CN113692329A - 使用非氧化气氛遮蔽及冷却钢片/板之间的连续焊缝以减少连续焊缝表面上的氧化物形成 - Google Patents
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Abstract
一种用于连续焊接系统中的设备包含经配置以相对于平移中的钢片或板保持固定的焊接头。所述设备包含中空细长主体及通口。所述主体在两个封闭端之间延伸。所述通口与非氧化气体源耦联且与所述主体连通。所述主体界定多个开口。所述开口经配置以将非氧化气体引向所述钢片或板以使遮蔽由所述焊接头形成的焊缝免受大气的影响和冷却所述焊缝同时进行。
Description
优先权
本申请主张2019年4月5日申请的标题为“使用非氧化气氛遮蔽及冷却热冲压钢中的连续焊缝以减少所述连续焊接表面2-2上的氧化物的形成(SHIELDING AND COOLING ACONTINUOUS WELD IN HOT STAMPED STEEL USING A NON-OXIDIZING ATMOSPHERE TOREDUCE THE FORMATION OF OXIDE ON THAT CONTINUOUS WELDING SURFACE 2-2)”的第62/829,741号美国临时申请的优先权，所述申请的公开以引用的方式并入本文中。
背景技术
钢板及/或片可使用各种焊接工艺及在各种背景中接合。在一些背景中，这种钢片/板可在焊接之后经受热浸镀以将各种金属涂层粘附到经焊接钢片/板的一或多个表面。在一些背景中，归因于焊缝处或附近的氧化物形成，钢衬底与金属涂层之间的粘附可为挑战性的。
在焊接期间，紧靠的钢片/板可被加热到相对较高温度。在一些情况下，温度可足够高，使得一或多个钢片/板的一部分与周围大气中的氧反应以产生表面氧化物或垢。如果这种氧化物在焊接之后保留在钢片/板的表面上，那么当经焊接区域经受后续的热浸金属涂覆时，可能会出现涂敷完整性及/或粘附性方面的挑战。例如，在一些背景中，在热浸镀期间，金属涂层可能未完全湿润到焊缝区域的表面。这些挑战可能在例如退火、热冲压及/或等的后续处理操作期间加剧。因此，需要开发装置及方法来降低钢片/板在焊接期间氧化的倾向。虽然在钢铁制造的背景中已制成及使用几种装置及方法，但相信在发明人之前没有人制成或使用所附权利要求书中描述的发明。
附图说明
图1描绘示范性连续缝焊接系统的透视图；
图2描绘图1的连续缝焊接系统的示范性集管的透视图；
图3描绘图2的集管的横截面视图，所述横截面沿着图1的线3-3取得；
图4描绘第一焊缝试样的三个横截面的显微照片，第一焊缝试样用图2的集管执行；
图5描绘第二焊缝试样的三个横截面的显微照片，第二焊缝试样在未使用任何遮蔽及/或冷却的情况下执行；
图6描绘在钢卷的第一外径处取得的第三焊缝试样的横截面的显微照片，所述横截面在涂覆之后取得；
图7描绘在钢卷的第二外径处取得的第三焊缝试样的横截面的显微照片，所述横截面在涂覆之后取得；
图8描绘在钢卷的第一内径处取得的第三焊缝试样的横截面的显微照片，所述横截面在涂覆之后取得；及
图9描绘在钢卷的第二内径处取得的第三焊缝试样的横截面的显微照片，所述横截面在涂覆之后取得。
具体实施方式
图1展示示范性连续缝焊接系统(10)。在焊接系统(10)中，两个片及/或板(20)相对于固定焊接头(30)连续移动。因此，应理解，本实例的焊接系统(10)可容易地集成到连续材料处理系统中，其中片/板(20)使用滚筒或类似物穿过各种材料处理区域。然而，应理解，在其它实例中，焊接系统(10)可用作独立系统，且不与其它材料处理系统集成。因此，尽管片/板(20)被展示为相对于固定焊接头(30)移动，但在其它实例中，焊接头(30)可被配置为移动，而片/板(20)保持固定。当然，如所属领域的一般技术人员鉴于本文的教示将明白，可使用各种替代配置。
本实例中的片/板(20)可包括碳钢或其它钢产品。尽管片/板(20)可包括相同材料，但在一些实例中，每个板(20)的材料可变化。例如，在一些实例中，片/板(20)可用于形成拼焊卷，其随后可形成各种拼焊坯料。在这种实例中，片/板(20)可在材料、尺寸及材料性质上变化。此一配置可期望跨钢坯的横截面积提供不同性质。
