CN113967773B - 一种水下湿式环境下异种钢超声频脉冲辅助电弧焊方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于水下湿式环境下异种钢超声频脉冲辅助电弧焊方法，包括如下步骤：将钢板开45‑60°V形坡口，留有2mm钝边，并将坡口附近铁锈打磨干净；采用超声频脉冲辅助电弧焊工艺，使用自保护药芯焊丝进行焊接，无需保护气；该工艺可以有效降低焊接接头扩散氢含量，防止氢致裂纹的产生，并通过控制焊接参数还可以改善和精确控制焊缝成形（焊缝余高和背面下塌量≤2mm），解决异种钢水下焊接接头质量偏低的问题，保证海洋和核电领域的安全发展，具有十分重要的理论意义和实际应用价值。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及用于水下环境的异种钢结构焊接方法，具体地说是一种水下湿式环境下异种钢超声频脉冲辅助FCAW(药芯焊丝熔化极气体保护焊)或SMAW(手工电弧焊,是利用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法,简称手弧焊。是以焊条和焊件作为两个电极,被焊金属称为焊件或母材)电弧焊方法。
背景技术
目前，很多的异种钢结构服役于水下环境，如海底油气管道、海洋平台等，为了保证这些结构的安全稳定运行，需要大力发展用于水下环境的异种钢结构焊接方法。然而，异种钢接头进行水下焊接时，由于水环境带来的冷却速度快、氢致裂纹倾向大、焊缝成形质量差等问题，从而给异种钢结构的水下湿法焊接带来困难。因此，必须下更大力度开发适用于异种钢的水下焊接工艺。
已有的技术中，专利200810046615.2介绍了一种中温厚壁WB36/1Cr18Ni9Ti异种钢焊接工艺，涉及一种珠光体/奥氏体异种钢焊接工艺，通过A307焊条在WB36侧先预堆三层作为隔离层，以在提高和保证焊接工艺和接头性能的前提下，降低焊接成本，提高生产效率。专利201510742053.5介绍了厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，采用K型坡口、2mm间隙的坡口形式，提供了一种厚规格耐磨钢板与高强度铸钢的焊接方法，可以有效提高焊接效率。专利200410009170.2和201010123736.X分别介绍了利用电弧超声激励源焊接铝合金与铝基复合材料、焊接钛合金的方法，将电弧不仅作为产热源，同时作为超声发射机构；将超声频交变电信号耦合进焊接电弧，发射出的超声波作用于焊接熔池，从而改善焊接接头熔合区的冶金和结晶过程，进而改善焊接接头的组织和成分均匀度，在此基础上提高接头的强度等性能。但以上几种方法，均未涉及到水环境对焊接接头质量的影响，专利201610183482.8介绍了一种基于脉冲电流的药芯焊丝水下湿法焊接方法，实现了较高频率、较小熔滴尺寸的自由过渡模式，从源头上解决了水下湿法焊接熔滴过渡困难，但是没有涉及到水下湿式环境下异种钢焊缝成形差及接头氢致裂纹敏感性的问题。
因此，研究一种水下湿式环境下异种钢超声频脉冲辅助FCAW电弧焊接方法，可以改善焊接接头熔合区组织的均匀性、减少气孔、降低扩散氢含量，并可增加水下焊接工艺规范区间，提高焊缝成形精度和焊接接头的性能，对保证海洋和核电领域的安全发展，具有十分重要的理论意义和实际应用价值。
发明内容
本发明的目的是针对现有的焊接技术不能满足水下湿式环境下异种钢焊接的问题，发明一种水下湿式环境下异种钢超声频脉冲辅助电弧焊方法，以获得低扩散氢含量的焊接接头，防止氢致裂纹的产生，并通过调节工艺参数，改善和精确控制焊缝成形。
本发明的技术方案是：
一种水下湿式环境下异种钢超声频脉冲辅助电弧焊方法，其特征在于，采用超声频电源对电弧进行调制耦合，产生超声频脉冲进行FCAW或SMAW焊接。
所述方法适用于水下环境异种钢结构焊接，异种钢的钢板厚度为1~14mm。
所述超声频电源的频率区间为20kHz~60kHz。所述的方法包括以下步骤：
步骤（1），焊前准备，对异种钢钢板进行清理除锈，并在待焊处加工形成45º-60º的V形坡口，并留有0~2mm钝边，焊接材料为水下专用镍基自保护药芯焊丝/焊条或不锈钢自保护药芯焊丝或焊条。
步骤（2），设定焊接参数，焊接电流100-300A，电弧电压24-40V，干伸长为10-25mm，超声频电源输出电流30-105A，功率4-7.5kW，脉冲频率20-60kHz。
所述的超声频激励源为方波单脉冲信号，并通过工艺参数优化，借助电弧的高频压缩效应和超声效应，达到控制焊缝成形尺寸、减少气孔和降低氢致裂纹敏感性的目的。
本发明的有益效果是：
本发明可以有效降低焊接接头扩散氢含量，防止氢致裂纹的产生，并通过控制焊接参数还可以改善和精确控制焊缝成形（焊缝余高和背面下塌量≤2mm），解决异种钢水下焊接接头质量偏低的问题，保证海洋和核电领域的安全发展，具有十分重要的理论意义和实际应用价值。
附图说明
图1为使用本焊接工艺后焊缝横截面的金相图。
图1（a）异种钢常规水下FCAW接头横截面；图1（b）超声频脉冲辅助FCAW接头横截面。
图2为本发明所使用的水下超声频脉冲电弧电压的波形图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例一。
如图1-2所示。
