CN116493758A - 一种红外辅热背板水冷控制激光电弧复合焊接应力方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外辅热背板水冷控制激光电弧复合焊接应力方法，包括跟随激光热源移动的前置红外加热设备以及流道可控的水冷板，其中红外对板件加热区域可精确控制，并设置非接触式测温仪实时监控焊缝周围温度。焊接时，红外辐照熔池两侧一定区域的母材，起到预热板材的作用，同时水冷板通冷却液，冷却焊缝及热影响边缘以外区域，两者共同作用一方面抵消焊接过程中压缩塑性变形，另一方面减少了激光热源对焊缝区以外母材的热影响。本发明实现了抗拉强度值为1750MPa的超高强装甲钢激光‑MIG复合焊接，焊缝强度并不低于生产成本较高的激光焊和电子束焊，焊缝抗拉强度可达到九级防护钢的70％，最大抗拉强度值为1300MPa～1500MPa；焊缝中心硬度稍有软化，硬度值为380HV～400HV。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体的说是一种红外辅热背板水冷控制激光电弧复合焊接应力方法。
背景技术
现有的超高强钢板焊接，由于整板预热和激光电弧热输入，会导致超高强钢母材组织变化，以及焊后温度分布差异过大，造成的焊后残余应力水平较高。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种红外辅热背板水冷控制激光电弧复合焊接应力方法，包括跟随激光热源移动的前置红外加热设备以及流道可控的水冷板，其中红外对板件加热区域可精确控制，并设置非接触式测温仪实时监控焊缝周围温度。焊接时，红外辐照熔池两侧一定区域的母材，起到预热板材的作用，同时水冷板通冷却液，冷却焊缝及热影响边缘以外区域，两者共同作用一方面抵消焊接过程中压缩塑性变形，另一方面减少了激光热源对焊缝区以外母材的热影响。
本发明采用区域红外辅热和水冷工艺，以解决现有超高强钢板焊接过程中出现的晶粒长大及焊后应力过大的问题。本发明实现了抗拉强度值为1750MPa的超高强装甲钢激光-MIG复合焊接，焊缝强度并不低于生产成本较高的激光焊和电子束焊。经焊后红外缓冷和自然冷却，焊缝抗拉强度可达到九级防护钢的70％，最大抗拉强度值为1300MPa～1500MPa；焊缝中心硬度稍有软化，硬度值为380HV～400HV。
本发明技术方案如下，一种红外辅热背板水冷控制激光电弧复合焊接应力方法，包括以下步骤：
S1将待焊钢板进行清洗，开双边坡口，清理；
S2将步骤S1钢板放置在水冷板上，两端点焊固定；开启红外加热器辐照焊道两侧狭长矩形红外加热区域，水冷板通冷却液，红外加热区域温度为150～200℃，冷却液温度不超过50℃；
S3焊接激光功率为3.0～5.0kw，焊电流100～140A，焊接电压21～23V，激光入射角垂直于焊缝；焊丝端部指向板件上激光焦点，送丝速度100～200cm/min；控制焊接速度300～500mm/min；进行焊接；
S4焊后等待红外加热区域温度50℃后，对焊缝进行消氢处理。
进一步地，步骤S1所述钢板抗拉强度为1500-2000MPa。
进一步地，步骤S1所述坡口为V形或U形。
进一步地，步骤S1所述清理为对坡口两侧20mm内表面进行打磨处理，暴露出金属外表，同时清除待焊区50mm以内铁锈、油污。
进一步地，步骤S2所述狭长矩形红外加热区域宽度为6-8mm。
进一步地，步骤S2所述焊前红外加热器辐照功率为500～2000W，辐照频率50～150THz；
进一步地，步骤S2所述水冷板包括：水冷板对应焊缝区流道、水冷板对应热影响边缘以外区第一流道和水冷板对应热影响边缘以外区第二流道，其中，水冷板对应焊缝区流道流速为3.0～4.0m/s，其他流道流速为2.0～2.5m/s；
进一步地，步骤S3所述焊丝为ER140S-G高强钢焊丝，焊丝直径1.2～1.6mm。
进一步地，步骤S4所述焊后红外辐照功率400～1000W，辐照频率10～100THz，保持焊后钢板辐照下最低温度不低于50℃。
进一步地，步骤S4钢板表面最高温度低于200℃时关闭红外加热器。
本发明的有益效果为：
本发明采用红外加热辐照焊缝两侧6～8mm狭长矩形区域，尽量减小了预热对热影响区边缘以外母材的影响，防止其受热而产生晶粒长大从而造成综合性能的下降。由于焊接过程中接头热影响区受热循环影响最为严重，通常该区应力水平在接头中为最高，通过红外局部辐照加热的方式预热该区，不仅如前所述减少了对母材的影响，而且该方法为实时辐照，可跟进焊接过程，且红外功率及辐照频率可调性较大，通过测温装置可实现实时反馈，工件不需近炉，简化了生产工艺流程。
