CN113547215B - 基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置 - Google Patents

基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置，包括焊枪及冷却口，所述焊枪与所述冷却口分别位于焊缝的正面及背面与所述焊缝相对准，所述焊枪与所述冷却口沿所述焊缝的延伸方向具有设定间距，且所述焊枪与所述冷却口能够沿所述焊缝的延伸方向同步移动，当焊接位置空冷至预定温度时，所述冷却口正好移动至所述焊接位置的背面并喷出冷却气体对所述焊接位置强制冷却，所述冷却口离开焊接位置的背面时所述焊接位置的温度下降至马氏体开始转变温度与马氏体转变终了温度之间。通过冷却口对焊缝区的热循环进行调控，自动产生一个配分阶段，进而对超高强钢焊接接头的强韧性进行调控，获得力学性能提升的超高强钢焊接接头。

Description

基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置
技术领域
本发明涉及超高强钢焊接技术领域，尤其涉及一种基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置。
背景技术
随着汽车、航空航天以及重型机械领域对结构轻量化需求的提高，超高强钢受到广泛关注和工程应用。焊接是结构轻量化最重要的材料连接技术之一，然而，由于焊接过程中的局部加热及快速冷却，导致温度分布不均衡，不可避免地造成超高强钢焊接接头软化及强韧性失配，尤其是热影响区粗晶区，这会使得焊接结构更易失效。因此调控超高强钢焊接接头强韧性一直是焊接领域研究的热点和挑战性的问题。
在已有的研究中发现，冷却速率对于焊接接头的显微组织和力学性能有着显著的影响。通过减小焊接热输入而提高冷却速率是目前最常用的一种方法，但是，该方法不仅降低了生产效率，而且也不能解决超高强钢焊接接头软化的问题。为此，在焊接过程中增加冷却装置可以实现原有焊接生产效率下提高冷却速率，从而改善焊接接头的力学性能。中国专利申请(公开号为CN 106141474 A)提出了一种随焊加速冷却的焊接方法和装置，该方法采用水、液氮或液态二氧化碳作为冷却介质对高温焊接区进行强制冷却，通过晶粒细化改善热影响区脆化、软化问题。但是对于超高强钢，该方法虽然能够解决焊接接头的软化问题，但是无法解决热影响区的脆化问题。中国专利申请(公开号为CN 110842359 A)提出了一种金属薄板随焊气体自适应冷却型激光焊接装置，该装置能够根据被焊接工件温度对随焊气体的流动速度进行自适应调节，但是该方法主要用于焊接变形的控制。因此，现有技术难以满足超高强钢的焊接要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置，解决了超高强钢焊接接头软化、脆化问题，在不影响焊接生产效率的情况下提高了超高强钢焊接接头的强韧性。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置，包括焊枪及冷却构造，所述冷却构造具有一冷却口，所述焊枪与所述冷却口分别位于焊缝的正面及背面且与所述焊缝相对准，所述焊枪与所述冷却口沿所述焊缝的延伸方向具有设定间距，且所述焊枪与所述冷却口能够沿所述焊缝的延伸方向同步移动，当焊接位置空冷至预定温度时，所述冷却口正好移动至所述焊接位置的背面并喷出冷却气体对所述焊接位置强制冷却，所述冷却口离开所述焊接位置的背面时所述焊接位置的温度下降至马氏体开始转变温度与马氏体转变终了温度之间。
可选的，所述设定间距L的计算公式如下：
L＝v×t1
其中，t1为所述焊接位置的热循环曲线中峰值温度冷却到所述预定温度的时间，v为所述焊枪的焊接速度。
可选的，所述冷却口为矩形，所述冷却口沿所述焊缝的延伸方向的长度l的计算公式如下：
l＝v×t2
其中，v为所述焊枪的焊接速度，t2为根据被焊工件的CCT曲线确定完全获得马氏体组织的冷却速率进行设定。
可选的，所述冷却速率介于30℃/s-150℃/s之间。
可选的，所述冷却口沿垂直于所述焊缝的延伸方向的宽度为焊缝宽度和焊接形成的热影响区的宽度之和。
可选的，所述冷却口处还覆盖有多孔气罩，所述冷却气体从所述多孔气罩喷出。
可选的，所述焊接装置还包括冷却源，所述冷却构造上设置有用于与所述冷却源连接的连接头，所述冷却源用于向所述冷却构造提供所述冷却气体。
可选的，所述焊接装置还包括温度传感器，所述温度传感器用于实时监测所述焊接位置的温度，所述冷却气体的流量与所述焊接位置的温度相适应。