本实例的焊接头(30)可经配置以执行各种焊接操作。例如，在一些实例中，焊接头(30)可经配置以执行气体保护钨极弧焊(GTAW)。在其它实例中，焊接头(30)可经配置以执行激光焊接。在又其它实例中，焊接头(30)可经配置以执行电阻焊接。在又其它实例中，焊接头(30)可经配置以执行气体保护金属极弧焊(GMAW)。在又其它实例中，焊接头(30)可经配置以执行遮蔽弧焊(SAW)。当然，如所属领域的一般技术人员鉴于本文的教示将明白，在又其它实例中，焊接头(30)可经配置以执行各种其它替代焊接操作或其组合。
尽管未展示，但应理解，焊接头(30)可与各种其它相关联焊接组件相关联。例如，焊接头(30)可与电源、气体源、填充金属源及/或等中的一或多者相关联。另外，或在替代方案中，焊接头(30)还可与协调系统(10)的一或多个其它组件执行焊接的一或多个控制器相关联。例如，在一个实例中，一或多个控制器可用于协调焊接操作参数，例如电流及/或电压与片/板(20)的进给速度。仍然，所属领域的一般技术人员鉴于本文的教示将明白这种控制器的其它用途。
本实例的焊接头(30)被展示为相对于片/板(20)定位以在片/板(20)之间形成平坦的对接焊缝。然而，应理解，在其它实例中，焊接头(30)可定位在各种替代位置中。例如，在一些实例中，焊接头(30)可定位成以水平、竖直或仰焊位置焊接。另外，或在替代方案中，在一些实例中，焊接头(30)可包含多个焊接头以在多个位置处单程形成焊缝(例如，平焊缝及仰焊缝)。
本实例的焊接系统(10)进一步包含远离焊接头(30)向背向延伸的集管(50)或套管。本实例的集管(50)通常配置成遮蔽由焊接头(30)形成的新焊缝免受大气的影响，同时将新焊缝冷却预定的时间段。这种同时遮蔽及冷却作用通常如下实现：在集管(50)中存在朝向片/板(20)及/或焊缝的位置定向的一或多个开口、孔及/或孔口。因此，应理解，集管(50)通常经配置以将遮蔽气体引导到焊缝的表面上达对应于集管(50)的长度的预定时间。
本实例的集管(50)经配置为细长的中空结构。如下文将更详细描述，集管(50)的中空结构通常经配置以引导气流通过集管(50)流动到焊缝。尽管本实例的集管(50)被展示为具有管状或圆柱形结构，但应理解，在其它实例中，可使用不同结构。例如，在一些实例中，集管(50)可经配置为具有方形或矩形横截面。在其它实例中，集管(50)可经配置为具有椭圆形横截面。在又其它实例中，集管(50)可经配置为具有不规则形状，例如c形横截面或薄饼状横截面。当然，所属领域的一般技术人员鉴于本文的教示将明白集管(50)的各种替代形状。
如图2中最佳所见，集管(50)包含细长主体(52)、封闭前端(54)、封闭后端(56)、通口(58)。如下文将更详细描述，主体(52)及封闭端(54、56)的组合用于将气体从通口(58)通过集管(50)且朝向片/板(20)之间的焊缝分配。本实例的集管(50)通常由单个材料形成，使得细长主体(52)、端(54、56)由单个材料形成。然而，在其它实例中，集管(50)可由固定在一起的多个不同材料形成。另外，本实例的集管(50)通常由例如碳钢合金的金属形成。由于集管(50)定位在新焊缝附近，所以通常期望金属构造以提供一些耐热性。然而，应理解，在其它实例中可使用各种替代材料。
集管(50)进一步包含由主体(52)界定的多个开口(60)。开口(60)通常经配置以将气体从通口(58)引向焊缝。因而，开口(60)通常定位在集管(50)的底侧上靠近焊缝的位置中。本实例的每个开口(60)通常具有圆形或圆柱形形状。在一些实例中，可期望这种形状以促进气体通过每个开口(60)的非湍流流动。
如图2中最佳所见，本实例的开口(60)定向成一条线，且彼此等距间隔。这种配置通常经配置以在气体流动通过开口(60)时提供焊缝的均匀遮蔽及冷却。应理解，在其它实例中，开口(60)可具有各种其它替代配置。例如，在一些实例中，开口(60)可以相同或交错间隔配置为两条、三条或四条平行线。在其它实例中，开口(60)可经配置为沿着主体(52)的长度以相等距离间隔的各种分组(例如，对、三元组、四元组等)。在又其它实例中，开口(60)可被替换为经配置以将非氧化气氛引导到新焊接区域的一或多个细长狭缝。所属领域的一般技术人员鉴于本文的教示将明白开口(60)的又其它配置。
如图3中最佳所见，本实例的开口(60)通常界定直径D1。同时，主体(52)界定直径D2。在本实例中，D1及D2彼此之间具有预定关系以促进气体通过每个开口(60)的均匀流动。例如，D1可界定面积A1。同时，D2可界定面积A2。在一些实例中，面积A2可比所有开口(60)的面积A1的总和大预定倍数。在本实例中，预定倍数是2。然而，在其它实例中，预定倍数可多达20。换句话来说，由主体(52)界定的面积A2可比所有开口(60)的面积A1的总和大2到20的倍数。