一种水下湿式环境下异种钢超声频脉冲辅助电弧焊方法，所用的母材为低合金钢和奥氏体不锈钢，厚度均为8mm，所述的焊接方法为FCAW或SMAW焊接技术，焊接电流为超声频脉冲电流，所述的焊接包括以下步骤：
步骤（1）焊前准备，对低合金钢/奥氏体不锈钢异种钢板进行清理除锈，并在待焊处线切割加工60°的V形坡口，留有2mm钝边，焊接材料为水下专用镍基自保护药芯焊丝。
步骤（2）设定焊接参数，焊接电流200A，电压30V，超声频电源输出电流45A，功率4kW，脉冲频率30kHz。
具体实施时，所采用的焊接电源可直接从市场定制。超声频脉冲电弧电压的波形如图2所示。
实施例二。
一种水下湿式环境下异种钢超声频脉冲辅助SMAW电弧焊方法，所用的母材为低合金钢和奥氏体不锈钢，厚度均为6mm，所述的焊接方法为SMAW焊接技术，焊接电流为超声频脉冲电流，所述的焊接包括以下步骤：
步骤（1）焊前准备，对低合金钢/奥氏体不锈钢异种钢板进行清理除锈，并在待焊处线切割加工45°的V形坡口，留有1mm钝边，焊接材料为水下专用奥氏体不锈钢焊条。
步骤（2）设定焊接参数，焊接电流160A，电压25V，干伸长为10mm，超声频激励源电流35A，功率6kW，脉冲频率35kHz。
具体实施时，所采用的焊接电源可直接从市场定制。
本发明采用超声频激励源，对SMAW焊接电弧进行调制耦合，通过工艺参数优化，借助电弧的高频压缩效应和超声效应，达到控制焊缝成形尺寸、减少气孔和降低氢致裂纹敏感性的目的。
本实施例一焊接的焊缝横截面金相如图1（b）所示，的从图中可以看出，在同等的工艺参数下，使用本方法所得的焊接接头焊缝区域的晶粒明显比未使用本方法的晶粒细小。实施例二的焊缝横截面金相与图1相类似。所示为了评估使用本发明所获得的焊接接头的扩散氢含量以及其产生氢致裂纹的程度，以下是对两个实施案例及在同样工艺参数下所获得的焊接接头分别测量了氢含量、氢致裂纹敏感性及抗拉强度来评价其性能。
| 实施例一 | 实施例一对比样 | 实施例二 | 实施例二对比样 | |
| 焊缝区域扩散氢含量/ml/100g | 4.2 | 8.3 | 15.7 | 30 |
| 裂纹率/% | 1.04 | 7.34 | 4.15 | 23.77 |
| 抗拉强度Re（MPa） | 569 | 540 | 590 | 535 |
采用上述两个实施例的焊接方法，即水下湿式环境下异种钢超声频脉冲辅助FCAW或SMAW电弧焊。结果显示，采用本发明的水下湿式环境下异种钢超声频脉冲辅助FCAW或SMAW电弧焊所获得的焊接接头无明显的宏观裂纹、夹渣等缺陷，相同条件下，焊缝区域的晶粒出现了明显的细化现象，气孔数量减少，扩散氢含量显著下降，水下湿式异种钢焊接接头的性能明显提升。这将解决异种钢水下焊接焊缝尺寸精度差和接头质量偏低的问题，保证海洋和核电领域的安全发展，具有十分重要的理论意义和实际应用价值。
实施例三。
本实施例与实施例一、二的区别在于待焊处线切割加工45°或50°的V形坡口，留有0.5mm或1mm钝边，焊接材料为水下专用镍基自保护药芯焊丝/焊条或不锈钢自保护药芯焊丝或焊条。
焊接参数，焊接电流100A或300A，电弧电压为24V或40V，超声频电源输出电流35A或105A，功率为4 kW 或7.5kW，脉冲频率为20kHz或60 kHz。
其余与实施例一、二相同，焊缝横截面金相与图1（b）相类似。
以上给出的实例仅是用来说明本申请，但此发明不限于上述实施例，本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的变化、变型，均属于本发明的保护范畴。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (2)
1.一种水下湿式环境下异种钢超声频脉冲辅助电弧焊方法，其特征在于，采用超声频电源对电弧进行调制耦合，产生超声频脉冲进行FCAW或SMAW焊接；包括以下步骤：
步骤（1），焊前准备，对异种钢钢板进行清理除锈，并在待焊处加工形成45º-60º的V形坡口，并留有0~2mm钝边，焊接材料为水下专用镍基自保护药芯焊丝/焊条或不锈钢自保护药芯焊丝或焊条；
步骤（2），设定焊接参数，焊接电流100-300A，电弧电压24-40V，干伸长为10-25mm，超声频电源输出电流30-105A，功率4-7.5kW，脉冲频率20-60kHz；
所述的超声频电源为方波单脉冲信号，并通过工艺参数优化，借助电弧的高频压缩效应和超声效应，达到控制焊缝成形尺寸、减少气孔和降低氢致裂纹敏感性的目的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法适用于水下环境异种钢结构焊接，异种钢的钢板厚度为1~14mm。
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| 超声频电弧对SiCp/6061A1等离子弧焊缝微观组织的影响;雷玉成等;《焊接学报》;20110430;第9-12页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113967773A (zh) | 2022-01-25 |
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