CN113547193A - 一种耐候钢型材固态焊接方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐候钢型材固态焊接方法及装置，该方法包括：将第一待焊接耐候钢型材与焊机的第一极连接，第二待焊接耐候钢型材与焊机的第二极连接；使第二待焊接耐候钢型材的焊接端面与第一待焊接耐候钢型材的焊接端面接触并挤压形成焊接区，完成焊接。本发明无需焊料，以保证焊缝和基体成分的一致，防止基体与焊材化学成分差异所形成的电位差，焊接具有一定的压力，相对电弧焊这种熔化焊能有效防止熔化焊所形成的气孔夹渣等缺陷；焊接在固态下进行，根据焊接的温度场特点，其热影响区能充分控制在比较小的范围，降低了焊缝—热影响区—基体之间组织差异较大所带来的性能及电化学特点差异。

Description

一种耐候钢型材固态焊接方法及装置

技术领域

本发明涉及耐候钢型材的焊接技术领域，具体涉及一种耐候钢型材固态焊接方法及装置。

背景技术

常规铁塔架设都是采用镀锌角钢、型材等材料，在局部（如铁塔底座）采用电弧焊进行焊接连接，随后进行表面防护涂层处理，如进行多次多层油漆防护。但随着国家对环境保护的日趋严格，常规镀锌角钢型材由于采用热镀锌，会带来较大的环境问题，因此这类常规镀锌铁塔材料受控将越来越严格，这就要求在铁塔架设过程中，选用新材料来满足对铁塔性能以及环保的要求，因此采用耐候钢角钢型材作为输变电铁塔架设材料目前已经开始部分实施。

耐候钢铁塔用Q355nh角钢，该材料是在Q355钢基础上（GBT 4172-2000），通过添加适量Cu、Ni、Cr、P元素（少量Nb、V、Ti），使钢材表面形成致密的氧化物膜，阻碍锈蚀往里扩散和发展，保护锈层下面的基体，以减缓腐蚀速率。

但是如果采用现行的焊接工艺，常规焊条成分（主要元素C，Si，Mn）与耐候钢完全不一样，这会导致形成的焊缝与耐候角钢基体之间合金元素成分具有显著差异，在自然环境下，焊缝与耐候钢基体由于成分、组织上的差异，会形成的腐蚀电位差，从而形成腐蚀电偶。耐候钢由于合金元素含量高，电位较高，为阴极可受到保护，而焊缝区域电位低，成为阳极，加速了其腐蚀的进程，再加上电弧焊接过程中不可避免的存在焊接缺陷，这些缺陷都是导致焊缝组织性能不均匀，降低腐蚀电位的主要因素。

免涂装耐候钢材料在铁塔架设上的应用，主要面临的问题就在于焊接部位焊缝材料与基体材料因为成分和组织的差异，造成电位的差异，从而容易形成焊缝与基体之间的电化学腐蚀电偶，常规焊条如J422焊条的焊缝由于合金成分含量低，组织不均匀，其电位相对较低，在耐候钢型材焊接时，该焊条所形成的焊缝将成为腐蚀电偶中的阳极，而耐候钢型材为阴极，由此从体积占比上，造成大阴极小阳极状态，这对无涂装的耐候钢铁塔来说，这些小体积含量的焊接区域腐蚀电流密度较大，处于牺牲阳极状态，这不利于耐候钢铁塔稳定性的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种耐候钢型材固态焊接方法及装置，降低了焊缝和基体成分的差异，从而降低了电偶腐蚀，以解决现有技术中存在的技术问题。

本发明采取的技术方案为：一种耐候钢型材固态焊接方法，该方法包括：

将第一待焊接耐候钢型材与焊机的第一极连接，第二待焊接耐候钢型材与焊机的第二极连接；

使第二待焊接耐候钢型材的焊接端面与第一待焊接耐候钢型材的焊接端面接触并挤压形成焊接区，完成焊接。

优选的，上述使第二待焊接耐候钢型材的焊接端面与第一待焊接耐候钢型材的焊接端面接触并挤压形成焊接区，具体包括：使第二待焊接耐候钢型材的焊接端面与第一待焊接耐候钢型材的焊接端面反复接触后分开N次。

优选的，上述使第二待焊接耐候钢型材的焊接端面与第一待焊接耐候钢型材的焊接端面接触并挤压形成焊接区，具体包括：固定第一待焊接耐候钢型材；推动第二待焊接耐候钢型材，使第二待焊接耐候钢型材的焊接端面与第一待焊接耐候钢型材的焊接端面接触并挤压形成焊接区。

