。
发明内容
本发明的目的是为了克服采用现有的钢板电弧焊所得焊接钢板存在裂纹敏感性高、容易产生裂纹的问题，而提供一种利用电脉冲细化晶粒、降低焊缝晶粒沿板厚方向尺寸、促使焊缝晶粒沿板平面取向分布的抑制裂纹的焊接方法和装置，实现无裂焊接。
具体地，本发明提供了一种焊接钢板的方法，其中，该方法包括在钢板电弧焊过程中，对焊缝熔池施加脉冲电压，所述脉冲电压所产生的脉冲电场的方向与两块钢板待焊接面连线基本垂直。
进一步的，所述脉冲电压为频率不低于200Hz的高频脉冲电压。
进一步的，所述脉冲电压为方波脉冲电压，频率为250-350Hz，脉冲宽度为10-50μs，电压峰值为90-110V。
进一步的，所述钢板的厚度为8-12mm。
进一步的，所述钢板电弧焊为CO2气体保护焊和/或埋弧焊。
进一步的，当所述钢板电弧焊为CO2气体保护焊时，焊接电流为140-180A，焊接电压为20-30V，焊接速度为200-300mm/min。
进一步的，当所述钢板电弧焊为埋弧焊时，焊接电流为750-850A，焊接电压为32-35V，焊接速度为400-650mm/min。
进一步的，所述钢板电弧焊所采用的焊丝的材质选自H08Mn2Si、H08Mn2SiA、H08A和H08MnSi中的至少一种。
本发明还提供了一种焊接钢板的装置，所述焊接钢板的装置包括弧焊电源，所述弧焊电源的一端与待焊接钢板相连且另一端通过焊枪与焊丝相连，其中，所述焊接钢板的装置还包括脉冲电源，所述脉冲电源的两端分别与两块待焊接钢板相连，用于在钢板电弧焊过程中，对焊缝熔池施加能够产生方向与两块钢板待焊接面连线基本垂直的脉冲电场的脉冲电压。
进一步的，所述脉冲电源的两端均通过导电滚轮分别与两块待焊接钢板相连，所述导电滚轮能够随着焊枪移动。
进一步的，所述脉冲电源所产生的脉冲电压为方波脉冲电压，频率为250-350Hz，脉冲宽度为10-50μs，电压峰值为90-110V。
本发明的发明人经过深入研究之后发现，在钢板电弧焊过程中，对焊缝熔池施加脉冲电压，能够有效细化晶粒尺寸并降低焊缝晶粒的板厚方向尺寸，构建特定的焊缝晶体取向拓扑形态，从而抑制裂纹的产生。当晶粒细化之后，沿晶开裂阻力和韧性增加，低应力开裂现象能够得以抑制，焊缝强度和韧性能够得以提升，抗裂性增强；当晶粒板厚方向尺寸降低之后，能够弥散化夹杂物的聚集形态，降低低力学性能夹杂物对焊缝截面减小效应。此外，焊接过程中电脉冲产生的洛伦兹力还能够使结晶前沿晶粒产生弯矩，形成孪晶和凹形晶粒，裂纹扩展至孪晶和凹形晶时会发生偏转或止裂，从而能够增加韧性，有效抑制裂纹的产生。
附图说明
图1为本发明提供的焊接钢板的装置的工作示意图；
图2为对比例1得到的参比焊接钢板焊缝的金相组织结构图；
图3为实施例1得到的焊接钢板焊缝的金相组织结构图；
图4为背景技术中结晶裂纹与晶粒关系图。
具体实施方式
下面详细描述本发明。
在本发明中，对焊缝熔池所施加的脉冲电压所产生的脉冲电场的方向与两块钢板待焊接面连线基本垂直。其中，术语“基本垂直”应理解为与两块钢板待焊接面连线方向(即焊缝方向)偏差不超过15°。所述脉冲电压的频率优选不低于200Hz，更优选为250-350Hz。所述脉冲电压可以为矩形脉冲电压、方波脉冲电压、锯齿脉冲电压、间歇正弦脉冲等，特别优选为方波脉冲电压。此外，当所述脉冲电压为方波脉冲电压时，脉冲宽度优选为10-50μs，电压峰值优选为90-110V。其中，脉冲电压产生的洛伦兹力使熔池中晶核主轴转向电流方向，并且脉冲电压产生的洛伦兹力施加在结晶前沿枝晶上，能够使枝晶弯曲产生孪晶和凹形晶粒，从而有效抑制裂纹的产生。需要说明的是，所述脉冲电压的施加需要持续至焊缝熔池基本冷却结晶(即结晶形态不会再发生变化)之后再撤离。