可选的，所述焊接装置还包括焊接机器人及可调节支架，所述焊枪固定在所述焊接机器人的机械臂上，所述可调节支架的一端与所述机械臂连接，另一端与所述冷却口连接。
可选的，所述预定温度介于奥氏体开始转变温度与奥氏体转变终了温度之间。
本发明提供了一种基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置，当焊接位置空冷至预定温度时，通过所述冷却口对所述焊接位置强制冷却，使得所述焊接位置的温度下降至马氏体开始转变温度与马氏体转变终了温度之间，当所述冷却口离开该焊接位置时，由于热传导的作用使得所述强制冷却区域的温度短暂高于马氏体开始转变温度，进而使得强制冷却区域的冷却速率减小，自动产生一个配分阶段，在配分阶段可以使得过饱和的碳从马氏体中扩散到奥氏体中，使得奥氏体在室温下可以稳定存在，马氏体的高强度和残余奥氏体的相变诱导塑性共同作用可以对超高强钢焊接接头的强韧性进行调控，最终获得力学性能提升的超高强钢焊接接头，解决了超高强钢焊接接头软化及脆化的问题，而且对于现有焊接设备的改造简单，不影响焊接生产效率。
附图说明
本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：
图1为本发明实施例提供的基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置的主视图；
图2为本发明实施例提供的基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置的侧视图；
图3为本发明实施例提供的冷却构造的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的有冷却构造焊接和无冷却构造焊接接头拉伸的应力应变曲线；
图5为本发明实施例提供的有冷却构造焊接和无冷却构造焊接的焊接热循环曲线；
图6a为本发明实施例提供的透射电镜观察的有冷却构造焊接接头粗晶区的明场图；
图6b为本发明实施例提供的透射电镜观察的有冷却构造焊接接头粗晶区的暗场图以及残余奥氏体的选区衍射图。
附图中：
10-焊枪；20-冷却构造；21-冷却口；22-多孔气罩；23-连接头；30-焊缝；40-被焊工件；50-冷却源；51-冷却管；60-可调节支架；61-支架安装夹具；70-机械臂；
L-焊枪与冷却口沿焊缝的延伸方向的设定间距；
l-冷却口的长度；
B-冷却口的宽度。
具体实施方式
超高强钢的制备通常采用淬火配分工艺、多道次温轧等工艺实现高强度、高韧性，但是经历焊接热循环后，组织发生转变，导致接头软化和强韧性失配。淬火配分工艺中，淬火阶段保证组织转变为马氏体，在配分阶段可以使得过饱和的碳从马氏体中扩散到奥氏体中，使得奥氏体在室温下可以稳定存在，马氏体的高强度和残余奥氏体在室温下的协同作用可以使得超高强钢有着高强度和高韧性的完美结合。
基于此，本发明提供了一种基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置，通过在焊枪上加装一个可以跟随焊枪移动的冷却构造，且所述焊枪与所述冷却构造的冷却口分别布置在焊缝的正面及背面且与焊接工件的焊缝相对准。根据配分工艺对冷却时间、冷区速率和冷却温度的要求，精确设计冷却口形状、尺寸以及冷却口与焊枪之间的距离。所述冷却口在跟随所述焊枪移动的过程中，当焊接位置空冷至预定温度时，所述冷却口正好移动至所述焊接位置的背面并喷出冷却气体对所述焊接位置强制冷却，经过强制冷却后所述焊接位置的温度下降至马氏体开始转变温度Ms与马氏体转变终了温度Mf之间，冷却口离开该处，此时，由于被焊工件两侧未被冷却口强制冷却的区域的温度高于强制冷却区域，在热传导的作用下使得所述强制冷却区域的温度短暂高于马氏体开始转变温度Ms，进而使得强制冷却区域的冷却速率减小，出现一个配分阶段。强制冷却区在预定温度下降至马氏体开始转变温度Ms的过程中因快速冷却而获得大量细长马氏体组织，而在马氏体开始转变温度Ms附近存在一个较慢冷却速率的配分阶段而使得马氏体中过饱和的碳扩散到奥氏体中，提高残余奥氏体的稳定性，最终使得焊缝区的微观组织由大量细长马氏体和少量残余奥氏体组成，由于马氏体的高强度和残余奥氏体的相变诱导塑性的共同作用，对超高强钢焊接接头的强韧性进行调控，最终获得力学性能提升的超高强钢焊接接头。
