CN116967717A - 一种焊接碟簧及其成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种焊接碟簧及其成形方法，属于碟簧制备技术领域。本发明提供的焊接碟簧的成形方法，包括以下步骤：将金属带材依次进行卷绕和局部预热，得到待焊接卷材；将得到的待焊接卷材依次进行激光焊接、局部热处理和后处理，得到焊接碟簧；所述激光焊接的输出功率为0.1～8kW，激光焊接的扫描速度为50～1000mm/s。本发明提供的成形方法将金属带材依次进行卷绕和局部预热，有利于碟簧在激光焊接时快速成形并形成小的热影响区；通过采用激光焊接并控制参数，可以减少材料脱碳，避免晶粒粗化以及形成焊接气孔，力学性能更好；通过局部热处理改善焊缝处焊接应力，进一步提高焊接质量；而且成形方法更加简单高效、原料利用率高。
Description
技术领域
本发明涉及碟簧制备技术领域，尤其涉及一种焊接碟簧及其成形方法。
背景技术
碟形弹簧是在轴向上呈锥形并承受负载的特殊弹簧，在承受负载变形后，储蓄一定的势能，当螺栓出现松弛时，碟形弹簧释放部分势能以保持法兰连接间的压力达到密封要求。
碟形弹簧的形状如图1所示，其呈锥形环状或梯形环状，上下两端的中间部位是相通的。目前，碟形弹簧形的成形工艺主要有两种，一种是将板料通过一次冲压形成环状，再经过一次冲压形成呈锥形环状，采用这种冲压形成的如图1所示的结构，其冲压下来的边角料和中间的圆形板料的都变成了废料，因此其原材料浪费较为严重，导致生产成本较高；而且冲压后产生的R角都需经过再次加工处理，同时仅通过冲压成形后的碟簧组织中仍存在较多原材料中遗留的组织不均匀等缺陷，力学性能较低。还有一种是将带材先进行卷绕预成形，然后再通过焊接、热处理工艺永久成形，但是在焊接过程中，焊缝及热影响区容易出现脱碳、晶粒粗大等问题，导致碟簧的力学性能较差，无法满足疲劳寿命使用要求。
因此，亟需提供一种碟簧的成形方法，能够使成形的碟簧具有良好的力学性能的同时，成形工艺更加简单高效、原料利用率高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种焊接碟簧及其成形方法，本发明提供的成形方法得到的碟簧具有良好的力学性能，而且成形工艺更加简单高效、原料利用率高。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种焊接碟簧的成形方法，包括以下步骤：
(1)将金属带材依次进行卷绕和局部预热，得到待焊接卷材；
(2)将所述步骤(1)得到的待焊接卷材依次进行激光焊接、局部热处理和后处理，得到焊接碟簧；所述激光焊接的输出功率为0.1～8kW，激光焊接的扫描速度为50～1000mm/s。
优选地，所述步骤(2)中激光焊接的焊接路径为螺旋运动路径，激光焊接的焦距为100～1500mm，激光焊接的光斑直径为0.04～2mm。
优选地，所述步骤(2)中局部热处理的位置为焊缝和激光焊接形成的热影响区。
优选地，所述步骤(2)中局部热处理为依次进行的退火和回火，或者为依次进行的退火、淬火和回火。
优选地，所述退火的保温温度为200～750℃，所述退火的保温时间为0.2～20s。
优选地，所述淬火的加热温度为800～900℃，所述淬火的冷却方式为油冷至室温。
优选地，所述回火的保温温度为300～500℃，所述回火的保温时间为1.5～10s。
优选地，所述步骤(1)中的金属带材包括碳素弹簧钢、热轧碳素弹簧钢或合金弹簧钢。
优选地，所述步骤(1)中局部预热的位置为待焊接卷材的待焊接接头部分。
本发明还提供了上述技术方案所述的成形方法制备得到的焊接碟簧。