在本实例中，通口(58)经由管(72)或软管连接到非氧化气体源(70)。非氧化气体源(70)通常以预定压力将非氧化气体提供到集管(50)。在本实例中，管(72)在管线内包含阀(74)以控制来自非氧化气体源(70)的气体流动。所使用的特定压力可由气体源(70)本身或由阀(74)控制。在任一情况中，压力均被控制以当气体从通口(58)及管(72)流动通过开口(60)时，促进气体对焊缝的覆盖。
非氧化气体源(70)可经配置以提供各种气体或气体混合物，只要这些气体本质上是非氧化性的。仅通过举例，这种非氧化气体的实例可包含氮气、氦气及/或氩气。另外，或在替代方案中，这种非氧化气体还可包含还原气体以主动消耗氧。这种还原气体可包含氢气、一氧化碳及/或硫化氢。当然，如所属领域的一般技术人员鉴于本文的教示将明白，可使用各种替代气体。
在本实例中，集管(20)的特定长度可由所需的冷却量来确定。例如，为了减少氧化物形成，在去除由集管(50)提供的非氧化气氛之前，通常需要将新焊缝冷却到500℃或更低的温度。冷却到这个温度被理解为减少厚氧化物层的存在。在一些实例中，如果氧化物层大于1μm，那么其被视为“厚”。因此，集管(20)的长度通常配置成足以将焊缝冷却到500℃或更低的长度。因此，集管(50)的长度可取决于各种因素，例如片/板(20)相对于集管(50)的行进速度、片/板(20)的冷却速率、片/板(20)的厚度、由焊接头(30)提供的热输入。在本实例中，一个合适长度可为8英尺或更长。在其它实例中，另一合适长度可为3.28英尺(1米)。在一些实例中，可基于以最快行进速度(例如，0.05m/s到1.5m/s)冷却及遮蔽最厚钢片/板(20)(例如，0.5到2.5mm的厚度)且最小化结垢所需的停留时间来确定合适长度。
实例1
制备焊缝以使用气体保护钨极弧焊(GTAW)在平坦位置中对焊两个碳钢片/板。使用上文描述的集管(50)制备第一焊缝(焊缝A)以在焊缝形成之后提供对焊缝的遮蔽及冷却。在未使用集管的情况下制备第二焊缝(焊缝B)，使得完成的焊缝在焊接之后立即暴露于大气。
在焊接及冷却之后，每个焊缝在三个位置处进行剖切。为每个剖面制备显微照片。每个显微照片都使用EpiPhot(具有测量显微照片中的特征的功能性的软件实用程序)进行分析。这种分析包含收集每个显微照片中展示的氧化物或垢层的厚度测量。
图4描绘用集管(50)制备的试样的显微照片。同时，图5描绘在未使用集管(50)的情况下制备的试样的显微照片。如从下表1及2中可见，进行各种氧化物或垢测量以产生平均氧化物或垢厚度。
表1-焊缝A的氧化物厚度测量
表2-焊缝B的氧化物厚度测量
| 识别符 | 测量(μm) |
| B1 | 4.58 |
| B2 | 4.73 |
| B3 | 4.72 |
| B4 | 4.55 |
| B5 | 4.35 |
| B6 | 4.87 |
| B7 | 5.11 |
| B8 | 5.02 |
| B9 | 4.88 |
| B10 | 5.10 |
| B11 | 5.48 |
| B12 | 4.26 |
| B13 | 4.23 |
| B14 | 4.73 |
| B15 | 4.52 |
| B16 | 4.50 |
| B17 | 4.35 |
| AVG | 4.70 |
如通过比较上表1及2可见，与在未使用集管(50)的情况下执行的焊接相比，集管(50)的存在使氧化物厚度减小1.46μm。因此，相对于在未使用集管(50)的情况下执行的焊缝，集管(50)的存在提供氧化物垢厚度的超过30％减小。在实际实践中，相信在集管(50)的使用期间形成的氧化物层将归因于由针对特定焊缝定制集管(50)的各种参数所致的更通透且更均匀的覆盖而实质上更薄。进一步相信，图5的无笼罩焊缝在实践中将具有更厚的垢。在后续的退火及金属涂覆工艺中，归因于焊缝区域的均匀覆盖的减少，通常将不期望这种垢的存在。
实例2
使用连续镀铝生产线进行进一步测试。具体来说，使用上文详述的集成到连续镀铝生产线中的焊接系统(10)执行焊接以制备全镀铝卷。使用具有集管(50)的焊接系统(10)接合碳钢片/板。在焊接之后，经焊接片/板经受镀铝。
