CN112894093B - 一种异种钢的焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及特殊硅钢材料的焊接技术领域，具体涉及一种异种钢的焊接工艺。本发明提供的异种钢的焊接工艺，包括：所述异种钢的母材为05Si2CrCuNi软磁钢与碳钢，所述焊接工艺包括手工打底焊、埋弧焊步骤；其中在所述手工打底焊前在软磁钢表面焊接垫层。本发明所述焊接工艺可使焊缝机械性能优异，焊缝的综合机械性能不低于05Si2CrCuNi软磁钢母材本身，解决了05Si2CrCuNi软磁钢焊缝脆性大、不耐冲击的问题，可应用于需承受高离心应力、高温作用的工作场景。同时采用本发明所述焊接工艺获得的焊件无开裂、气孔及结晶裂纹等缺陷，熔合线及热影响区无毛线脱碳、偏析等情况，无损检测合格率高。

Description

一种异种钢的焊接工艺
技术领域
本发明属于特殊硅钢材料的焊接技术领域，具体涉及一种异种钢的焊接工艺。
背景技术
05Si2CrCuNi软磁钢，是为高速磁悬浮列车研发的特种材料，在磁悬浮列车的研发和线路铺设中有非常重要的作用。由于05Si2CrCuNi具有优良的电磁特性，目前主要铺设在磁悬浮列车轨道上，作为磁悬浮列车车载线性涡流制动器的涡流制动感应板。
在磁悬浮列车研发过程中，通常是将05Si2CrCuNi材料制成的钢板包覆在轨道轮外沿，在实验室内对涡流制动器进行性能试验。试验时，轨道轮高速旋转，且涡流制动产生的热量累积到05Si2CrCuNi钢板上，此时05Si2CrCuNi钢板与轨道轮本体钢结构的焊接处需承受高离心应力和高温作用。
由于软磁钢的含Si(硅)量为1.5％～2.49％，虽然该元素对材料本身有强化作用，但也显著降低了材料本身的焊接性能。而采用普通焊接工艺很难满足上述实验要求。
常规软磁钢与其他钢材焊接所采用的焊接工艺是：采用CO2气保焊手工打底，填充焊采用φ3.0mm焊丝进行埋弧焊。此方式焊接虽效率较高，但是输入热能量不易控制，焊缝的塑性会很低，冲击功不合格。分析其原因主要是：焊缝的熔合线附近出现了脆性的魏氏体组织或粗大的铁素体组织；同时软磁钢碳含量较低，与普通中碳钢焊接时，容易形成碳元素的渗透和偏析；另外，焊接过程中，还容易发生磁偏吹。
综上，常规的焊接工艺用于软磁钢的异种焊接时存在焊缝脆性较大、综合机械性能较差的缺点，因此需要重新对软磁钢与中碳钢的焊接工艺进行研发。
发明内容
本发明提供一种异种钢的焊接工艺，可有效解决05Si2CrCuNi与碳钢焊接时存在的焊缝脆性大、不耐冲击等问题，保证焊缝的机械性能及使用要求。
本发明提供的异种钢的焊接工艺，包括：所述异种钢的母材为05Si2CrCuNi软磁钢与碳钢，所述焊接工艺包括手工打底焊、埋弧焊步骤；其特征在于，在所述手工打底焊前在软磁钢表面焊接垫层。
本发明通过大量试验发现，通过在软磁钢表面焊接一垫层(过度层)更有利于提高焊缝的塑性和冲击功，进而获得良好的综合力学性能。
现有常规焊接工艺通常采用CO2气保焊手工打底，填充焊采用φ3.0mm焊丝进行埋弧焊。此焊接方式虽效率较高，但是输入热能量不易控制，焊缝的塑性会很低，冲击功不合格。为此，本发明优化调整了垫层的焊接操作条件。
本发明所述的焊接垫层过程中，控制热输入≯24KJ/cm。具体焊接操作参数为：焊接电流150～260A，焊接电压17～30V，焊接速度20～25cm/min。通过控制热输入值及操作参数，可显著提高焊缝机械的力学性能，确保焊缝的综合机械性能不低于05Si2CrCuNi(软磁钢)母材本身，适用于需承受高离心应力、高温作用的工作场景。优选地，所述的焊接垫层过程中焊接操作参数为：焊接电流150～180A，焊接电压17～23V，焊接速度20～25cm/min。
本发明所述垫层的厚度可根据实际需要而定，通常为3～5mm。
本发明在采用上述垫层焊接工艺的基础上，进一步控制所述手工打底焊的热输入≯12.5KJ/cm，具体操作参数为：焊接电流150～200A，焊接电压17～25V，焊接速度20～25cm/min。通过调整手工打底焊的工艺参数以控制热输入≯12.5KJ/cm，从而进一步提高焊缝的塑性和冲击功，以保证焊缝的综合性能。优选地，所述手工打底焊的焊接操作参数为：焊接电流150～180A，焊接电压17～23V，焊接速度20～25cm/min。