本发明提供了一种焊接碟簧的成形方法，包括以下步骤：将金属带材依次进行卷绕和局部预热，得到待焊接卷材；将得到的待焊接卷材依次进行激光焊接、局部热处理和后处理，得到焊接碟簧；所述激光焊接的输出功率为0.1～8kW，激光焊接的扫描速度为50～1000mm/s。本发明提供的成形方法先将金属带材卷绕成碟簧形状，再对其进行局部预热，更有利于碟簧在激光焊接时快速成形，且局部预热可以使激光焊接快速达到熔合温度，减小激光焊接形成的热影响区，从而降低焊接高温对碟簧组织和性能的不利影响，保证焊接碟簧的焊缝具有较高的力学性能；本发明通过采用激光焊接，可以形成较小的焊缝宽度，对非焊接区域的组织影响较小，同时控制激光焊接的参数，可以在保证接头有效焊合的条件下减少热量输入，可以减少材料脱碳，保证碟簧的硬度不会明显降低；而且焊接速度快，热影响区的组织影响程度低，晶粒不会受高温影响而粗化，同时也不会形成焊接气孔，焊接精度高，保证焊缝区域具有较高的焊接强度；通过局部热处理，能够进一步改善焊缝区域的焊接应力，进一步提高焊接区的强度，使得焊接区的抗拉强度达到基材硬度的85～110％。
实施例的结果表明，本发明提供的成形方法得到的焊接碟簧，其中，实施例1的焊缝平均硬度为444.5HV1，基材平均硬度为455.5HV1，焊缝平均屈服强度为1804.5MPa，焊缝平均抗拉强度为1945MPa，基材的平均抗拉强度为1860MPa，焊缝组织为细小的针状铁素体和回火屈氏体，基材的组织为回火屈氏体。实施例2的焊缝平均硬度为385HV0.5，基材平均硬度为440HV0.5，焊缝平均屈服强度为1199MPa，焊缝平均抗拉强度为1259.5MPa，基材的平均抗拉强度为1460MPa，焊缝组织为细小的针状铁素体和回火屈氏体，基材的组织为回火屈氏体。可见，本发明提供的成形方法并未明显降低焊缝处的硬度和强度，而且也并未产生脱碳以及晶粒粗化的问题。可见，本发明提供的成形方法不会导致焊接碟簧的焊缝性能明显降低，甚至在实施例1中明显提高了焊缝的抗拉强度，而且焊缝组织均匀，晶粒细小。
本发明提供的成形方法不会产生废料，热处理完成后无需再次进行冲压，更加简单高效、原料利用率高。
附图说明
图1为碟簧的形状示意图；
图2为本发明实施例1制备的焊接碟簧的焊缝区域的光学金相显微图；
图3为本发明实施例1制备的焊接碟簧的基材区域的光学金相显微图；
图4为本发明实施例2制备的焊接碟簧的焊缝区域的光学金相显微图。
具体实施方式
本发明提供了一种焊接碟簧的成形方法，包括以下步骤：
(1)将金属带材依次进行卷绕和局部预热，得到待焊接卷材；
(2)将所述步骤(1)得到的待焊接卷材依次进行激光焊接、局部热处理和后处理，得到焊接碟簧；所述激光焊接的输出功率为0.1～8kW，激光焊接的扫描速度为50～1000mm/s。
本发明将金属带材依次进行卷绕和局部预热，得到待焊接卷材。
在本发明中，所述金属带材优选包括碳素弹簧钢、热轧碳素弹簧钢或合金弹簧钢，更优选包括65Mn、60Si2Mn、60Si2MnA、50CrVA、60Si2CrV、60Si2CrVA、55SiCr或55SiCrA。本发明通过选择上述种类的金属带材，更有利于进行后续焊接获得高质量焊缝。
在本发明中，所述卷绕优选为一次卷绕成形。本发明对所述卷绕的操作没有特殊要求，采用本领域熟知的卷绕操作能够使金属带材达到目标形状即可。
在本发明中，所述局部预热的位置优选为待焊接卷材的待焊接接头部分。
在本发明中，所述局部预热的保温温度优选为100～500℃，更优选为200～450℃；所述局部预热的保温时间优选为0.5～3s，更优选为0.8～2.5s。本发明通过进行局部热处理并将其参数控制在上述范围内，可以使激光焊接快速达到熔合温度，减小激光焊接形成的热影响区，从而降低焊接高温对碟簧组织和性能的不利影响，保证焊接碟簧的焊缝具有较高的力学性能。
在本发明中，所述待焊接卷材的形状优选为锥形环状。
得到待焊接卷材后，本发明将所述待焊接卷材依次进行激光焊接、局部热处理和后处理，得到焊接碟簧。
在本发明中，所述激光焊接的输出功率优选为0.1～8kW，更优选为0.5～5kW，最优选为1～3kW；所述激光焊接的扫描速度优选为50～1000mm/s，更优选为100～800mm/s，最优选为300～600mm/s。在本发明通过控制激光焊接的输出功率和扫描速度在上述范围内，能够保证激光焊接输出适宜的热量，避免焊接时导致焊接区域过热或者形成较大的热影响区，减少激光焊接过程高温影响导致的脱碳和晶粒粗化问题，保证焊缝具有良好的性能。
