CN115464073B - 用碳素弹簧钢丝和点焊技术制备高强度弹簧钢丝网 - Google Patents

用碳素弹簧钢丝和点焊技术制备高强度弹簧钢丝网 Download PDF

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Abstract

本发明属于碳素弹簧高强度钢丝制造领域，提供了用碳素弹簧钢丝和点焊技术制备高强度弹簧钢丝网，将多根/多排/多股高强度的碳素弹簧钢丝纵横双向交叉布置成网格，通过点焊机控制程序，将交接点处经预热‑焊接‑一次回火‑二次回火的工艺过程焊接成整体。通过降低点焊熔核的含碳量或者固定熔核中的碳，降低淬硬倾向，改善碳素弹簧钢丝的焊接性能，提高点焊接头的韧性和塑性。

Description

用碳素弹簧钢丝和点焊技术制备高强度弹簧钢丝网
技术领域
本发明属于碳素弹簧高强度钢丝制造领域，特别涉及高碳高强度弹簧钢丝网及其点焊制备。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
碳素高强度弹簧钢丝网常用于提高混凝土的抗裂性能，是以碳素弹簧钢丝为原料，采用特殊的电阻焊工艺焊接为网状结构而成的钢丝网。
碳素高强度弹簧钢丝网抗拉强度高，远超过普通钢丝的抗拉强度，同时其点焊接头的抗剪切力高达2000N以上。但是，碳素弹簧钢丝含碳量高，点焊时点焊接头的冷却速度快，使得点焊熔核淬硬倾向大，容易开裂，脆性大，脱焊率高，剪切力低。
由于高强度弹簧钢丝网优异的性能，因此，在土木、建筑工程、交通、市政建设、电力坝基、防洪设备、边坡加固、崩塌防护等领域得到推广和应用。
例如：专利CN1966903A公开了一种混凝土用高强度钢丝网的制作方法，将碳素弹簧钢丝在200℃～300℃进行预热；接着在0.04秒～0.2秒时间内用电阻焊法焊接成整体，焊接温度为1400℃～1600℃；焊后在温度为500℃～700℃下、保温0.3秒～2秒时间进行回火处理。
论文《高碳钢细钢丝的吸氧护碳焊接原理》公开了用吸氧护碳法焊接高碳钢细钢丝的技术。用这种方法焊接的钢丝，经过翻丝，两次绞丝和其他工艺过程的拉伸，以及弯曲和扭绞考验，电缆成品所能承受的拉断强度超过了标准要求，使用效果良好。但该方法为使用银钎料的钎焊，银为贵金属，难以大量推广应用，另外，钎焊接头的强度也偏低。
实际工作中，发明人发现：上述方法制备的高强度弹簧钢丝网仍存在抗剪力不足，脱焊率较高的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种碳素高强度弹簧钢丝网的焊接方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种用碳素弹簧钢丝和点焊技术制备高强度弹簧钢丝网的方法，包括：
对碳素弹簧钢丝交接点先进行预热，再进行点焊，焊接完成后，进行回火处理，即得；
所述点焊过程中，在碳素弹簧钢丝点焊接头部位加入钛铁粉末，并向点焊区域输入氧气。
在一些实施方式中，所述回火为二次回火。
为了降低脱焊率，本申请尝试通氧的方式来降低熔池的含碳量，但实验中发现：随着含碳量的下降，碳素弹簧钢丝网的力学强度也出现了下降。为此，本发明系统研究了不同方法对脱焊率和力学强度的影响，经过实验摸索，提出了向点焊区域输送氧气的同时，加入钛铁的方案，达到了点焊过程中，脱碳、固碳的平衡，不仅有效地降低点焊接头的脱焊率，碳素弹簧钢网的抗剪力和韧性也得到明显提升。
本发明的第二个方面，提供了上述方法制备的碳素高强度弹簧钢丝网。
本发明的第三个方面，提供了上述的碳素高强度弹簧钢丝网在土木、建筑工程中的应用。
本发明的有益效果