本发明还研究发现，在实际操作时，所述手工打底焊的操作参数尽可能与所述垫层的焊接的操作参数保持一致，更有利于提高焊缝的力学性能。
作为本发明的具体实施方式之一，所述焊接垫层和所述手工打底焊的具体操作参数为：焊接电流150～160A，焊接电压17～20V，焊接速度22～25cm/min；通过进一步优化调整操作参数，可进一步提高焊缝的冲击功和高温时抗拉强度。
在采用上述垫层焊接、手工打底焊基础上，本发明还进一步控制埋弧焊的热输入≯24KJ/cm，以保证焊缝的塑性和抗冲击性。
作为本发明的具体实施方式之一，所述埋弧焊的具体操作为：焊丝采用H08Mn2SiA，直径φ2.5mm～φ4.0mm，焊剂采用CHF101。
本发明所述埋弧焊的焊接高度可根据焊缝深度调整，例如在5mm～50mm范围内。
为了进一步提高焊缝的综合力学性能，在上述手工打底焊和埋弧焊结束后须对焊缝进行高频率锤击。所述锤击的频率为5-10Hz，锤击位置为焊接熔池后方20～35cm处。通过特定频率及特定位置的高频率锤击，可进一步细化晶粒，提高焊缝的综合力学性能。
本发明所述的异种钢的焊接工艺还包括在所述焊接垫层之前进行正火处理及在所述焊接垫层之后进行焊前预热。
优选地，所述正火处理的温度为975～1010℃。研究表明，相比常规800℃左右的正火处理，本发明通过优化正火处理可使材料晶粒度达到8级以上，有利于提高力学性能。
优选地，所述焊前预热的温度为100～130℃，通过预热更有利于后续焊接，提高焊缝的综合性能。
本发明所述的异种钢的焊接工艺还包括在所述正火处理、焊接垫层之间的坡口加工；所述坡口加工为带钝边的J型坡口对接焊；其中，钝边高度为1.5mm～3mm，对接间隙为1mm～2.5mm，坡口角度为8～25°。通过合理设置参数，最大程度保证焊接精度。
本发明所述的异种钢的焊接工艺还包括盖面焊和焊后退火；所述焊后退火的温度为500～530℃。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：
(1)本发明所述焊接工艺可使焊缝机械性能优异，焊缝的综合机械性能不低于05Si2CrCuNi(软磁钢)母材本身，解决了05Si2CrCuNi(软磁钢)焊缝脆性大、不耐冲击的问题，可应用于需承受高离心应力、高温作用的工作场景。
(2)采用本发明所述焊接工艺获得的焊件无开裂、气孔及结晶裂纹等缺陷，熔合线及热影响区无毛线脱碳、偏析等情况，无损检测合格率高。
(3)本发明所述的焊接工艺可将软磁钢焊接至要求更高的部件上，以便实现一些必须要焊接软磁钢但工况又较恶劣的情况。
附图说明
图1为本发明焊接工艺的焊层结构图。
图中标号：
a-对接间隙1mm～2.5mm；
b-钝边高度1.5mm～3mm；
c-垫层厚度3mm～5mm；
d-坡口角度8～25°；
e-手工打底层高度5mm～50mm。
图2为不同正火温度下微观金相图。
其中：(a)890℃、(b)920℃、(c)950℃、(d)980℃。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
以下实施例中各组分均可通过市售购买得到。
作为本发明的具体实施方式之一，所述异种钢的焊接工艺，包括如下步骤：
(1)正火处理：
将软磁钢进行高温正火处理，具体操作条件为：正火温度975～1010℃，保温90min，随炉冷却。目的是细化晶粒，使晶粒度达到8级以上。
(2)坡口加工：
焊缝采用带钝边J型对接焊缝，根据实际情况，坡口可以在软磁钢侧，也可以在对侧。
钝边高度b为1.5～3mm，软磁钢与中碳钢对接间隙a为1～2.5mm，可根据定位精度要求，制作标准厚度尺寸的垫块进行定位，坡口角度根据焊缝的深度和焊接设备的类型，从8～25°之间任意设置。清理坡口内外侧，焊接方式采取小线能量输入，多层多道焊。
(3)垫层焊接：
组焊前，在软磁钢表面采用MAG焊提前焊接一层3～5mm厚垫层。
具体操作条件为：焊接电流150～180A，焊接电压17～23V，焊接速度控制在20～25cm/min，焊丝采用ER50-6，直径φ1.0～1.6mm，气体成分：80％Ar+20CO2，气体流量15～20L/min。控制热输入≯24KJ/cm。
(4)打磨：