本发明还公开了一种耐候钢型材固态焊接装置，耐候钢型材固态焊接装置用于上述耐候钢型材固态焊接方法，耐候钢型材固态焊接装置包括：第一夹具、第二夹具、电源、滑动装置和推动装置；第一夹具用于夹持第一待焊接耐候钢型材，第二夹具用于夹持第二待焊接耐候钢型材，第一夹具固定在滑动装置上，第二夹具与滑动装置活动连接，推动装置用于推动第二待焊接耐候钢型材在滑动装置上移动，电源的第一极与第一夹具连接，电源的第二极与第二夹具连接。

优选的，上述滑动装置包括滑动轴，第二夹具包括滑动套，滑动套套在滑动轴外侧。

优选的，上述推动装置包括手持式杠杆或机械自动压紧装置。

优选的，上述第一夹具与第一待焊接耐候钢型材接触的端面为铜电极，第二夹具与第二待焊接耐候钢型材接触的端面为铜电极。

优选的，上述电源为25KVA或50KVA的直流焊焊机。

优选的，上述焊焊机的初始电流为65A，次级空载电压为2.3~2.5V。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明将第一待焊接耐候钢型材与焊机的第一极连接，第二待焊接耐候钢型材与焊机的第二极连接；使第二待焊接耐候钢型材的焊接端面与第一待焊接耐候钢型材的焊接端面接触并挤压形成焊接区完成焊接，无需焊料，以保证焊缝和基体成分的一致，防止基体与焊材化学成分差异所形成的电位差，焊接具有一定的压力，相对电弧焊这种熔化焊能有效防止熔化焊所形成的气孔夹渣等缺陷；焊接在固态下进行，根据焊接的温度场特点，其热影响区能充分控制在比较小的范围，降低了焊缝—热影响区—基体之间组织差异较大所带来的性能及电化学特点差异。

附图说明

图1为本发明一种耐候钢型材固态焊接方法流程图；

图2为本发明一种耐候钢型材固态焊接装置结构示意图；

图3为本发明耐候钢型材两端通电条件下局部接触产热示意图；

图4为本发明耐候钢型材两端通电条件下温度场和压应力抗力变化示意图；

图5为本发明焊接试样示意图；

图6为本发明焊接试样线切割分解的焊缝示意图；

图7为本发明焊接试样线切割解剖并放大的焊疤示意图；

图中，1-第一夹具，2-第二夹具，3-滑动轴，4-第一待焊接耐候钢型材，5-推动装置，6-第二待焊接耐候钢型材。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种耐候钢型材固态焊接方法及装置，降低了焊缝和基体成分的差异，从而降低了电偶腐蚀。

下面结合具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：由于耐候钢焊接连接过程，主要是由于焊接焊料与耐候钢基体成分、组织的差异，导致焊缝与基体材料之间存在电位差，从而导致电偶腐蚀的形成。由于耐候钢合金元素含量高，能形成稳定的钝化膜，从而使其在腐蚀电偶中处于较高电位，而常规焊缝材料则电位相对较低，在腐蚀环境中，焊缝所占体积较小，由此就形成了耐候角钢为阴极，而焊缝为阳极的大阴极小阳极的腐蚀电偶，这将加速焊接区的腐蚀破坏。因此，如何实现焊缝与基体成分组织的一致性是降低其间电位差，避免电偶腐蚀的关键。

针对上述问题，本发明提供了一种耐候钢型材固态焊接方法，如图1所示的流程图，该方法包括以下步骤：

步骤101：将第一待焊接耐候钢型材与焊机的第一极连接，第二待焊接耐候钢型材与焊机的第二极连接。

步骤102：使第二待焊接耐候钢型材的焊接端面与第一待焊接耐候钢型材的焊接端面接触并挤压形成焊接区，完成焊接。

使第二待焊接耐候钢型材的焊接端面与第一待焊接耐候钢型材的焊接端面接触并挤压形成焊接区，具体包括：使第二待焊接耐候钢型材的焊接端面与第一待焊接耐候钢型材的焊接端面反复接触后分开N次，焊接端面经过反复接触变平整且被加热到较高的温度。

使第二待焊接耐候钢型材的焊接端面与第一待焊接耐候钢型材的焊接端面接触并挤压形成焊接区，具体包括：固定第一待焊接耐候钢型材；推动第二待焊接耐候钢型材，使第二待焊接耐候钢型材的焊接端面与第一待焊接耐候钢型材的焊接端面接触并挤压形成焊接区。

本发明采用固态焊接进行焊接技术方案，以满足无防护涂装耐候钢在焊接后，焊缝与型材其他位置具有一致的组织成分，从而满足耐候钢铁塔耐候性能与力学性能的要求。

实施例2：一种耐候钢型材固态焊接装置结构，如图2所示，耐候钢型材固态焊接装置用于上述耐候钢型材固态焊接方法，具体结构包括：第一夹具1、第二夹具2、电源、滑动装置和推动装置5；

