一种高强钢的振动焊接方法与流程

1.本发明属于钢板焊接技术领域，具体涉及一种振动焊接方法。


背景技术：

2.高强钢已广泛应用于工程机械、矿山机械和军工领域，随着钢强度的逐渐升高，主要存在如下焊接瓶颈问题：a)其焊接性越来越差；已经到达了瓶颈，造成焊前预热温度要求越来越高，冷裂纹开裂风险极大，但过高的预热温度势必牺牲钢的强度为代价；b)无与之匹配的焊接材料；目前国内外焊接材料强度无法匹配与高强钢和超高强钢板强度，造成接头强度不能满足高强钢强度要求。c)焊接变形大问题；高强钢焊接变形问题已经成为目前国内外焊接领域世界性难题，如何实现高强钢焊接变形问题，是解决超高强钢板未来发展亟待解决的难题。d)高强钢接头疲劳寿命偏低；高强钢钢板疲劳性能优异，但经过焊接后，接头部位成为了薄弱环节，大部分高强钢疲劳断裂位置都在焊接接头。


技术实现要素：

3.本发明提出一种高强钢振动焊接工艺方法，通过在焊接过程中加装激振器，通过激振器让焊接试板及接头部位产生共振，实现如下效果：1)大幅降低焊接残余应力和接头变形，大幅度提高接头的疲劳寿命；2)降低预热温度要求(甚至可以不预热)，简化工艺流程；3)细化焊缝及热影响区晶粒尺寸，提高接头强度和韧性；4)在焊缝凝固过程中，通过振动为焊接夹渣和气体上浮提供动力，进而大幅降低焊缝中夹渣和气孔缺陷；5)由于接头残余应力的大幅降低，显著防止或减少焊接裂纹。6)通过确定最佳的振动频率和振动振幅，可以达到最佳的振动焊接效果。
4.本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种高强钢的振动焊接方法，该方法主要操作工序涉及：1)焊材选择；2)坡口加工；3)待焊区域清理；4加装激振器及其组件；5)试板组对；6)焊前预热；7)焊接；8)焊后消应力；9)焊后检查与探伤；
5.1)焊材选择：
6.根据高强钢板强度等级选择焊材，优选地，对于钢板强度级别在1000mpa及以下钢种，遵循等强匹配原则选择同等强度的焊材；对于钢板强度级别大于1000mpa钢种，遵循低强匹配原则，选择强度在800mpa～900mpa的焊接材料。
7.2)坡口加工
8.采用单v型坡口，优选坡口角度为60℃。留1～2mm钝边，单面焊双面成型；这样可以最大限度的发挥振动焊接的效果，提高焊接效率。
9.3)待焊区域清理
10.在焊前将坡口及其两侧20～25mm区域内及待焊部位的表面铁锈、氧化皮、油污、水分和脏污等清除干净。
11.4)加装激振器及其组件
12.将激振器固定安装于平台一端，拾振器设置在远离激振器的平台另一端，试板设
置在激振器和拾振器之间；为了防止激振器振动过程中平台和试板振动频率不一致或出现两者相互碰撞情况，平台开设窗口，组合后的试板的拼接部位覆在窗口上，组合后的试板的边缘均焊接固定在窗口四周，将试板与平台临时焊接为一体。
13.优选地，在激振器与平台接触部位垫橡胶垫，起到绝缘作用，消除焊接电流对激振器的不利影响；平台通过橡胶垫支撑起来，橡胶垫所垫的位置在焊接平台总长度的2/9-1/3处，确保振动过程中平台平稳；放置位置靠近边缘和过于靠近中心，振动过程中平台有倾覆风险，因此以三分之一位置为宜。
14.用专用的连接线连接控制器与激振器、控制器与拾振器。
15.5)试板组对
16.将待焊试板组对，钝边间隙0～2.0mm，若单个试板尺寸为：200mm*500mm，则组对后的尺寸为400mm*500mm。沿组合后的试板四条边采用焊接方式将试板固定于平台中间窗口位置，确保平台振动时，钢板的振动频率与平台一致，且不会出现振动时相互碰撞情况。确保试板共振状态时的振动频率和振动振幅满足设计要求。
17.6)焊前预热
18.采用振动焊接可以有效降低焊接预热温度，甚至不预热，有助于提升焊接效率。