在本发明中，所述激光焊接的焊接路径优选为螺旋运动路径；所述激光焊接的焦距优选为100～1500mm，更优选为500～1000mm；所述激光焊接的光斑直径优选为0.04～2mm，更优选为0.1～1.5mm，更优选为0.4～1mm。本发明通过控制焊接路径、焦距以及光斑直径在上述范围内，能够保证焊接时形成较小的热影响区，避免非焊接区域发生明显的组织变化，保证焊缝区域具有较小的晶粒尺寸。
在本发明中，所述激光焊接优选在保护气体氛围中进行；所述保护气体优选为氩气或氮气。本发明通过在保护气体的氛围中进行激光焊接，能够避免熔池区域接触氧气发生氧化烧损，避免热影响区形成氧化皮，从而保证焊接碟簧具有良好的焊接质量。
在本发明中，所述激光焊接的设备优选为振镜式激光焊接机。本发明通过选择上述激光焊接设备，更有利于进行高精度焊接，从而得到焊接质量好的焊接碟簧。
在本发明中，所述激光焊接激光焊接的定位方式优选为采用同轴或旁轴CCD相机进行视觉系统定位。本发明通过采用上述定位方式更有利于保证焊接碟簧具有较高的焊接精度，从而保证焊缝齐整，力学性能更好。
在本发明中，所述局部热处理的位置优选为焊缝和激光焊接形成的热影响区。
在本发明中，所述局部热处理优选为依次进行的退火和回火，或者为依次进行的退火、淬火和回火。
在本发明中，当所述金属带材在使用前已经经过热处理，所述局部热处理优选为依次进行的退火和回火；当所述金属带材在使用前未经过热处理，所述局部热处理优选为依次进行的退火、淬火和回火。本发明通过对不同的金属带材选择不同的局部热处理方式，可以有效减少脱碳并保证晶粒不会粗化，更有利于焊缝获得良好的力学性能，使得焊接区的抗拉强度能够达到基材硬度的85～110％。
在本发明中，所述退火的保温温度优选为200～750℃，更优选为300～700℃，最优选为400～600℃；所述退火的保温时间优选为0.2～20s，更优选为0.5～9s，最优选为1～8s。本发明通过将退火的参数控制在上述范围内，更有利于去除激光焊接过程产生的焊接应力，稳定焊缝。
在本发明中，所述退火的设备优选为电极热处理设备。在本发明中，所述退火的受热区域的大小由电极热处理设备的两电极间的距离确定。在本发明中，所述两电极间的距离优选为1～100mm。本发明通过采用上述热处理设备控制其两电极间的距离在上述范围内，可以实现对焊缝的精准受热，保证焊缝区域实现有效退火而对其他区域不产生任何高温影响，从而减少脱碳和晶粒粗化问题。
在本发明中，所述退火的冷却方式优选为2s内冷却至100℃以下。本发明通过采用上述冷却方式能够使退火后的焊接件快速降温，避免退火余温导致焊缝组织的晶粒过度生长而粗化。
在本发明中，所述淬火的加热温度优选为800～900℃，所述淬火的冷却方式优选为油冷至室温。本发明通过淬火处理并将其参数控制在上述范围内，能够提高焊缝区域的硬度。
在本发明中，所述回火的保温温度优选为300～500℃，更优选为350～450℃；所述回火的保温时间优选为1.5～10s，更优选为2～8s。本发明通过回火可以进一步消除焊缝应力，并保证焊缝具有较高的屈服强度。
在本发明中，所述后处理优选包括立定处理和表面处理中的一种或两种。
在本发明中，所述立定处理优选为：采用油压机将所述局部热处理的产物沿高度方向下压至平整或者下压至指定高度；所述下压缩次数优选≥3次。本发明对所述指定高度没有特殊要求，按照本领域常规使用的碟簧尺寸压制即可。本发明通过立定处理能够使焊接碟簧获得适宜的高度尺寸并获得良好的尺寸稳定性。
在本发明中，所述表面处理优选包括磨料抛光、超声波清洗、表面强化喷丸和表面防锈中的一种或多种。本发明通过进行表面处理能够保证焊接碟簧具有良好的表面质量。
本发明提供的成形方法得到的焊接碟簧具有良好的力学性能，而且成形工艺更加简单高效、原料利用率高。