(1)本发明通过向点焊区域输送氧气降低点焊熔核的含碳量，并加入钛铁，用强碳化物形成元素Ti固定熔核中的碳，降低淬硬倾向，改善碳素弹簧钢丝的焊接性能，降低点焊接头的脱焊率，碳素弹簧钢丝网的抗剪力也明显提升。
(2)本发明在碳素弹簧钢钢丝点焊接头部位加入钛铁，点焊时熔池中的C与Ti反应，形成弥散分布的TiC，减少了点焊熔核中网状分布的渗碳体Fe3C含量，提高点焊接头强度的同时，改善了点焊接头的韧性、塑性和抗裂性能，降低了脱焊率。
(3)本发明通过对碳素弹簧钢丝点焊接头的二次回火，减少网状分布的碳化物，改善组织，提高接头的韧塑性，降低脱焊率。
(4)本发明制备方法简单、实用性强，易于推广。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示例性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1焊接的碳素弹簧钢网实物图。
图2为采用本发明的方法焊接的碳素弹簧钢网。
图3为焊点抗剪切力试样用夹具及试样示意图，其中，1.夹具、2.纵向钢丝、3.横向钢丝、4.焊点。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
本发明提供了混凝土用高强度弹簧钢丝网的一种制作方法：将多根/多排/多股高强度的碳素弹簧钢丝纵横双向交叉布置成网格，通过点焊机控制程序，将交接点处经预热-焊接-一次回火-二次回火的工艺过程焊接成整体。
点焊部位采用刷涂或喷涂方式涂覆有机粘接剂，然后通过常用的送粉机构向涂覆上粘接剂的钢丝点焊部位输送钛铁粉末，粉末被钢丝上的粘接剂粘附一层，其厚度为150微米-300微米。点焊过程中，有机粘接剂在预热到200℃左右时分解。点焊时，所加粉末熔入点焊形成的熔池，由于Ti是强碳化物形成元素，Ti和熔池中的碳反应形成弥散分布的碳化钛TiC，起到固定碳C的作用，从而降低了渗碳体Fe3C的含量，消除了沿着晶界网状分布的Fe3C，提高了点焊熔核的韧性、塑性和抗裂性能，降低了脱焊率。TiC的形成也提高了焊点的硬度和强度，提高了点焊接头的抗剪力。因此，在一些实施例中，所述钛铁为粉末状，其化学成分为：Ti大于75％，C不大于0.1％，Si不大于0.5％，P不大于0.01％，S不大于0.03％，Al不大于3.0％，Mn不大于1.0％，Cu不大于0.2％，以质量分数计。
在一些实施例中，钛铁粉末的粒度为150微米-300微米。
研究发现：通过向点焊区域输入氧气(12L/min-15L/min)，熔池表面的碳通过反应Fe3C+O2→Fe+CO被氧化成CO，从熔池逸出，降低了熔池表面的含碳量，熔池在点焊电磁力等的作用下剧烈运动，使熔池内部的金属运动到熔池表面，其所含碳又被氧化、脱碳。另一方面，随着点焊熔池温度的升高，熔池中的氧含量亦提高，熔池内部产生氧化反应：C+O2→CO，碳被烧损；Fe3C+O2→Fe+CO，熔池脱碳。上述熔池内部和表面的冶金反应降低了熔池的含碳量，使得冷却后的熔核含碳量降低，减少了熔核中的渗碳体Fe3C含量，组织得到改善，提高了点焊接头的韧性、塑性和抗裂性能。因此，在一些实施例中，采用两个呈180°的喷嘴向待点焊的交接点输送氧气；
钢加热时吸氧量与温升成正比。当加热至临界温度时，即从马氏体转化为奥氏体后，晶格发生转变，此时钢中的碳对氧显示出极大的吸附化合能力，而产生氧化反应，降低碳含量。因此，在一些实施例中，所述氧气的流量为12L/min-15L/min。
在一些实施例中，将碳素弹簧钢丝预热至200℃-300℃；
在一些实施例中，预热电流为0.5kA-4kA，预热通电时间0.04s-0.1s。
在一些实施例中，点焊采用Cr-Cu或Cr-Zr-Cu合金电极，电极工作面直径4mm-7.5mm。