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，除非内容另外明确指出外。如在本发明中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。如在本发明中所使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。如在本发明中所使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征。
请参照图1-图3，图1为本发明实施例提供的基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置的结构示意图，图2为本发明实施例提供的基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置的侧视图，图3为本发明实施例提供的冷却构造的结构示意图。本实施例提供了一种基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置包括焊枪10及冷却构造20，所述冷却构造20具有一冷却口21，所述焊枪10与所述冷却口21分别位于焊缝30的正面及背面且与所述焊缝30相对准，所述焊枪10与所述冷却口21沿所述焊缝30的延伸方向具有设定间距L，且所述焊枪10与所述冷却口21能够沿所述焊缝30的延伸方向同步移动，当焊接位置空冷至预定温度时，所述冷却口21正好移动至所述焊接位置的背面并喷出冷却气体对所述焊接位置强制冷却，所述冷却口21离开所述焊接位置的背面时所述焊接位置的温度下降至马氏体开始转变温度Ms与马氏体转变终了温度Mf之间。
当焊接位置空冷至预定温度时，通过所述冷却口21对所述焊接位置强制冷却，使得所述焊接位置的温度下降至马氏体开始转变温度Ms与马氏体转变终了温度Mf之间，当所述冷却口21离开该焊接位置时，由于热传导的作用使得所述强制冷却区域的温度短暂高于马氏体开始转变温度Ms，进而使得强制冷却区域的冷却速率减小，自动产生一个配分阶段，在配分阶段可以使得过饱和的碳从马氏体中扩散到奥氏体中，使得奥氏体在室温下可以稳定存在，马氏体的高强度和残余奥氏体在相变诱导塑性共同作用可以对超高强钢焊接接头的强韧性进行调控，最终获得力学性能提升的超高强钢焊接接头。
本实施例中，所述预定温度介于奥氏体开始转变温度Ac1与奥氏体转变终了温度Ac3之间，为便于说明，以下以预定温度为800℃为例进一步阐述本发明的技术构思。
为了保证当焊接位置空冷至800℃时，所述冷却口21正好移动至所述焊接位置的背面并喷出冷却气体对所述焊接位置强制冷却，所述冷却口21离开所述焊接位置的背面时所述焊接位置的温度下降至马氏体开始转变温度Ms与马氏体转变终了温度Mf之间，需要对冷却口21的形状、尺寸以及冷却口21与焊枪10之间的距离进行设计，本实施例中，以矩形冷却口21为例，具体设计过程如下：
1)根据焊接工艺参数，采用焊接数值模拟技术计算焊接温度场，以峰值温度大于800℃的温度分布区域确定焊接接头焊缝30的宽度及焊接形成的热影响区的宽度，所述冷却口21沿垂直于所述焊缝30的延伸方向的宽度为焊缝30宽度和焊接形成的热影响区的宽度之和。所述热影响区的宽度可以理解为沿垂直于所述焊缝30的延伸方向且峰值温度大于800℃的温度分布区域的宽度。
2)根据被焊工件的CCT曲线(即过冷奥氏体连续冷却转变曲线)确定完全获得马氏体组织的冷却速率，计算t2，所述冷却口21的长度l根据所述焊枪10的焊接速度v、t2进行计算，即l＝v×t2。本实施例中，t2可取值为t8/5，即焊接位置从800℃到500℃的冷却时间。应当理解的是，所述冷却速率最低应能保证超高强钢焊缝30区完全发生马氏体转变，本实施例中，所述冷却速率介于30℃/s-150℃/s之间。
3)所述焊枪10与所述冷却口21之间的距离L可采用焊接数值模拟技术计算获得，需保证所述冷却口21经过某一焊接位置时的温度应不低于800℃，离开该焊接位置时的温度应在被焊工件40的马氏体开始转变温度Ms和马氏体转变终了温度Mf范围内，所述设定间距L的计算公式如下：
L＝v×t1
其中，t1为所述焊接位置的热循环曲线中峰值温度冷却到所述预定温度的时间，v为所述焊枪10的焊接速度。
本实施例中，施加的冷却气体的流量应能保证上述步骤2要求的冷却速率，可采用实验测试或流场计算获得冷却气体的流量。
较佳的，所述焊接装置还包括温度传感器，所述温度传感器用于实时监测所述焊接位置的温度，所述冷却气体的流量与所述焊接位置的温度相适应。此处提及的相适应可理解为所述冷却气体的流量是一个动态变化的过程。例如，当焊接位置处熔池的温度较高时，可适当降低冷却气体的流量，当焊接位置处熔池的温度较低时，可适当增加冷却气体的流量来保证冷却速率。