本发明通过在焊板底部放置水冷板对板件温度加以控制。相比传统水冷的整板冷却和均一流速，本发明水冷板仅对焊缝区以及热影响边缘区以外的母材区进行局部水冷。由于焊缝区熔化温度极高，在冷却过程中受周围金属拉伸而产生很大的焊缝拉应力，对焊缝区对应流道加以较大流速，使焊接区获得相比热影响区更大的负温差，从而产生相反的压缩变形以抵消应力，这也是为什么不对热影响区水冷的原因，且对热影响区水冷也会变相削弱预热效果。对热影响区边缘以外母材区进行水冷则能够进一步减少热循环对母材的影响，延缓晶粒长大保持母材优良的力学性能。
本发明实现了抗拉强度值为1750MPa的超高强装甲钢激光-MIG复合焊接，焊缝强度并不低于生产成本较高的激光焊和电子束焊，焊缝抗拉强度可达到九级防护钢的70％，最大抗拉强度值为1300MPa～1500MPa；焊缝中心硬度稍有软化，硬度值为380HV～400HV。
附图说明
图1为本发明焊接示意图。
图2为本发明水冷板表面流道示意图。
图3为焊前开V形坡口示意图。
图4为焊前开U形坡口示意图。
图中：
1-水冷板对应焊缝区进水口；2-水冷板对应热影响边缘以外区第一进水口；3--水冷板对应热影响边缘以外区第二进水口；4-MAG焊枪；5-CO2激光头；6-第一红外发生器；7-第二红外发生器；8-水冷板；9-6252超高强钢板；10-焊道；11-红外加热区域；12-红外测温仪；101-水冷板对应焊缝区流道；201-水冷板对应热影响边缘以外区第一流道；301-水冷板对应热影响边缘以外区第二流道。
具体实施方式
需要说明的是，在本发明的描述中术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；连接可以是机械连接，也可以是电连接；相连可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明要解决超高强薄板焊接中预热导致母材晶粒长大和焊后应力水平较高、焊接变形的问题。
一种红外辅热背板水冷控制激光电弧复合焊接应力方法，具体按以下步骤进行：
S1将待焊6mm厚的6252超高强钢板9件进行清洗，开双边V形或U形坡口，并对坡口两侧20mm内表面进行打磨处理使之露出金属外表，并清除待焊区50mm范围内铁锈、油污。
S2将步骤S1所述处理后钢板放置在水冷板8上，并用夹具夹紧，两端点焊固定；开启红外加热器辐照焊道两侧宽度为6～8mm的狭长矩形红外加热区域11，同时开启水冷板8下水冷板对应焊缝区流道101、水冷板对应热影响边缘以外区第一流道201和水冷板对应热影响边缘以外区第二流道301，通以不同流速的冷却液，并采用红外温度计12进行实时温度检测，控制红外加热区域11温度维持在150～200℃，对应水冷区温度不超过50℃。
S3设置激光-MAG焊枪4焊接参数：控制激光功率3.0～5.0kw，激光入射角垂直于焊缝；控制MAG焊电流100～140A，焊接电压21～23V，焊丝端部指向板件上激光焦点，送丝速度100～200cm/min；控制焊接速度300～500mm/min。开启电源，完成焊接。
S4焊后关闭水冷板流道阀门，红外辐照板件全部区域缓冷。之后进行焊缝消氢处理。
进一步地，步骤S1所述坡口为V形或U形。
进一步地，步骤S1对坡口两侧20mm内表面进行打磨处理，暴露出金属外表，同时清除待焊区50mm以内铁锈、油污。
进一步地，步骤S2所述狭长矩形红外加热区域宽度为6-8mm。
进一步地，步骤S2所述焊前红外加热器辐照功率为500～2000W，辐照频率50～150THz；
进一步地，步骤S2所述水冷板对应焊缝区流道流速为3.0～4.0m/s，对应热影响边缘以外区域流速为2.0～2.5m/s；
进一步地，步骤S3所述焊丝为ER140S-G高强钢焊丝，焊丝直径1.2～1.6mm。
进一步地，步骤S4所述焊后红外辐照功率400～1000W，辐照频率10～100THz，保持焊后钢板辐照下最低温度不低于50℃。
进一步地，步骤S4钢板表面最高温度低于200℃时关闭红外加热器。
焊后对板件整体进行辐照是对板件进行缓冷处理，焊后焊缝区温度最高，焊缝距离越远温度越低。焊后辐照缓冷的温度要求是：要保证缓冷期间整个板件的温度在50℃以上，保持辐照状态，直到板件的最高温度(焊缝区)降低至200℃时，关闭加热器。
实施例一：
本实施例一为采用红外辅热-背板水冷控制激光电弧复合焊接应力的方法，具体按以下步骤进行：