在测试完成之后，在卷的外径及卷的内径处从完成的卷中去除试样。为每个试样制备显微照片。图6及7展示从卷的外径去除的试样的显微照片。同时，图8及9展示从卷的内径去除的试样的显微照片。图6到9全部展示具有可接受的焊缝质量的焊缝。
上文描述的试样接着经受机械测试。具体来说，在垂直于焊缝方向的方向上执行拉伸测试。在下表3中展示拉伸结果。
表3-拉伸结果
上文展示的拉伸测试指示可接受的焊缝质量。针对所有试样，断裂通常发生在热影响区(HAZ)或基底金属(BM)中。应理解，本文使用的术语“热影响区”的使用通常指未在焊接期间焊接而是使其微观结构或材料性质通过焊接而更改的焊缝的区域。通常预期较薄材料中的破裂。
Claims (18)
1.一种用于连续焊接系统中的设备，其包含经配置以相对于平移中的钢片或板保持固定的焊接头，其中所述设备包括：
中空细长主体，其在两个封闭端之间延伸；及
通口，其与非氧化气体源耦联且与所述主体连通，
其中所述主体界定多个开口，其中所述开口经配置以将非氧化气体引向所述钢片或板以使遮蔽由所述焊接头形成的焊缝免受大气的影响和冷却所述焊缝同时进行。
2.根据权利要求1所述的设备，其中由所述主体界定的所述开口沿着所述主体的纵轴布置。
3.根据权利要求2所述的设备，其中由所述主体界定的每个开口与每个相邻开口间隔相等距离。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个开口中的每个开口界定第一区域，其中所述主体界定第二区域，其中第三区域由每个开口界定的所述第一区域的总和界定，其中所述第二区域大于所述第三区域。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述第二区域比所述第三区域大2到20之间的预定倍数。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述主体界定长度，其中所述长度经配置以将所述焊缝冷却到500℃或更低。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述主体界定长度，其中所述长度是1米或更长。
8.一种用于连续焊接钢片或板的系统，其中所述系统包括：
焊接头，其经配置以经由一或多个钢片或板与所述焊接头之间的相对移动在所述一或多个钢片或板上形成焊缝；及
具有中空主体的集管，所述中空主体在焊接方向上远离于所述焊接头延伸，其中所述主体界定朝向所述焊缝定向的多个开口，其中所述多个开口经配置以将非氧化气体的流动引向所述焊缝以使遮蔽所述焊缝免受大气影响和冷却所述焊缝同时进行。
9.根据权利要求8所述的系统，其进一步包括非氧化气体源，其中所述集管包含与所述主体连通的通口，其中管在所述非氧化气体源与所述通口之间延伸以将非氧化气体连通到所述主体。
10.根据权利要求9所述的系统，其进一步包括阀，其中所述阀与所述管连通以控制连通到所述主体的非氧化气体的压力。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述非氧化气体源经配置以提供氩气或氮气中的一或多者。
12.根据权利要求8所述的系统，其中所述主体界定长度，其中所述多个开口由所述主体沿着所述主体的所述长度界定。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述主体的所述长度经配置以将所述焊缝冷却到500℃或更低。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述主体的所述长度是1米或更长。
15.一种用于遮蔽及冷却焊缝的方法，其中所述方法包括：
在第一方向上相对于焊接头移动多个金属片或板以在所述金属片或板之间形成所述焊缝；及
当所述片或板在所述第一方向上移动时，靠近所述焊缝沉积非氧化气体以使所述焊缝的遮蔽及冷却同时进行。
16.根据权利要求15所述的方法，其中沉积所述非氧化气体的步骤是沿着所述焊缝的所述长度持续进行预定距离以冷却所述焊缝。
17.根据权利要求15所述的方法，其中沉积所述非氧化气体的所述步骤是沿着所述焊缝的预定长度执行以将所述焊缝冷却到预定温度。
18.根据权利要求15所述的方法，其中沉积所述非氧化气体的所述步骤是沿着所述焊缝的预定长度执行以将所述焊缝冷却到500℃或更低。
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