CN102601502B - 纳米贝氏体钢的再纳米化焊接装置及方法 - Google Patents
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Abstract
纳米贝氏体钢的再纳米化焊接装置及方法，属于高强钢焊接领域。本发明为了解决纳米贝氏体钢常规焊焊缝和热影响区组织极易转变为硬脆的马氏体组织，从而引发冷裂纹的问题。工件焊缝的两侧布置有红外线电加热片，红外线电加热片的上端面上安装有冷却器，多个电加热片个体沿焊缝中心线方向排布且首尾相连，每个电加热片个体靠近焊缝的侧面的前端和后端各安装有一个温度传感器，温度传感器和冷却器通过信号线与下位机连接，下位机与上位机通过信号线连接。对焊缝和热影响区的高温金属进行快速冷却，在发生铁素体相变和珠光体相变之前冷却到贝氏体相变区间，进行一定时间的等温处理，保证焊缝和热影响区组织转变为纳米贝氏体组织。本发明用于焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种贝氏体钢焊接装置及方法，具体涉及一种纳米贝氏体钢的再纳米化焊接装置及方法，属于高强钢焊接领域。
背景技术
纳米贝氏体钢是目前存在的拥有最高强度级别的新一代钢种，其极限拉伸强度可达2.5GPa,屈服强度达1.7GPa,硬度为600～700HV,断裂韧性为30～40MPam1/2，延伸率达30%左右。这种钢的含碳量在0.78%左右，并且含有一定含量的硅元素以抑制碳化物的析出，是在稍高于马氏体转变温度（材料制备保温温度）等温转变数天（材料制备所需时间）而获得，微观组织为无碳化物析出的纳米片状贝氏体和残留的固溶大量碳元素的纳米片状奥氏体（纳米贝氏体组织）。由于碳当量很高，这种钢的焊接性极差，焊接接头的性能与母材相比严重恶化，其常规焊焊缝和热影响区组织极易转变为硬脆的马氏体组织，从而引发冷裂纹的产生。目前国际上对这种钢的焊接问题还罕有研究，1500MPa级以上的纳米贝氏体钢的焊接更是未见报道。
发明内容
本发明的目的是为了解决常规焊焊缝和热影响区组织极易转变为硬脆的马氏体组织，从而引发冷裂纹的问题，进而提供一种纳米贝氏体钢的再纳米化焊接装置及方法。
本发明的技术方案一是：纳米贝氏体钢的再纳米化焊接装置包括组合焊接工作平台、下位机、上位机、多个前温度传感器、多个后温度传感器、两组红外线电加热片、多个冷却器和两个夹具；
工件的两侧各采用一个夹具装夹在焊接工作平台上，工件焊缝的两侧各布置有一组红外线电加热片，两组红外线电加热片沿焊缝中心线对称布置，每组红外线电加热片包括多个电加热片个体，多个电加热片个体沿焊缝中心线方向排布，相邻的两个电加热片个体首尾相连，每个电加热片个体靠近焊缝的侧面的前端安装有一个前温度传感器，每个电加热片个体靠近焊缝的侧面的后端安装有一个后温度传感器，每个电加热片个体上方靠近焊缝的一侧安装有一个冷却器，每个前温度传感器、每个后温度传感器和每个冷却器均通过信号线与下位机连接，下位机与上位机之间通过信号线连接。
本发明的技术方案二是：纳米贝氏体钢的再纳米化焊接方法，该方法的具体步骤为：
步骤a：根据选择焊接材料对应的焊接CCT图，确定对应的奥氏体转变温度Ac1,贝氏体转变温度Bs，马氏体转变温度Ms和不产生珠光体P的临界冷却速度ν；
步骤b：根据焊接工艺参数，测定对应的焊接温度场，确定其准稳定温度场下焊缝中心线上电弧中心峰值温度点O与熔池后方贝氏体转变温度Bs点之间距离为L1；焊缝中心线上电弧中心峰值温度点O与熔池后方马氏体转变温度Ms点之间的距离为L2，设定过电弧中心峰值温度点O的焊缝中心线的法线与Ac1等温线的交点为Q，电弧中心峰值温度点O到交点Q之间的直线距离为L3，电加热片个体的长度选择为L2-L1，电加热片个体内侧距焊缝中心线的垂直距离为L3；
步骤c：根据不产生珠光体的临界冷却速度ν和焊接热输入确定冷却器的功率，保证焊后的焊缝快速冷却到贝氏体相变温度区间；