当采用本发明提供的方法进行钢板焊接时，焊接引弧后，焊丝与钢板待焊接面熔化形成熔池，脉冲电路同步导通，触发脉冲。其中，所述熔池为导体，其导电率与钢板不同。当电弧熄灭之后，熔池开始过冷结晶，晶核沿各方向温度梯度不同，过冷度存在差异，晶核沿过冷度大的方向长大得快，形成异形晶粒。异形晶粒在各方向导电率不同，其中，长轴方向导电率最低。在脉冲电场作用下，异形晶粒发生转向使长轴方向沿着电场方向(钢板平面方向)，即洛伦兹力产生转矩使异形晶粒转向。电场脉冲的作用会反复刺激异形晶粒在熔池内转动。在熔池存在周期，新异形晶粒受刺激时间短，转向程度与刚结晶晶粒不同。电脉冲作用于熔池，使熔池沿板平面流动加剧，冲击结晶晶粒，削减晶粒沿板厚方向尺寸。电脉冲作用于熔池板平面方向，使板平面方向散热加快，最大过冷度倾向板平面方向，晶粒沿板平面长大倾向加剧，板厚方向晶粒尺度呈变小倾势。在熔池存在周期内，电压脉冲达1000次以上，脉冲宽度为10-50μs。脉冲电压的施加加剧了异形晶粒的洛伦兹力转动、沿板平面流体运动及散热，并削减异性晶粒沿板厚方向的尺寸。根据EBSD检测，在100个晶体统计数据中，脉冲电场的施加能够使得焊缝中晶体尺度降低23.6％，晶界板厚方向尺寸降低17.8％，晶体取向与板平面夹角降低12.3°。采用相同焊接工艺进行对接接头刚性拘束焊接裂纹试验，统计的裂纹率由原来的13.7％降低到2.1％。
本发明提供的方法不仅适用于对薄厚度钢板进行焊接，同样也适用于对厚厚度钢板进行焊接。具体地，所述钢板的厚度优选为8-12mm。此外，所述钢板可以为船用CCS-A钢板，也可以为高强钢板如DH36钢板。
在本发明中，所述钢板电弧焊可以为CO2气体保护焊，也可以为埋弧焊。当所述钢板电弧焊为CO2气体保护焊时，焊接电流优选为140-180A，焊接电压优选为20-30V，焊接速度优选为200-300mm/min。当所述钢板电弧焊为埋弧焊时，焊接电流优选为750-850A，焊接电压优选为32-35V，焊接速度优选为400-650mm/min。
本发明提供的焊接钢板的方法的主要改进之处在于在钢板电弧焊过程中，对焊缝熔池施加脉冲电压，以此改变焊缝晶粒的拓扑结构以抑制裂纹的产生，而电弧焊所采用的焊丝的材质及其型号等均可以与现有技术相同。例如，所述钢板电弧焊所采用的焊丝的材质可以选自H08Mn2Si、H08Mn2SiA、H08A和H08MnSi中的至少一种。
如图1所示，本发明提供的焊接钢板的装置包括弧焊电源，所述弧焊电源的一端与待焊接钢板(待焊接工件)相连且另一端通过焊枪与焊丝相连，其中，所述焊接钢板的装置还包括脉冲电源，所述脉冲电源的两端分别与两块待焊接钢板相连，用于在钢板电弧焊过程中，对焊缝熔池施加能够产生方向与两块钢板待焊接面连线基本垂直的脉冲电场的脉冲电压。当工作时，将待焊接工件置于焊接平台上，开启弧焊电源进行引弧，焊丝与工件待焊接面熔化形成熔池，同时开启脉冲电源以导通脉冲电路，以对焊缝熔池施加脉冲电压，电脉冲产生电场，一方面作用于熔池，使熔池沿板平面流动加剧，冲击结晶晶粒，削减晶粒沿板厚方向尺寸；另一方面反复刺激熔池中游离的晶粒长轴发生偏转，使短轴转为板厚方向，从而改变焊缝晶粒的拓扑结构以抑制裂纹的产生。
在本发明中，所述脉冲电源的两端优选均通过导电滚轮分别与两块待焊接钢板相连，更优选所述导电滚轮为磁力吸附式导电滚轮，当通电时，其能够吸附于待焊接工件上。此外，所述导电滚轮能够随着焊枪移动，此时，随着焊枪在工件表面移动时，导电滚轮可以通过手动操作随焊枪移动，这样能够使得在钢板电弧焊过程中，脉冲电源能够始终对焊缝熔池施加产生方向与两块钢板待焊接面连线基本垂直的脉冲电场的脉冲电压。
此外，所述脉冲电源所产生的脉冲电压、待焊接钢板、电弧焊、焊丝等的具体参数均已经在焊接钢板的方法部分中有所描述，在此不作赘述。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
对比例1
将两块待焊接钢板(DH36钢板，厚度均为10mm)置于焊接平台上，待焊接面相对，开启弧焊电源引弧进行CO2气体保护焊，焊接电流为140A，焊接电压为20-22V，焊接速度为200mm/min，焊丝(材质为H08Mn2SiA)与钢板待焊接端熔化形成熔池，待熔池冷却结晶之后得到参比焊接钢板。
实施例1