本发明还提供了上述技术方案所述的成形方法制备得到的焊接碟簧。
在本发明中，所述焊接碟簧的外径与内径的比值优选为0.7～3.5；所述外径优选≤600mm；所述内径优选≥50mm；所述焊接碟簧的截面厚度优选为1～10mm。本发明的成形方法得到的焊接碟簧尺寸精度更高，更符合本领域广泛应用的焊接碟簧的尺寸要求。
本发明提供的焊接碟簧尺寸精度高，焊缝组织均匀，晶粒细小，力学性能好。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种焊接碟簧的成形方法，由以下步骤组成：
(1)将金属带材依次进行卷绕和局部预热，得到待焊接卷材；
其中，金属带材为55SiCr(截面尺寸为3.5mm×1.6mm)；卷绕为一次卷绕成形；局部预热的的位置为待焊接卷材的待焊接接头部分；局部预热的保温温度为420℃，局部预热的保温时间为0.8s；待焊接卷材的形状为锥形环状。
(2)将所述步骤(1)得到的待焊接卷材依次进行激光焊接、局部热处理和后处理，得到焊接碟簧；
其中，所述激光焊接在保护气体氛围氩气中进行，激光焊接的设备为振镜式激光焊接机，激光焊接的输出功率为1kW，激光焊接的扫描速度为400mm/s，激光焊接的焊接路径为螺旋运动路径，激光焊接的焦距为580mm，激光焊接的光斑直径为0.4mm，激光焊接激光焊接的定位方式为采用旁轴CCD相机进行视觉系统定位；
所述局部热处理的位置为焊缝和激光焊接形成的热影响区，所述局部热处理为依次进行的退火和回火；所述退火的保温温度为650℃，退火的保温时间为2s；所述退火的设备为电极热处理设备；所述电极热处理设备的两电极间的距离为20mm；所述退火的冷却方式为2s内冷却至100℃以下；所述回火的保温温度为500℃，回火的保温时间为3s；
所述后处理为表面处理，所述表面处理为超声波清洗。
所述焊接碟簧的外径与内径的比值为1.04；所述外径为193mm，内径为186mm；所述焊接碟簧的截面厚度为1.6mm。
实施例2
一种焊接碟簧的成形方法，由以下步骤组成：
(1)将金属带材依次进行卷绕和局部预热，得到待焊接卷材；
其中，金属带材为50CrVA(截面尺寸为2.3mm×14.6mm)；卷绕为一次卷绕成形；局部预热的的位置为待焊接卷材的待焊接接头部分；局部预热的保温温度为400℃，局部预热的保温时间为2s；待焊接卷材的形状为锥形环状。
(2)将所述步骤(1)得到的待焊接卷材依次进行激光焊接、局部热处理和后处理，得到焊接碟簧；
其中，所述激光焊接在保护气体氛围氩气中进行，激光焊接的设备为振镜式激光焊接机，激光焊接的输出功率为1.5kW，激光焊接的扫描速度为500mm/s，激光焊接的焊接路径为螺旋运动路径，激光焊接的焦距为450mm，激光焊接的光斑直径为0.5mm，激光焊接激光焊接的定位方式为采用同轴CCD相机进行视觉系统定位；
所述局部热处理的位置为焊缝和激光焊接形成的热影响区，所述局部热处理为依次进行的退火和回火；所述退火的保温温度为680℃，退火的保温时间为5s；所述退火的设备为电极热处理设备；所述电极热处理设备的两电极间的距离为30mm；所述退火的冷却方式为2s内冷却至100℃以下；所述回火的保温温度为450℃，回火的保温时间为5s；
所述后处理为立定处理，所述立定处理采用油压机将所述局部热处理的产物沿高度方向下压至平整或者下压至指定高度；所述下压缩次数为3次。
所述焊接碟簧的外径与内径的比值为1.15；所述外径为226mm，内径为197mm；所述焊接碟簧的截面厚度为2.3mm。
性能检测：
1、根据GBT230.1-2009检测技术标准对实施例1～2制备的焊接碟簧的焊缝和非焊缝区(即基材)进行硬度检测，检测过程中采用多点取值，最终硬度采用多点取值的平均值表示硬度，即平均硬度，检测得到的硬度结果如表1所示。
2、根据GBT228-2002技术检测标准对实施例1～2制备的焊接碟簧的焊缝和非焊缝区(即基材)进行强度检测，检测过程中采用多点取值，最终强度采用多点取值的平均值表示强度，即平均抗拉强度和平均屈服强度，检测得到的强度结果如表1所示。