19.7)焊接
20.在对接试板焊接前，需要首先进行最佳振动频率和振动振幅的摸索：振动焊接工艺参数一般为：振动频率：120hz～150hz；振动振幅：10μm～20μm；振动方式：共振状态。
21.作为优选，采用钢板表面堆焊焊接摸索不同材料最佳的振动频率。具体地：取200*600mm试板，点焊方式固定在焊接平台上，分别采用不同的振动频率在钢板表面堆焊1个道次焊道，焊道长度约180mm；焊道方向与试板宽度200mm方向平行焊接；不同振动频率下的焊道之间的间距大于等于30mm；振动频率间隔10hz。焊接电流：170a-210a；焊接电压：20-25v；焊接速度10cm/min。堆焊完成待冷却后，沿横向切割堆焊焊缝金相试样，经磨抛后硝酸酒精侵蚀，观察焊缝组织和热影响组织细化情况，以晶粒细化效果最好的金相样对应的振动频率作为后续对接试板焊接的振动频率；统计钢板母材晶粒尺寸，激振器振动振幅应与母材晶粒尺寸一致。
22.对接试板焊接：a)打底焊：焊接电流：100a～120a；焊接电压：15～18v；焊接速度13cm/min：气体流量：5～10l/min；b)填充盖面焊接：焊接电流：170a～210a；焊接电压：20～25v；焊接速度16cm/min：气体流量：5l/min。
23.8)焊后消应力
24.焊接完成后无需后热，以振动时效替代后热，具体激振器振动参数不变。振动时效时间：20～30min。
25.9)焊后检查和探伤
26.焊后首先进行肉眼观察，焊缝成型性能，同时留意是否有可见气孔缺陷等；然后进行超声波探伤，必要时对焊接缺陷修补。
27.本方法振动焊接参数中的振动频率推荐采用钢板表面堆焊试验的方式确定最佳焊接振动频率，以达到最佳的振动焊接效果(焊缝和热影响区晶粒最细，接头强韧性最佳)。
28.本方法坡口型式采用单v型坡口，该坡口主要特点是，无需反面焊接，可实现单面焊双面成型效果，得益于振动焊接和振动时效过程中残余应力的有效消除，焊接完成后试
板基本无变形。
29.本方法中在焊接平台中间开窗口，尺寸略小于组合后试板尺寸，组合后待焊试板四条边固定焊接在平台窗口附近，在保证平台与试板共振的同时，避免两者出现振动碰撞而导致的振动参数改变，从而更好的振动焊接参数的设计要求，达到最佳振动焊接效果。
30.与现有技术相比，本发明的优点在于：1)大幅降低焊接残余应力和接头变形，大幅度提高接头的疲劳寿命；2)降低预热温度要求(甚至不预热)，简化工艺流程；3)细化焊缝及热影响区晶粒尺寸，提高接头强度和韧性；4)在焊缝凝固过程中，通过振动为焊接夹渣和气体上浮提供动力，进而大幅降低焊缝中夹渣和气孔缺陷；5)由于接头残余应力的大幅降低，显著防止或减少焊接裂纹。6)通过确定最佳的振动频率和振动振幅，可以达到最佳的振动效果。
附图说明
31.图1为本发明v型坡口对应的焊接道次示意图；
32.图2为本发明焊接平台的作业示意图；
33.图3为本发明焊接平台的俯视图；
34.图中1为主机、2激振器、3屏蔽电缆、4拾振器、5拘束焊缝、6试板、7平台、8卡具、9窗口、10电机电缆、11橡胶垫。
具体实施方式
35.以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.本实施例钢板为q1100级高强钢板，壁厚15mm。主要合金元素含量c：0.10～0.18；si：0.15～0.35；mn：0.95～1.35；cr+mo+ni+cu：0.85；nb+v+ti：0.037；其余为fe；碳当量ceq为0.56；采用对接方式进行焊接，本实施例焊接工艺如下：
37.1)焊材选择：
38.本实施例钢板屈服强度已经达到1100mpa；采用焊接材料为伯乐生产的gm120气保焊焊接材料。
39.2)坡口加工