其中，第一夹具1用于夹持第一待焊接耐候钢型材4，第二夹具2用于夹持第二待焊接耐候钢型材6，第一夹具1固定在滑动装置上，第二夹具2与滑动装置活动连接，推动装置5用于推动第二待焊接耐候钢型材6在滑动装置上移动，电源的第一极与第一夹具1连接，电源的第二极与第二夹具2连接。

滑动装置包括滑动轴3，第二夹具2包括滑动套，滑动套套在滑动轴3外侧。推动装置5包括手持式杠杆或机械自动压紧装置。

第一夹具1与第一待焊接耐候钢型材4接触的端面为铜电极，第二夹具2与第二待焊接耐候钢型材6接触的端面为铜电极。电源为25KVA或50KVA的直流焊焊机。直流焊焊机的初始电流为65A，次级空载电压为2.3~2.5V。

将所需焊接型材（第一待焊接耐候钢型材4和第二待焊接耐候钢型材6）的两端分别夹持在夹具（第一夹具1和第二夹具2）上，夹具夹面为铜电极，两端分别接电流正负极直流电，两端夹具在同一滑动轴3上固定，保持对称和平行，其中第一夹具1完全固定，第二夹具2可在滑动轴3上运动。

根据所要焊接型材接触面积大小，焊接选用普通25KVA或50KVA直流焊焊机，初级电流65A，次级空载电压在2.4~7.5V，从本发明的焊接原理上来说，由于其加热能力的特点，不需要过大功率的焊机。

将所需焊接样品分别夹持在直流焊焊机电极两端，保持较大的夹持应力，并将两端保持断路状态如图2所示，随后进行焊机通电，将可滑动的一极向另一极靠近，直到两个焊接端面发生接触，由于两极接触后，焊接面上一些不平整的地方会出现局部接触，这些局部接触的地方会导致形成电流回路（短路），但电流主要是通过这些细小的接触面流过，由此就在这些细小的凸起处形成高电流密度，这些高电流密度会导致短路接触部位金属瞬间热量上升，导致这些局部接触点气化，产生大量热量如图3所示，图3中标识A中表示接触短路后形成的高电流密度区。

此时接触点因为气化而消失，随后继续移动焊接端面的导杆，再让两个焊接端面靠近，在一些新的凸起位置产生短路—气化。随着端面烧损，再持续移动导杆，继续让焊接的两个端面靠近，让其他凸起部位接触形成短路，凸起部位短路，在高电流密度作用下产生气化。根据以上过程，可选用人为操控或机械的方法，在持续通电下，让两个端面进行靠近—分开—靠近—分开的反复动作，让端面不平整的凸起接触，气化，再接触，再气化等反复进行，直到端面被加热到较高的温度，随后端面温度向基体传递，在焊接型材上形成端面温度高，离开端面温度下降的梯度温度场。

在该梯度温度场中，端面温度高，其压缩抗力小，远端温度低，如图4所示，因此在压缩过程中，端面将率先塑性变形，但随着两端加压变形，离开焊缝位置一定距离后变形抗力增加，因此变形不是无限进行下去，由此可确保高温金属的塑性流动填充整个焊接面。由于所用耐候钢为低碳合金钢，两端面在塑性变形过程中，界面发生动态再结晶，从而形成焊接区，在固态条件下完成焊接，在实际焊接中，只有焊缝位置是高温。

当通过通电条件下焊接端面反复接触，形成合理的温度场后，在通电同时推动导杆，让两边焊接端面紧紧挤压在一起，并同时断电，持续挤压两端面，挤出型材端部的高温金属，保持2-5s后，完成焊接。

本发明方法特点与优势：

（1）该发明以耐候钢应用为背景，主要是满足焊缝成分组织和基体的一致性（降低常规电弧焊采用焊料，造成焊缝与基体之间成分差异所带来的电偶腐蚀），因此针对建筑用钢焊接时两边，所烧损的基体金属每边约为2-4mm，焊接方案不会影响焊接构件的尺寸精度。

（2）根据焊接热量来源，该方法的加热方式不需要高功率焊机，常规小型直流焊机就能满足焊接需要，这对野外铁塔架设作业极为友好。反而如果设置焊接功率过高，会导致接触凸起快速被气化，导致整个基体被快速消耗而无法建立起合适的焊接温度场。