请参照图3，所述冷却口21的顶端还覆盖有多孔气罩22，所述冷却气体从所述多孔气罩22喷出，以保证冷却气体分布均匀。
进一步的，所述焊接装置还包括冷却源50，所述冷却构造20上设置有用于与所述冷却源50连接的连接头23，所述冷却源50通过冷却管51向所述冷却构造20提供所述冷却气体。本实施例中，所述冷却气体为压缩气体或保护气体。
请继续参照图1，所述焊接装置还包括焊接机器人及可调节支架60，所述焊枪10固定在所述焊接机器人的机械臂70上，所述可调节支架60的一端与所述机械臂70连接，另一端与所述冷却口21连接，所述机械臂70带动所述焊枪10运动的同时通过所述可调节支架60带动所述冷却口21一并运动。本实施例中，所述可调节支架60的一端通过一支架安装夹具61与所述机械臂70固定连接。所述可调节支架60具有一定的柔性，能够根据使用需求进行弯曲或折叠。
较佳的，焊接过程中可采用温度传感器测量焊接位置的焊接热循环曲线，根据焊接热循环曲线验证方法的可靠性，通过接头力学性能试验评价焊接接头的强韧性。
下面通过1500MPa级超高强钢的无冷却系统(包括冷却构造及冷却源等)的激光焊以及增加冷却系统的激光焊的两个具体实施例来进一步理解本发明。
实施例1-无冷却系统的激光焊
(1)板材准备：使用线切割设备切取两块300mm×100mm×1.5mm的超高强钢板，清洗去除钢板表面的油污及氧化层。
(2)试样安装：将两块钢板置于同一水平面装配至特制夹具上，钢板间隙为0～0.5mm。
(3)焊接参数设置：激光功率1300W，焊接速度10mm/s，打开激光器，开始焊接。
(4)试验分析：根据GB2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》，使用线切割机进行拉伸试样加工，在Zwick/Roell Z100电子万能材料试验机上进行拉伸性能测试。请参照图4，图4为本发明实施例提供的有冷却系统焊接和无冷却系统焊接接头拉伸的应力应变曲线，无冷却系统焊接接头拉伸试验的应力应变曲线如图4中的虚线所示，接头屈服强度为912MPa，抗拉强度为1370MPa，延伸率为12.5％，韧性为155×106J/m3。
实施例2-增加冷却的系统激光焊
(1)板材准备：使用线切割设备切取两块300mm×100mm×1.5mm的超高强钢板，清洗去除钢板表面的油污及氧化层；
(2)试样安装：将两块钢板置于同一水平面装配至特制夹具上，钢板间隙为0～0.5mm；
(3)冷却口的设计：根据被焊钢板焊接温度场模拟结果，焊缝峰值温度冷却到800℃的时间t1为2s左右，焊接接头峰值温度在800℃以上的宽度为8mm，预设的t2为4s，焊接速度为10mm/s，因此，冷却口长度l＝v×t2＝10×4＝40mm，冷却口宽度B为8mm；冷却口与焊枪间的设定间距L＝v×t1＝10×2＝20mm；
(4)冷却系统安装：将可调节支架一端固定于焊接机器人机械臂上，另一端固定于冷却系统上，将冷却口对准被焊位置的背面，调整冷却口和焊枪间的距离；
(5)焊接参数设置：激光功率1300W，焊接速度为10mm/s，打开冷却系统，调节冷却源流量，开始焊接。
(6)试验分析：根据GB2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》，使用线切割机进行拉伸试样加工，在Zwick/Roell Z100电子万能材料试验机上进行拉伸性能测试。拉伸试验的应力应变曲线如图4中的实线所示，接头屈服强度为1038MPa，抗拉强度为1462MPa，延伸率为13.7％，韧性为178×106J/m3。
请参照图5，图5为本发明实施例提供的有冷却系统焊接和无冷却系统焊接的焊接热循环曲线。相较于无冷却系统的激光焊(如图5中的虚线)，带有冷却系统的焊接温度曲线(如图5中的实线)在400℃左右出现一个明显的缓冷阶段，该阶段就是配分阶段，由于依靠自身周围金属的热传导所致，故称为自配分。增加冷却系统的激光焊焊接接头的强度和延伸率提高了约8％，韧性提高约14％，焊接接头的强度为母材的97％，而延伸率超过接近于母材的延伸率。
请参照图6a-图6b，图6a为本发明实施例提供的透射电镜观察的有冷却系统焊接接头粗晶区的明场图，图6b为本发明实施例提供的透射电镜观察的有冷却系统焊接接头粗晶区的暗场图以及残余奥氏体的选区衍射图。从图6a-图6b可以看出，通过TEM分析，增加冷却系统的激光焊焊接接头组织为细长的马氏体和残余奥氏体，由于马氏体的高强度和残余奥氏体的塑性诱导相变的共同作用，最终使焊接接头的强韧性得到提升。