40.采用单v型坡口，坡口角度60℃。如图1所示；留1～2mm钝边，单面焊双面成型；这样可以最大限度的发挥振动焊接的效果，提高焊接效率。
41.3)待焊区域清理
42.在焊前将坡口及其两侧25mm区域内及待焊部位的表面铁锈、氧化皮、油污、水分和脏污等清除干净。
43.4)加装激振器及其组件
44.用卡具将激振器紧固于平台一端，在激振器与平台接触部位垫橡胶垫，起到绝缘作用，消除焊接电流对激振器的不利影响；拾振器应放置于远离激振器位置；平台中间位置用于放置待焊接试板。平台下面放橡胶垫，橡胶垫所垫的位置在焊接平台总长度的1/3处，平台尺寸：1200mm*1500mm*50mm；为了防止激振器振动过程中平台和试板振动频率不一致或出现两者相互碰撞情况，在平台中间开窗：尺寸为330mm*480mm，组合后的试板四条边均
焊接在中间窗口四周；具体如图2-3所示。用专用的连接线连接控制器与激振器、控制器与拾振器。
45.5)试板组对
46.单个试板尺寸为：200mm*500mm，将待焊试板组对，间隙2.0mm，组对后的尺寸为400mm*500mm。沿组合后的试板四条边采用焊接方式将试板固定于平台中间窗口位置，确保平台振动时，钢板的振动频率与平台一致，且不会出现振动时相互碰撞情况。确保试板共振状态时的振动频率和振动振幅满足设计要求。
47.6)焊前预热
48.采用小铁研试验获得的冷裂纹敏感预热温度为100℃；但本发明采用无预热方式，也能确保无焊接冷裂纹问题，有助于提升焊接效率。
49.7)焊接
50.在对接试板焊接前，需要首先进行最佳振动频率和振动振幅的摸索：取1块200*600mm试板，点焊方式固定在焊接平台上，分别采用不同的振动频率在钢板表面堆焊1个道次焊道，焊道长度约180mm；焊道方向与试板宽度200mm方向平行焊接；焊道之间的间距35mm；选取的振动频率范围：10hz～180hz；振动频率间隔10hz。焊接电流：170a；焊接电压：20v；焊接速度10cm/min。堆焊完成待冷却后，沿横向切割堆焊焊缝金相试样，经磨抛后硝酸酒精侵蚀，观察焊缝组织和热影响晶粒细化情况，以晶粒细化效果最好的金相样对应的振动频率作为后续对接试板焊接的振动频率，通过组织观察，热影响区和焊缝最细晶粒对应的振动频率为130hz；通过对钢板母材晶粒度观察，发现母材晶粒尺寸约15μm；最终试板焊接用激振器振动参数为：振动频率为120hz～150hz，振动振幅为10μm～20μm。
51.对接试板焊接：a)打底焊：焊接电流：110a；焊接电压：16v；焊接速度13cm/min：气体流量：5l/min；b)填充盖面焊接：焊接电流：170a；焊接电压：20v；焊接速度16cm/min：气体流量：5l/min；
52.8)焊后消应力
53.焊接完成后无需后热，以振动时效替代后热，具体激振器振动参数不变。振动时效时间：30min。
54.9)焊后检查和探伤
55.焊后首先进行肉眼观察，焊缝成型性能，同时留意是否有可见气孔缺陷等；然后进行超声波探伤，必要时对焊接缺陷修补。
56.除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高强钢的振动焊接方法，其特征在于：包括，步骤一、焊材选择：根据钢板强度等级选择同等级或低强焊接材料；步骤二、坡口设计：采用单v型坡口，留1～2mm钝边,单面焊双面成型；步骤三、待焊区域清理：焊前将坡口及其两侧20～25mm区域内及待焊部位的表面清理干净；步骤四、加装激振器及其组件：将激振器固定安装于平台一端，拾振器设置在远离激振器的平台另一端，试板设置在激振器和拾振器之间，平台设置窗口，试板的拼接部位覆在窗口上，试板的边缘均焊接固定在窗口四周，即试板与平台临时焊接为一体；步骤五、试板组对：钝边间隙0～2.0mm，沿组合后的试板周边