S1将待焊6mm厚的6252超高强钢板件进行清洗，开双边V形，并对坡口两侧20mm内表面进行打磨处理使之露出金属外表，并清除待焊区50mm范围内铁锈、油污。
S2将步骤1所述处理后钢板放置在水冷板上，并用夹具夹紧，两端点焊固定；开启红外加热器辐照焊道两侧宽度为6mm的狭长矩形区域，设置红外加热器辐照功率为1500W，辐照频率85THz，同时开启水冷板对应焊缝区及热影响边缘以外区流道，控制对应焊缝区流道流速为3.5m/s，对应热影响边缘以外区域流速为2.0m/s，采用红外温度计进行实时温度检测，控制红外辐照区域温度维持在170℃，对应水冷区温度不超过50℃。
S3设置激光-MAG焊接参数：控制激光功率4.5kw，激光入射角垂直于焊缝；焊丝为1.2mm的ER140S-G高强钢焊丝。控制MAG焊电流117A，焊接电压22V，焊丝端部指向板件上激光焦点，送丝速度200cm/min；控制焊接速度320mm/min。开启电源，完成焊接。
S4焊后关闭水冷板流道阀门，红外辐照板件全部区域进行缓冷，设置红外辐照功率650W，辐照频率30THz，板表面最高温度低于200℃时关闭辐照。之后进行焊缝消氢处理。
本实施例实现了抗拉强度≥1750MPa超高强钢板的连接，经盲孔法对比测定焊后应力水平下降明显且未观察到明显的焊接变形。
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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
Claims (10)
1.一种红外辅热背板水冷控制激光电弧复合焊接应力方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1将待焊钢板进行清洗，开双边坡口，清理；
S2将步骤S1钢板放置在水冷板上，两端点焊固定；开启红外加热器辐照焊道两侧狭长矩形红外加热区域，水冷板通冷却液，红外加热区域温度为150～200℃，冷却液温度不超过50℃；
S3焊接激光功率为3.0～5.0kw，焊电流100～140A，焊接电压21～23V，激光入射角垂直于焊缝；焊丝端部指向板件上激光焦点，送丝速度100～200cm/min；控制焊接速度300～500mm/min；进行焊接；
S4焊后等待红外加热区域温度50℃后，对焊缝进行消氢处理。
2.如权利要求1所述的一种红外辅热背板水冷控制激光电弧复合焊接应力方法，其特征在于，步骤S1中，所述钢板抗拉强度为1500-2000MPa。
3.如权利要求2所述的一种红外辅热背板水冷控制激光电弧复合焊接应力方法，其特征在于，步骤S2中，所述狭长矩形红外加热区域宽度为6-8mm。
4.如权利要求3所述的一种红外辅热背板水冷控制激光电弧复合焊接应力方法，其特征在于，步骤S2中，所述红外加热器辐照功率为500～2000W，辐照频率50～150THz。
5.如权利要求1至4任一项所述的一种红外辅热背板水冷控制激光电弧复合焊接应力方法，其特征在于，所述水冷板内包括：水冷板对应焊缝区流道、水冷板对应热影响边缘以外区第一流道和水冷板对应热影响边缘以外区第二流道，其中，水冷板对应焊缝区流道流速为3.0～4.0m/s，其他流道流速为2.0～2.5m/s。
6.如权利要求5所述的一种红外辅热背板水冷控制激光电弧复合焊接应力方法，其特征在于，步骤S3中，所述焊丝为ER140S-G焊丝，焊丝直径1.2～1.6mm。
7.如权利要求5所述的一种红外辅热背板水冷控制激光电弧复合焊接应力方法，其特征在于，步骤S4中，焊后红外辐照功率400～1000W，辐照频率10～100THz，保持焊后钢板辐照下最低温度不低于50℃。
8.如权利要求7所述的一种红外辅热背板水冷控制激光电弧复合焊接应力方法，其特征在于，步骤S4钢板表面最高温度低于200℃时关闭红外加热器。
9.如权利要求1所述的一种红外辅热背板水冷控制激光电弧复合焊接应力方法，其特征在于，步骤S1中，步骤S1所述坡口为V形或U形。
10.如权利要求9所述的一种红外辅热背板水冷控制激光电弧复合焊接应力方法，其特征在于，步骤S1中，所述清理为对坡口两侧20mm内表面进行打磨处理，暴露出金属外表，同时清除待焊区50mm以内铁锈、油污。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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