步骤d：通过前温度传感器和后温度传感器反馈的温度场信息适时调节两组红外线电加热片的开关，使焊接之后的焊缝和淬火区在预设温度进行保温，焊接开始前，打开两组红外线电加热片开关对焊缝进行预热到200℃，然后全部关闭；焊接开始后，当前温度传感器监测到焊缝温度开始下降时，下位机发出指令使冷却器开始工作，对工件进行冷却，当后温度传感器监测的焊缝及热影响区温度低于Ms+20℃时，下位机发出指令使冷却器停止工作，同时使红外线电加热片开始加热，当前温度传感器监测到焊缝及热影响区温度超过Bs-20℃时，下位机发出指令使红外线电加热片停止工作，如此往复，当整个焊缝及热影响区均处于Bs-20℃到Ms+20℃之间后，将整个焊接件放入保温炉进行保温，保温温度为材料制备温度，保温时间为材料制备所需时间，最终使焊接接头的组织转变为纳米贝氏体组织。
本技术方案中的焊接方法是基于技术方案一中所述的纳米贝氏体钢的再纳米化焊接装置实现的。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：采用本发明的焊接装置及方法实现了纳米贝氏体钢，特别是1500MPa级以上的纳米贝氏体钢优质焊接，使纳米贝氏体钢经焊接熔化或者高温奥氏体化后的组织再次转变为纳米贝氏体，不仅能够控制焊接冷裂纹的产生，而且能够保证焊接之后的焊缝和淬火区组织与母材一致，保证了焊接接头的性能，也充分发挥了纳米贝氏体材料优良的力学性能，拓宽了材料的应用领域。
附图说明
图1是本发明的纳米贝氏体钢的再纳米化焊接装置的整体结构图，图2是组合焊接工作平台5、前温度传感器6、、后温度传感器9、红外线电加热片1、冷却器2和两个夹具8之间的位置连接关系主视图，图3是再纳米化焊接与常规焊接温度曲线对比图（图中10表示珠光体形成临界冷却温度曲线，11表示再纳米化温度曲线，12表示常规焊温度曲线，A表示奥氏体，B表示贝氏体，M表示马氏体，P表示珠光体，Ac1表示奥氏体转变温度，Ms表示马氏体转变温度）；图4是常规焊温度场图（图中13表示Ms等温线，14表示Ac1等温线，15表示Bs等温线，16表示焊接中心线）。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的纳米贝氏体钢的再纳米化焊接装置包括组合焊接工作平台5、下位机3、上位机4、多个前温度传感器6、多个后温度传感器9、两组红外线电加热片1、多个冷却器2和两个夹具8；
工件7的两侧各采用一个夹具8装夹在焊接工作平台5上，工件7焊缝的两侧各布置有一组红外线电加热片1，两组红外线电加热片1沿焊缝中心线对称布置，每组红外线电加热片1包括多个电加热片个体，多个电加热片个体沿焊缝中心线方向排布，相邻的两个电加热片个体首尾相连，每个电加热片个体靠近焊缝的侧面的前端安装有一个前温度传感器6，每个电加热片个体靠近焊缝的侧面的后端安装有一个后温度传感器9，每个电加热片个体上方靠近焊缝的一侧安装有一个冷却器2，每个前温度传感器6、每个后温度传感器9和每个冷却器2均通过信号线与下位机3连接，下位机3与上位机4之间通过信号线连接。
具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的冷却器2为喷气式冷却器。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的纳米贝氏体钢的再纳米化焊接方法的具体步骤为：
步骤a：根据选择焊接材料对应的焊接CCT图（焊接连续冷却转变图），确定对应的奥氏体转变温度Ac1,贝氏体转变温度Bs，马氏体转变温度Ms和不产生珠光体P的临界冷却速度ν；
步骤b：根据焊接工艺参数，测定对应的焊接温度场，确定其准稳定温度场下焊缝中心线上电弧中心峰值温度点O与熔池后方贝氏体转变温度Bs点之间距离为L1；焊缝中心线上电弧中心峰值温度点O与熔池后方马氏体转变温度Ms点之间的距离为L2，设定过电弧中心峰值温度点O的焊缝中心线的法线与Ac1等温线的交点为Q，电弧中心峰值温度点O到交点Q之间的直线距离为L3，电加热片个体的长度选择为L2-L1，电加热片个体内侧距焊缝中心线的垂直距离为L3；
步骤c：根据不产生珠光体的临界冷却速度ν和焊接热输入确定喷气式冷却器2的功率，保证焊后的焊缝快速冷却到贝氏体相变温度区间；