如图1所示，将两块待焊接钢板(DH36钢板，厚度均为10mm)置于焊接平台上，待焊接面相对，开启弧焊电源引弧进行CO2气体保护焊，焊接电流为140A，焊接电压为20-22V，焊接速度为200mm/min，焊丝(材质为H08Mn2SiA)与钢板待焊接端熔化形成熔池，同时开启脉冲电源以导通脉冲电路，对焊缝熔池施加能够产生方向与两块钢板待焊接面连线基本垂直的脉冲电场的方波脉冲电压，该方波脉冲电压的频率为250Hz，脉冲宽度为10μs，电压峰值为90V，待熔池结晶之后得到焊接钢板。对比例1得到的参比焊接钢板以及实施例1得到的焊接钢板焊缝的金相组织结构图分别如图2和图3所示。从图2和图3的对比可以看出，电脉冲能够有效细化晶粒尺寸并降低焊缝晶粒的板厚方向(板厚方向如图2和图3所示的垂直方向)尺寸，其中，图3中左侧圆圈标示的为凹形晶粒，右侧圆圈标示的为孪晶，由于裂纹扩展至孪晶和凹形晶时会发生偏转或止裂，因此能够增加韧性，有效抑制裂纹的产生。
实施例2
如图1所示，将两块待焊接钢板(船用CCS-A钢板，厚度均为8mm)置于焊接平台上，待焊接面相对，开启弧焊电源引弧进行埋弧焊，焊接电流为800A，焊接电压为33-35V，焊接速度为520mm/min，焊丝(材质为H08A)与钢板待焊接端熔化形成熔池，同时开启脉冲电源以导通脉冲电路，对焊缝熔池施加能够产生方向与两块钢板待焊接面连线基本垂直的脉冲电场的方波脉冲电压，该方波脉冲电压的频率为350Hz，脉冲宽度为50μs，电压峰值为110V，待熔池结晶之后得到焊接钢板。从该焊接钢板焊缝的金相组织结构图可以看出，电脉冲能够有效细化晶粒尺寸并降低焊缝晶粒的板厚方向尺寸，并且能够形成孪晶和凹形晶粒，从而有效抑制裂纹的产生。
实施例3
如图1所示，将两块待焊接钢板(船用CCS-A钢板，厚度均为12mm)置于焊接平台上，待焊接面相对，开启弧焊电源引弧进行CO2气体保护焊，焊接电流为180A，焊接电压为28-30V，焊接速度为300mm/min，焊丝(材质为H08MnSi)与钢板待焊接端熔化形成熔池，同时开启脉冲电源以导通脉冲电路，对焊缝熔池施加能够产生方向与两块钢板待焊接面连线基本垂直的脉冲电场的方波脉冲电压，该方波脉冲电压的频率为300Hz，脉冲宽度为30μs，电压峰值为100V，待熔池结晶之后得到焊接钢板。从该焊接钢板焊缝的金相组织结构图可以看出，电脉冲能够有效细化晶粒尺寸并降低焊缝晶粒的板厚方向尺寸，并且能够形成孪晶和凹形晶粒，从而有效抑制裂纹的产生。
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不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种焊接钢板的方法，其特征在于，该方法包括在钢板电弧焊过程中，对焊缝熔池施加脉冲电压，所述脉冲电压所产生的脉冲电场的方向与两块钢板待焊接面连线基本垂直；所述脉冲电压为频率不低于200Hz的高频脉冲电压，所述脉冲电压为方波脉冲电压，频率为250-350Hz，脉冲宽度为10-50μs，电压峰值为90-110V。
2.根据权利要求1所述的焊接钢板的方法，其特征在于，所述钢板的厚度为8-12mm。
3.根据权利要求1所述的焊接钢板的方法，其特征在于，所述钢板电弧焊为CO2气体保护焊或埋弧焊。
4.根据权利要求3所述的焊接钢板的方法，其特征在于，当所述钢板电弧焊为CO2气体保护焊时，焊接电流为140-180A，焊接电压为20-30V，焊接速度为200-300mm/min；当所述钢板电弧焊为埋弧焊时，焊接电流为750-850A，焊接电压为32-35V，焊接速度为400-650mm/min。
5.根据权利要求1所述的焊接钢板的方法，其特征在于，所述钢板电弧焊所采用的焊丝的材质选自H08Mn2Si、H08Mn2SiA、H08A和H08MnSi中的至少一种。
6.一种焊接钢板的装置，所述焊接钢板的装置包括弧焊电源，所述弧焊电源的一端与待焊接钢板相连且另一端通过焊枪与焊丝相连，其特征在于，所述焊接钢板的装置还包括脉冲电源，所述脉冲电源的两端分别与两块待焊接钢板相连，用于在钢板电弧焊过程中，对焊缝熔池施加能够产生方向与两块钢板待焊接面连线基本垂直的脉冲电场的脉冲电压，所述脉冲电源所产生的脉冲电压为方波脉冲电压，频率为250-350Hz，脉冲宽度为10-50μs，电压峰值为90-110V。
7.根据权利要求6所述的焊接钢板的装置，其特征在于，所述脉冲电源的两端均通过导电滚轮分别与两块待焊接钢板相连，所述导电滚轮能够随着焊枪移动。
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