打磨清理过渡层表面。
(5)焊前预热：
焊前预热，预热温度100～130℃。
(6)手工打底焊：
具体操作条件：焊接电流150～180A，焊接电压17～23V，焊接速度控制在20～25cm/min，焊丝采用ER50-6，直径φ1.0～1.6mm，气体成分：80％Ar+20％CO2，气体流量15～20L/min。控制热输入≯12.5KJ/cm。
焊接高度e根据焊缝深度调整，为5mm～50mm范围内。在焊接熔池后方20～35cm处，使用风镐对焊缝进行高频率锤击，细化晶粒。
(7)填充焊：
采用埋弧焊。焊丝采用H08Mn2SiA，直径φ2.5mm～φ4.0mm，焊剂采用CHF101。严格控制焊接线能量的输入≯24KJ/cm。
在焊接熔池后方20～35cm处，使用风镐对焊缝进行高频率锤击，细化晶粒。层间温度控制在110～135℃。
(8)清表面：及时清除焊缝表面杂质。
(9)清背面：焊缝背面清根。
(10)盖面焊：按照第6步的要求，焊接背面焊缝，直至焊接完成。
(11)焊后退火：退火温度500～530℃。
下面将举例说明本发明所述异种钢的焊接工艺的具体实施方式。
实施例1
一种钢焊接工艺，包括如下步骤：
(1)正火处理：
将软磁钢进行高温正火处理，具体操作条件为：正火温度980℃，保温90min，随炉冷却。目的是细化晶粒，使晶粒度达到8级以上。
(2)坡口加工：
焊缝采用带钝边J型对接焊缝，根据实际情况，坡口可以在软磁钢侧，也可以在对侧。如图1所示。
钝边高度b为2mm，软磁钢与中碳钢对接间隙a为1mm，可根据定位精度要求，制作标准厚度尺寸的垫块进行定位，坡口角度为15°。
清理坡口内外侧，焊接方式采取小线能量输入，多层多道焊。
(3)垫层焊接：
组焊前，在软磁钢表面采用MAG焊提前焊接一层4mm厚垫层。
具体操作条件为：焊接电流160A，焊接电压20V，焊接速度控制在22cm/min，焊丝采用ER50-6，直径φ1.2mm，气体成分：80％Ar+20CO2，气体流量15L/min。控制热输入≯24KJ/cm。
(4)打磨：
打磨清理过渡层表面。
(5)焊前预热：
焊前预热，预热温度120℃。
(6)手工打底焊：
具体操作条件：焊接电流180A，焊接电压20V，焊接速度控制在20cm/min，焊丝采用ER50-6，直径φ1.2mm，气体成分：80％Ar+20％CO2，气体流量15L/min。控制热输入≯12.5KJ/cm。
焊接高度e为50mm。
在焊接熔池后方25cm处，使用风镐对焊缝进行高频率锤击，细化晶粒。
(7)填充焊：
采用埋弧焊。严格控制焊接线能量的输入≯24KJ/cm。焊丝采用H08Mn2SiA，直径φ3.2mm，焊剂采用CHF101。
在焊接熔池后方30cm处，使用风镐对焊缝进行高频率锤击，细化晶粒。层间温度控制在115℃。
(8)清表面：及时清除焊缝表面杂质。
(9)清背面：焊缝背面清根。
(10)盖面焊：按照第6步的要求，焊接背面焊缝，直至焊接完成。
(11)焊后退火：退火温度520℃。
实施例2
与实施例1焊接工艺相似，区别仅在于：(3)垫层焊接的参数不同。
具体为：焊接电流260A，焊接电压30V，焊接速度控制在20cm/min。
实施例3
与实施例1焊接工艺相似，区别仅在于：(6)手工打底焊的参数不同。
具体操作条件：焊接电流200A，焊接电压25V，焊接速度控制在25cm/min。
效果验证：
对实施例1-3所得焊缝及经对比例处理后的材料进行性能测试。
试验方法：分别对其进行拉伸、折弯、冲击等试验，对不合格试件进行微观金相分析。
试验标准：GB/T2650-2008、GB/T2654-2008、GB/T226-2015、GB/T228.2-2015。
对比例1
对比例1为对05Si2CrCuNi母材进行正火处理；其中正火温度分为4组，分别为：(a)890℃、(b)920℃、(c)950℃、(d)980℃。
图2为不同正火温度下微观金相图。其中：(a)890℃、(b)920℃、(c)950℃、(d)980℃。
检测结果：
(a)890℃处理后，200X，晶粒度6.5。
(b)920℃处理后，200X，晶粒度6.5。
(c)950℃处理后，200X，晶粒度6.5。
(d)980℃处理后，200X，晶粒度9。