综上，本发明实施例提供了一种基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置，当焊接位置空冷至预定温度时，通过所述冷却口对所述焊接位置强制冷却，使得所述焊接位置的温度下降至马氏体开始转变温度Ms与马氏体转变终了温度Mf之间，当所述冷却口离开该焊接位置时，由于热传导的作用使得所述强制冷却区域的温度短暂高于马氏体开始转变温度Ms，进而使得强制冷却区域的冷却速率减小，自动产生一个配分阶段，在配分阶段可以使得过饱和的碳从马氏体中扩散到奥氏体中，使得奥氏体在室温下可以稳定存在，马氏体的高强度和残余奥氏体在室温下的相变诱导塑性共同作用可以对超高强钢焊接接头的强韧性进行调控，最终获得力学性能提升的超高强钢焊接接头，解决了超高强钢焊接接头软化及脆化的问题，而且对于现有焊接设备的改造简单，不影响焊接生产效率。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置，其特征在于，包括焊枪及冷却构造，所述冷却构造具有一冷却口，所述焊枪与所述冷却口分别位于焊缝的正面及背面且与所述焊缝相对准，所述焊枪与所述冷却口沿所述焊缝的延伸方向具有设定间距，且所述焊枪与所述冷却口能够沿所述焊缝的延伸方向同步移动，当焊接位置空冷至预定温度时，所述冷却口正好移动至所述焊接位置的背面并喷出冷却气体对所述焊接位置强制冷却，所述冷却口离开所述焊接位置的背面时所述焊接位置的温度下降至马氏体开始转变温度与马氏体转变终了温度之间。
2.如权利要求1所述的基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置，其特征在于，所述设定间距L的计算公式如下：
L＝v×t1
其中，t1为所述焊接位置的热循环曲线中峰值温度冷却到所述预定温度的时间，v为所述焊枪的焊接速度。
3.如权利要求1所述的基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置，其特征在于，所述冷却口为矩形，所述冷却口沿所述焊缝的延伸方向的长度l的计算公式如下：
l＝v×t2
其中，v为所述焊枪的焊接速度，t2为根据被焊工件的CCT曲线确定完全获得马氏体组织的冷却速率进行设定。
4.如权利要求3所述的基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置，其特征在于，所述冷却速率介于30℃/s-150℃/s之间。
5.如权利要求3所述的基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置，其特征在于，所述冷却口沿垂直于所述焊缝的延伸方向的宽度为焊缝宽度和焊接形成的热影响区的宽度之和。
6.如权利要求1所述的基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置，其特征在于，所述冷却口处还覆盖有多孔气罩，所述冷却气体从所述多孔气罩喷出。
7.如权利要求1或6所述的基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置，其特征在于，所述焊接装置还包括冷却源，所述冷却构造上设置有用于与所述冷却源连接的连接头，所述冷却源用于向所述冷却构造提供所述冷却气体。
8.如权利要求1所述的基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置，其特征在于，所述焊接装置还包括温度传感器，所述温度传感器用于实时监测所述焊接位置的温度，所述冷却气体的流量与所述焊接位置的温度相适应。
9.如权利要求1所述的基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置，其特征在于，所述焊接装置还包括焊接机器人及可调节支架，所述焊枪固定在所述焊接机器人的机械臂上，所述可调节支架的一端与所述机械臂连接，另一端与所述冷却口连接。
10.如权利要求1所述的基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置，其特征在于，所述预定温度介于奥氏体开始转变温度与奥氏体转变终了温度之间。
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