在一些实施例中，焊接电流2KA-9KA，通电时间0.04s-0.5，电极压力1KN-3.2KN。点焊部位的温度为1400℃-1600℃。
研究发现：高碳钢在焊接时由于高温的影响，碳化物容易在晶界积聚长大，且晶粒长大快，使接头强度降低，同时，高碳钢的导热性能比低碳钢差，故在熔池及热影响区急剧冷却易产生脆性组织。在不同环境中冷却形成的组织也较为复杂，所以要进行扩大区域的高温回火处理，使钢丝点焊熔核周围的金相组织趋于均匀。为了减少回火的保温时间，提高生产效率，本发明采用二次回火工艺，以利于消除网状碳化物并使奥氏体稳定化，空冷形成粗大珠光体和索氏体，达到与原始组织基本一致的状态。因此，在一些实施例中，第一次回火加热温度在800℃～900℃之间，保温0.2s-2s；随后的二次回火加热温度在750℃～850℃之间，保温0.2s-2s，空冷至室温；
在一些实施例中，回火电流1.2KA-7.0KA，通电时间0.5s-1.8s。
碳素弹簧钢丝纵、横双向交叉，纵向钢丝需要点焊的部位通过专用设备移动到点焊工位，在该点焊部位采用刷涂或喷涂方式涂覆有机粘接剂，随后通过送粉机构向涂覆上粘接剂的钢丝部位输送粉末，粉末被钢丝上的粘接剂粘附一层，其厚度与粉末的粒度有关。纵向钢丝点焊部位涂覆粘接剂、完成送粉后，专用设备将横向钢丝输送到点焊工位。通过点焊机控制程序，交接点经预热-焊接-一次回火-二次回火的工艺过程焊接成整体。因此，在一些实施例中，点焊部位采用刷涂或喷涂方式涂覆有机粘接剂，涂覆的厚度为50微米-100微米，所述有机粘接剂包括：羧甲基纤维素CMC、聚乙烯醇、乙基纤维素中的至少一种。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
以下实施例中，选用符合GB/T 4357《冷拉碳素弹簧钢丝》规定的公称直径2mm-4mm、含碳量≥0.60％、抗拉强度≥1470MPa的碳素弹簧钢丝制备建筑用高强度弹簧钢丝网。
钛铁选用符合国家标准GB/T3282的FeTi80-A。
点焊采用Cr-Cu合金电极，电极工作面直径7.5mm。
工业氧气的纯度(体积百分比％)为99.5％以上，不含游离水，符合GB/T3863的规范要求。
粘结剂为羧甲基纤维素CMC；
碳素弹簧钢网的拉伸试验按GB/T228的规定进行，拉伸速度为50mm/min。
焊点抗剪切力实验使用一种能固定于试验机夹头上的夹具，如图3所示，这种夹具在实验时能
——沿受拉钢丝轴线施加力值；
——使受拉钢丝自由端能沿轴线方向滑动；
——对试样横向钢筋适当固定，横向钢筋支点间距应尽可能小，以防止其产生过大的弯曲变形和转动；
弹簧钢丝网的焊点抗剪力为不少于3个试样的平均值(精确到0.1KN)。
实施例1
选用光面弹簧钢丝GB/T 4357-2.0mm—SL，抗拉强度为1670MPa。将单根高强度的碳素弹簧钢丝纵横双向交叉布置成网格，点焊部位采用刷涂或喷涂方式涂覆有机粘接剂，粘接剂的厚度控制在90微米-100微米之间，然后通过常用的送粉机构向涂覆上粘接剂的钢丝点焊部位输送钛铁粉末，粉末被钢丝上的粘接剂粘附一层，其厚度为300微米。通过点焊机控制程序，将交接点处经预热，预热电流：4kA，预热通电时间0.1s；预热温度达到300℃后，采用两个呈180°的喷嘴向待点焊的交接点吹(输送)氧气(氧气为工业用氧)，氧气流量为15L/min，输送氧气的同时，以点焊电流9KA、通电时间0.5s、电极压力3.2KN参数，将网格交接点处的碳素弹簧钢丝点焊成整体，焊接完成后停止氧气输入，点焊部位温度控制在1480℃-1520℃之间。回火参数为：回火电流3.5KA，通电时间1.2s。第一次回火加热温度控制在850℃-900℃之间，保温1s；随后的二次回火加热温度为750℃-800℃之间，保温1s，空冷至室温，完成交接点的点焊连接。