经测试，经不同正火温度处理的4件母材(a)-(d)的冲击功分别为5J、4J、5J、72J，冲击功数值与微观金相相符。由此可见，正火温度达到980℃时才能达到细化晶粒，提高冲击韧性的目的。
对比例2
本对比例采用与实施例1相似的焊接工艺，区别仅在于：步骤(3)省略垫层焊接。
对比例3
本对比例采用与实施例1相似的焊接工艺，区别仅在于：省略步骤(6)所述手工打底焊，同时填充焊的操作参数为：焊接电流750A，焊接电压36V，焊接速度45cm/min，焊丝直径：5mm，热输入36KJ/cm。
对比例4
本对比例采用与实施例1相似的焊接工艺，区别仅在于：省略步骤(6)、(7)中的锤击操作。
表1
Figure BDA0002932648830000081
由上表可知，实施例1-3所得焊缝的冲击功为43-72J，均值57J；180°弯曲试验显示无超限裂纹。而对比例2-4的冲击功显著低于实施例1-3，且对比例2和对比例4的180°弯曲试验显示超限裂纹，对比例3的180°弯曲试验显示断裂。可见，采用本发明所述的焊接工艺可显著提高焊缝的塑性和冲击功，且所得焊件无开裂、气孔及结晶裂纹等缺陷，熔合线及热影响区无毛线脱碳、偏析等情况，无损检测合格率高。
同时，实施例1-3所得焊缝的机械性能优异，常温时抗拉强度为597-605MPa。实施例1所得焊缝在300℃时抗拉强度为508MPa；500℃时抗拉强度为472MPa。与对比例2-3所得焊缝相比，抗拉强度没有实质性变化，说明本发明所述的焊接工艺操作条件对焊缝的抗拉强度没有实质影响，可满足施工要求。实施例2-3所得焊缝的抗拉强度与实施例1保持基本一致。
由此可见，采用本发明所述的焊接工艺可显著提高焊缝的机械性能，综合机械性能不低于05Si2CrCuNi(软磁钢)母材本身；可应用于需承受高离心应力、高温作用的工作场景。而对比例所得焊缝脆性大、不耐冲击。
此外，本发明所得焊件无开裂、气孔及结晶裂纹等缺陷，熔合线及热影响区无毛线脱碳、偏析等情况，无损检测合格率高。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种异种钢的焊接工艺，其特征在于，所述异种钢的母材为05Si2CrCuNi软磁钢与碳钢，所述焊接工艺包括：
（1）正火处理；对软磁钢进行高温正火处理，所述正火处理的温度为975～1010℃；
（2）坡口加工；
（3）垫层焊接；组焊前，在软磁钢表面采用MAG焊提前焊接一层3～5mm垫层；
（4）打磨；
（5）焊前预热；
（6）手工打底焊；
（7）采用埋弧焊填充；
（8）清除焊缝表面杂质；
（9）焊缝背面清根；
（10）盖面焊；
（11）焊后退火；
在所述手工打底焊和埋弧焊结束后均对焊缝进行锤击。
2.根据权利要求1所述的异种钢的焊接工艺，其特征在于，所述垫层的焊接的过程中，控制热输入≯24KJ/cm。
3.根据权利要求2所述的异种钢的焊接工艺，其特征在于，所述垫层的焊接的操作参数为：焊接电流150～260A，焊接电压17～30V，焊接速度20～25cm/min。
4.根据权利要求3所述的异种钢的焊接工艺，其特征在于，在所述手工打底焊的过程中，控制热输入≯12.5KJ/cm，和/或，控制所述埋弧焊的热输入≯24KJ/cm。
5.根据权利要求4所述的异种钢的焊接工艺，其特征在于，所述手工打底焊的操作参数与所述垫层的焊接的操作参数保持一致。
6.根据权利要求5所述的异种钢的焊接工艺，其特征在于，所述垫层焊接和所述手工打底焊的操作参数为：焊接电流150～200A，焊接电压17～25V，焊接速度22～25cm/min。
7.根据权利要求4-6任一所述的异种钢的焊接工艺，其特征在于，所述锤击的频率为5-10Hz；所述锤击的位置为焊接熔池后方20～35cm处。
8.根据权利要求7所述的异种钢的焊接工艺，其特征在于，所述焊前预热的温度为100～130℃。
9.根据权利要求8所述的异种钢的焊接工艺，其特征在于，所述坡口加工为带钝边的J型坡口对接焊；其中，钝边高度为1.5mm～3mm，对接间隙为1mm～2.5mm，坡口角度为8～25°。
10.根据权利要求9所述的异种钢的焊接工艺，其特征在于，所述焊后退火的温度为500～530℃。
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