（3）在加热过程中，热量来源于端面，焊接端面金属的气化会形成蒸汽，一方面会烧掉端面脏东西，另一方面能防止端面的氧化，从而获得纯净的焊缝组织。

下面以具体试验例说明本发明一种耐候钢型材固态焊接方法及装置的效果。

待焊接型材为耐候钢Q355NH钢板材。

将所要焊接的型材为截面尺寸为10mm×20mm的板材，第一待焊接耐候钢型材4固定在第一夹具1上夹紧，第二待焊接耐候钢型材6固定在第二夹具2上夹紧，第一夹具1连接正极，第一夹具1连接负极，设置焊机机档位，以25KVA功率直流对焊机为例，初始电流65A，次级空载电压为2.3~2.5V，随后第一待焊接耐候钢型材4和第二待焊接耐候钢型材6两端靠近，轻接触即可，此时两个端面上不平整的地方相互接触短路，接触部位突然增加的电流密度导致接触点发生爆破气化，随后反复做该动作，让焊接端面轻接触，接触点爆破，反复接触，反复被爆破后，在端面形成较高的热量，该热量随后向工件远端传递，在工件上形成一个温度场，经过大约50秒的反复接触爆破后，快速将两端挤压在一起，让端部发生塑性变形，形成明显突出的焊疤，保持2-3s后断电，即完成焊接。图5为矩形截面型材通过本发明所形成的焊疤。图6为沿着平行一个面线，采用线切割，逐层切下来的焊缝，两端为金属挤压出去形成的焊疤。并且焊缝中间没有任何异常的虚焊特点如图7。

图7中微观组织也可看出，该焊缝组织以及晶粒尺寸基本与基体一致，有局部少量变形，但组织均匀度远远好于采用电弧焊的试样。

本发明针对耐候钢铁塔对焊接加工以及免涂装服役防腐的要求，实现了一种采用直流电局部加热焊接端面，在型材上形成有效的焊接温度梯度，随后通过施加挤压应力完成焊接的焊接办法。本发明的主要特点是（1）无需焊料，以保证焊缝和基体成分的一致，防止基体与焊材化学成分差异所形成的电位差；（2）焊接具有一定的压力，相对电弧焊这种熔化焊能有效防止熔化焊所形成的气孔夹渣等缺陷；（3）焊接在固态下进行，根据焊接的温度场特点，其热影响区能充分控制在比较小的范围，降低了焊缝—热影响区—基体之间组织差异较大所带来的性能及电化学特点差异。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种耐候钢型材固态焊接方法，其特征在于：该方法为：将第一待焊接耐候钢型材与焊机的第一极连接，第二待焊接耐候钢型材与焊机的第二极连接；使所述第二待焊接耐候钢型材的焊接端面与所述第一待焊接耐候钢型材的焊接端面接触并挤压形成焊接区，完成焊接。

2.根据权利要求1所述的一种耐候钢型材固态焊接方法，其特征在于：所述使所述第二待焊接耐候钢型材的焊接端面与所述第一待焊接耐候钢型材的焊接端面接触并挤压形成焊接区，具体包括：使所述第二待焊接耐候钢型材的焊接端面与所述第一待焊接耐候钢型材的焊接端面反复接触后分开N次。

3.根据权利要求1所述的一种耐候钢型材固态焊接方法，其特征在于：所述使所述第二待焊接耐候钢型材的焊接端面与所述第一待焊接耐候钢型材的焊接端面接触并挤压形成焊接区，具体包括：固定所述第一待焊接耐候钢型材；推动所述第二待焊接耐候钢型材，使所述第二待焊接耐候钢型材的焊接端面与所述第一待焊接耐候钢型材的焊接端面接触并挤压形成焊接区。

4.一种耐候钢型材固态焊接装置，其特征在于：所述耐候钢型材固态焊接装置用于权利要求1-3任意一项所述的耐候钢型材固态焊接方法，所述耐候钢型材固态焊接装置包括：第一夹具、第二夹具、电源、滑动装置和推动装置；

所述第一夹具用于夹持第一待焊接耐候钢型材，所述第二夹具用于夹持第二待焊接耐候钢型材，所述第一夹具固定在所述滑动装置上，所述第二夹具与所述滑动装置活动连接，所述推动装置用于推动所述第二待焊接耐候钢型材在所述滑动装置上移动，所述电源的第一极与所述第一夹具连接，所述电源的第二极与所述第二夹具连接。

5.根据权利要求4所述的一种耐候钢型材固态焊接装置，其特征在于：所述滑动装置包括滑动轴，所述第二夹具包括滑动套，所述滑动套套在所述滑动轴上。

6.根据权利要求4所述的一种耐候钢型材固态焊接装置，其特征在于：所述推动装置包括手持式杠杆或机械自动压紧装置。

7.根据权利要求4所述的一种耐候钢型材固态焊接装置，其特征在于：所述第一夹具与所述第一待焊接耐候钢型材接触的端面为铜电极，所述第二夹具与所述第二待焊接耐候钢型材接触的端面为铜电极。

8.根据权利要求4所述的一种耐候钢型材固态焊接装置，其特征在于：所述电源为25KVA或50KVA的直流焊焊机。

9.根据权利要求4所述的一种耐候钢型材固态焊接装置，其特征在于：所述直流焊焊机的初始电流为65A，次级空载电压为2.3~2.5V。

Images