对采用上述工艺制作的碳素弹簧钢网进行性能测试，结果表明：单个点焊焊点的抗剪力为2325N，脱焊率为0％，断裂伸长率为1.21％。
实施例2
选用光面弹簧钢丝GB/T 4357-4.0mm—SM，抗拉强度为1580MPa。将单根高强度的碳素弹簧钢丝纵横双向交叉布置成网格，点焊部位采用刷涂或喷涂方式涂覆有机粘接剂，粘接剂的厚度控制在50微米-60微米之间，然后通过常用的送粉机构向涂覆上粘接剂的钢丝点焊部位输送钛铁粉末，粉末被钢丝上的粘接剂粘附一层，其厚度为150微米。通过点焊机控制程序，将交接点处经预热，预热电流：0.5kA，预热通电时间0.1s；预热温度达到200℃后，采用两个呈180°的喷嘴向待点焊的交接点吹(输送)氧气(氧气为工业用氧)，氧气流量为12L/min，输送氧气的同时，以点焊电流2KA、通电时间0.5s、电极压力1KN参数，将网格交接点处的碳素弹簧钢丝点焊成整体，焊接完成后停止氧气输入，点焊部位温度控制在1400℃-1450℃之间。回火参数为：回火电流1.2KA，通电时间1.8s。回火加热温度控制在800℃-850℃之间，保温1s；随后的二次回火加热温度为750℃-800℃之间，保温1s，空冷至室温，完成交接点的点焊连接。
对采用上述工艺制作的碳素弹簧钢网进行性能测试，结果表明：单个点焊焊点的抗剪力为2123N，脱焊率为0.3％，断裂伸长率为1.89％。
实施例3
选用光面弹簧钢丝GB/T 4357-3.0mm—SH，抗拉强度为1710MPa。将单根碳素弹簧钢丝纵横双向交叉布置成网格，点焊部位采用刷涂或喷涂方式涂覆有机粘接剂，粘接剂的厚度控制在70微米-80微米之间，然后通过常用的送粉机构向涂覆上粘接剂的钢丝点焊部位输送钛铁粉末，粉末被钢丝上的粘接剂粘附一层，其厚度为210微米。通过点焊机控制程序，将交接点处经预热，预热电流：4kA，预热通电时间0.04s；预热温度达到250℃后，采用两个呈180°的喷嘴向待点焊的交接点吹(输送)氧气(氧气为工业用氧)，氧气流量为13L/min，输送氧气的同时，以点焊电流6.5KA、通电时间0.2s、电极压力2.2KN参数，将网格交接点处的碳素弹簧钢丝点焊成整体，焊接完成后停止氧气输入，点焊部位温度控制在1550℃-1600℃之间。回火参数为：回火电流7.0KA，通电时间0.5s。第一次回火加热温度控制在850℃-900℃之间，保温0.2s；随后的二次回火加热温度在800℃-850℃之间，保温0.2s，空冷至室温，完成交接点的点焊连接。
对采用上述工艺制作的碳素弹簧钢网进行性能测试，结果表明：单个点焊焊点的抗剪力为2213N，脱焊率为0.17％，断裂伸长率为1.4％。
对比例1
选用光面弹簧钢丝GB/T 4357-2.0mm—SL，抗拉强度为1670MPa。将单根高强度的碳素弹簧钢丝纵横双向交叉布置成网格。通过点焊机控制程序，将交接点处经预热，预热电流：4kA，预热通电时间0.1s；预热温度达到300℃后，以点焊电流9KA、通电时间0.5s、电极压力3.2KN参数，将网格交接点处的碳素弹簧钢丝点焊成整体，点焊部位温度控制在1480℃-1520℃。回火参数为：回火电流3.5KA，通电时间1.2s。第一次回火加热温度为850℃-900℃之间，保温1s；随后的二次回火加热温度为750℃-800℃之间，保温1s，空冷至室温，完成交接点的点焊连接。
对采用上述工艺制作的碳素弹簧钢网进行性能测试，结果表明：单个点焊焊点的抗剪力为2086N，脱焊率为2.25％，断裂伸长率为2.11％。
对比例2