采用焊接方式将试板固定于平台中间窗口位置；步骤六、焊接：在对接试板焊接前，首先进行振动频率和振动振幅的摸索试验，振动焊接工艺参数：振动频率：120hz～150hz；振动振幅：10μm～20μm，与试板母材晶粒一致；振动方式：共振状态；对接试板焊接：a)打底焊：焊接电流：100a～120a；焊接电压：15～18v；焊接速度13cm/min：气体流量：5～10l/min；b)填充盖面焊接：焊接电流：170a～210a；焊接电压：20～25v；焊接速度16cm/min：气体流量：5l/min；步骤七、焊后消应力：焊接完成后无需后热，以振动时效替代后热，激振器振动参数不变，振动时效持续：20～30min；步骤八、焊后检查和探伤：检查焊后气孔缺陷，对焊接缺陷修补。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一中，钢板强度级别在1000mpa及以下钢种，选择等强的焊接材料；对于钢板强度级别大于1000mpa钢种，遵循低强匹配原则，选择强度在800mpa～900mpa的焊接材料。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤二中，坡口角度为60℃。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤四中，在激振器与平台接触部位垫橡胶垫；平台通过橡胶垫支撑起来，橡胶垫所垫的位置在平台总长度的2/9-1/3处。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤五中，单个试板尺寸为：200mm*500mm，组对后的尺寸为400mm*500mm。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤七中，采用钢板表面堆焊焊接摸索不同材料试板的最佳振动频率：取200*600mm试板，以点焊方式固定在焊接平台上，分别在不同的振动频率下在钢板表面堆焊1个道次焊道，焊道长度为180mm；焊道方向与试板宽度200mm方向平行；不同振动频率下实施的焊道之间的间距≥30mm；振动频率间隔10hz,焊接电流：170a-210a；焊接电压：20-25v；焊接速度10cm/min,堆焊完成待试板冷却后，沿横向切割堆焊焊缝金相试样，经磨抛后硝酸酒精侵蚀，观察焊缝组织和热影响区组织晶粒细化情况，以晶粒细化效果最好的焊缝所对应的振动频率作为实施对接试板焊接的振动频率；统计钢板母材晶粒尺寸，激振器振动振幅应与母材晶粒尺寸一致。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：焊接前对试板预热，预热温度根据小铁研试验确定。

技术总结
本发明涉及一种高强钢的振动焊接方法，属于焊接技术领域，该方法主要操作工序涉及：1)焊材选择；2)坡口加工；3)待焊区域清理；4加装激振器及其组件；5)试板组对；6)焊前预热；7)焊接；8)焊后消应力；9)焊后检查与探伤；坡口型式采用单V型坡口，该坡口主要特点是，无需反面焊接，可实现单面焊双面成型效果，得益于振动焊接和振动时效过程中残余应力的有效消除，焊接完成后试板基本无变形。在焊接平台中间开窗口，尺寸略小于组合后试板尺寸，组合后待焊试板四条边固定焊接在平台窗口附近，在保证平台与试板共振的同时，避免两者出现振动碰撞而导致的振动参数改变，从而更好的振动焊接参数的设计要求，达到最佳振动焊接效果。达到最佳振动焊接效果。达到最佳振动焊接效果。


技术研发人员：刘振伟 鲍雪君 杨烽 许海龙 曹锋 夏之穹
受保护的技术使用者：江阴兴澄特种钢铁有限公司
技术研发日：2023.03.06
技术公布日：2023/7/11