3、采用GBT224-2008方法对实施例1～2制备的焊接碟簧的焊缝和非焊缝区(即基材)的脱碳层深进行检测，检测得到的结果如表1所示。
4、采用光学显微镜对实施例1～2制备的焊接碟簧的焊缝和非焊缝区(即基材)的微观组织进行观察，观察结果如图2～4所示，其中，图2为本发明实施例1制备的焊接碟簧的焊缝区域的光学金相显微图，图3为本发明实施例1制备的焊接碟簧的基材区域的光学金相显微图，图4为本发明实施例2制备的焊接碟簧的焊缝区域的光学金相显微图。
由图2～3可以看出，基材的组织为回火屈氏体，焊缝组织为细小的针状铁素体和回火屈氏体，焊缝组织均匀，晶粒细小，能够表现出良好的力学性能。
表1实施例1～2制备的焊接碟簧的力学性能检测结果
由表1可以看出，本发明提供的成形方法得到的焊接碟簧，其中，实施例1的焊缝平均硬度为444.5HV1，基材平均硬度为455.5HV1，焊缝平均屈服强度为1804.5MPa，焊缝平均抗拉强度为1945MPa，基材的平均抗拉强度为1860MPa，焊缝组织为细小的针状铁素体和回火屈氏体，基材的组织为回火屈氏体。实施例2的焊缝平均硬度为385HV0.5，基材平均硬度为440HV0.5，焊缝平均屈服强度为1199MPa，焊缝平均抗拉强度为1259.5MPa，基材的平均抗拉强度为1460MPa，焊缝组织为细小的针状铁素体和回火屈氏体，基材的组织为回火屈氏体。可见，本发明提供的成形方法并未明显降低焊缝处的硬度和强度，而且也并未产生脱碳以及晶粒粗化的问题。
综上可知，本发明提供的成形方法得到的焊接碟簧具有良好的力学性能，而且成形工艺更加简单高效、原料利用率高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种焊接碟簧的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将金属带材依次进行卷绕和局部预热，得到待焊接卷材；
(2)将所述步骤(1)得到的待焊接卷材依次进行激光焊接、局部热处理和后处理，得到焊接碟簧；所述激光焊接的输出功率为0.1～8kW，激光焊接的扫描速度为50～1000mm/s。
2.如权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述步骤(2)中激光焊接的焊接路径为螺旋运动路径，激光焊接的焦距为100～1500mm，激光焊接的光斑直径为0.04～2mm。
3.如权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述步骤(2)中局部热处理的位置为焊缝和激光焊接形成的热影响区。
4.如权利要求1或3所述的成形方法，其特征在于，所述步骤(2)中局部热处理为依次进行的退火和回火，或者为依次进行的退火、淬火和回火。
5.如权利要求4所述的成形方法，其特征在于，所述退火的保温温度为200～750℃，所述退火的保温时间为0.2～20s。
6.如权利要求4所述的成形方法，其特征在于，所述淬火的加热温度为800～900℃，所述淬火的冷却方式为油冷至室温。
7.如权利要求4所述的成形方法，其特征在于，所述回火的保温温度为300～500℃，所述回火的保温时间为1.5～10s。
8.如权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述步骤(1)中的金属带材包括碳素弹簧钢、热轧碳素弹簧钢或合金弹簧钢。
9.如权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述步骤(1)中局部预热的位置为待焊接卷材的待焊接接头部分。
10.如权利要求1～9任意一项权利要求所述的成形方法制备得到的焊接碟簧。
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