选用光面弹簧钢丝GB/T 4357-2.0mm—SL，抗拉强度为1670MPa。将单根高强度的碳素弹簧钢丝纵横双向交叉布置成网格。通过点焊机控制程序，将交接点处经预热，预热电流：4kA，预热通电时间0.1s；预热温度达到300℃后，以点焊电流9KA、通电时间0.5s、电极压力3.2KN参数，将网格交接点处的碳素弹簧钢丝点焊成整体，点焊部位温度控制在1480℃-1520℃。点焊后空冷至室温，完成交接点的点焊连接。
对采用上述工艺制作的碳素弹簧钢网进行性能测试，结果表明：单个点焊焊点的抗剪力为1876N，脱焊率为5.23％，断裂伸长率3.12％。
表1
(注：测试结果为5个试样测试值的平均数)
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种用碳素弹簧钢丝和点焊技术制备高强度弹簧钢丝网的方法，其特征在于，包括：
对碳素弹簧钢丝交接点先进行预热，再进行点焊，焊接完成后，进行回火处理，即得；所述点焊过程中，在高碳钢点焊接头区域加入钛铁粉末，并向点焊区域输入氧气；
所述钛铁为粉末状，其化学成分为：Ti大于75%，C不大于0.1%，Si不大于0.5%，P不大于0.01%，S不大于0.03%，Al不大于3.0%，Mn不大于1.0%，Cu不大于0.2%，以质量分数计。
2.如权利要求1所述的用碳素弹簧钢丝和点焊技术制备高强度弹簧钢丝网的方法，其特征在于，所述回火处理为两次回火处理。
3.如权利要求1所述的用碳素弹簧钢丝和点焊技术制备高强度弹簧钢丝网的方法，其特征在于，所述钛铁粉末的粒度为150微米-300微米。
4.如权利要求1所述的用碳素弹簧钢丝和点焊技术制备高强度弹簧钢丝网的方法，其特征在于，采用两个呈180°的喷嘴向待点焊的交接点输入氧气。
5.如权利要求1所述的用碳素弹簧钢丝和点焊技术制备高强度弹簧钢丝网的方法，其特征在于，所述氧气的流量为12 L/min -15L/min。
6.如权利要求1所述的用碳素弹簧钢丝和点焊技术制备高强度弹簧钢丝网的方法，其特征在于，将碳素弹簧钢丝预热至200°C -300°C。
7.如权利要求6所述的用碳素弹簧钢丝和点焊技术制备高强度弹簧钢丝网的方法，其特征在于，预热电流为0.5 kA -4 kA，预热通电时间0.04 s -0.1s。
8.如权利要求1所述的用碳素弹簧钢丝和点焊技术制备高强度弹簧钢丝网的方法，其特征在于，焊接电流2 KA -9KA，通电时间0.04 s -0.5s，电极压力1 KN -3.2KN。
9.如权利要求2所述的用碳素弹簧钢丝和点焊技术制备高强度弹簧钢丝网的方法，其特征在于，第一次回火加热温度在800℃～900℃之间，保温0.2 s -2s；随后的二次回火加热温度在750℃～850℃之间，保温0.2 s -2s，空冷至室温。
10.如权利要求1所述的用碳素弹簧钢丝和点焊技术制备高强度弹簧钢丝网的方法，其特征在于，回火电流1.2 KA -7.0KA，通电时间0.5 s -1.8s。
11.如权利要求1所述的用碳素弹簧钢丝和点焊技术制备高强度弹簧钢丝网的方法，其特征在于，点焊部位采用刷涂或喷涂方式涂覆有机粘接剂，所述有机粘接剂包括：羧甲基纤维素CMC、聚乙烯醇、乙基纤维素中的至少一种。
12.如权利要求1所述的用碳素弹簧钢丝和点焊技术制备高强度弹簧钢丝网的方法，其特征在于，所述碳素弹簧钢丝选用符合GB/T 4357 《冷拉碳素弹簧钢丝》规定的公称直径2mm-4mm、含碳量≥0.60％、抗拉强度≥1470MPa的碳素弹簧钢丝。
13.权利要求1-12任一项所述的方法制备的高碳高强度钢丝网。
14.权利要求13所述的高碳高强度钢丝网在土木、建筑工程中的应用。
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