步骤d：通过前温度传感器6和后温度传感器9反馈的温度场信息适时调节两组红外线电加热片1的开关，使焊接之后的焊缝和淬火区在预设温度进行保温，焊接开始前，打开两组红外线电加热片1开关对焊缝进行预热到200℃，然后全部关闭；焊接开始后，当前温度传感器6监测到焊缝温度开始下降时，下位机3发出指令使冷却器2开始工作，对工件7进行冷却，当后温度传感器9监测的焊缝及热影响区温度低于Ms+20℃时，下位机3发出指令使冷却器2停止工作，同时使红外线电加热片1开始加热，当前温度传感器6监测到焊缝及热影响区温度超过Bs-20℃时，下位机3发出指令使红外线电加热片1停止工作，完成焊接，如此往复，从而保证焊接之后的焊缝和淬火区在预设温度进行保温。
焊接结束以后，当整个焊缝及热影响区均处于Bs-20℃到Ms+20℃之间后，将整个焊接件放入保温炉进行保温，保温温度为材料制备温度，保温时间为材料制备所需时间，最终使焊接接头的组织转变为纳米贝氏体组织。
本实施方式中的焊接方法是基于具体实施方式一或二中所述的纳米贝氏体钢的再纳米化焊接装置实现的。
本发明原理为：由于纳米贝氏体组织是目前存在的最高强度级别的组织，因此只有使焊接接头的组织经焊接热过程之后依然保持纳米贝氏体组织，才能保证材料性能没有损失。借鉴通过适当的温度（马氏体转变温度的贝氏体转变温度区间）保温可以使组织从成分均匀的奥氏体转变为纳米贝氏体（纳米贝氏体材料制备过程）的方法，通过在焊接冷却过程中控制焊接冷却历程，使经过焊接高温熔化和奥氏体化得组织，经过快速冷却到稍高于马氏体转变温度的贝氏体相变温度区间并进行保温处理，最终转变成为与母材组织一致的纳米贝氏体组织，从而保证了接头的优良性能。
Claims (1)
1.纳米贝氏体钢的再纳米化焊接方法，纳米贝氏体钢的再纳米化焊接装置包括组合焊接工作平台（5）、下位机（3）、上位机（4）、多个前温度传感器（6）、多个后温度传感器（9）、两组红外线电加热片（1）、多个冷却器（2）和两个夹具（8）；工件（7）的两侧各采用一个夹具（8）装夹在焊接工作平台（5）上，工件（7）焊缝的两侧各布置有一组红外线电加热片（1），两组红外线电加热片（1）沿焊缝中心线对称布置，每组红外线电加热片（1）包括多个电加热片个体，多个电加热片个体沿焊缝中心线方向排布，相邻的两个电加热片个体首尾相连，每个电加热片个体靠近焊缝的侧面的前端安装有一个前温度传感器（6），每个电加热片个体靠近焊缝的侧面的后端安装有一个后温度传感器（9），每个电加热片个体上方靠近焊缝的一侧安装有一个冷却器，每个前温度传感器（6）、每个后温度传感器（9）和每个冷却器（2）均通过信号线与下位机（3）连接，下位机（3）与上位机（4）之间通过信号线连接，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
步骤a：根据选择焊接材料对应的焊接CCT图，确定对应的奥氏体转变温度Ac1,贝氏体转变温度Bs，马氏体转变温度Ms和不产生珠光体P的临界冷却速度ν；
步骤b：根据焊接工艺参数，测定对应的焊接温度场，确定其准稳定温度场下焊缝中心线上电弧中心峰值温度点O与熔池后方贝氏体转变温度Bs点之间距离为L1；焊缝中心线上电弧中心峰值温度点O与熔池后方马氏体转变温度Ms点之间的距离为L2，设定过电弧中心峰值温度点O的焊缝中心线的法线与Ac1等温线的交点为Q，电弧中心峰值温度点O到交点Q之间的直线距离为L3，电加热片个体的长度选择为L2-L1，电加热片个体内侧距焊缝中心线的垂直距离为L3；
步骤c：根据不产生珠光体的临界冷却速度ν和焊接热输入确定冷却器（2）的功率，保证焊后的焊缝快速冷却到贝氏体相变温度区间；
步骤d：通过前温度传感器（6）和后温度传感器（9）反馈的温度场信息适时调节两组红外线电加热片（1）的开关，使焊接之后的焊缝和淬火区在预设温度进行保温，焊接开始前，打开两组红外线电加热片（1）开关对焊缝进行预热到200℃，然后全部关闭；焊接开始后，当前温度传感器（6）监测到焊缝温度开始下降时，下位机（3）发出指令使冷却器（2）开始工作，对工件（7）进行冷却，当后温度传感器（9）监测的焊缝及热影响区温度低于Ms+20℃时，下位机（3）发出指令使冷却器（2）停止工作，同时使红外线电加热片（1）开始加热，当前温度传感器（6）监测到焊缝及热影响区温度超过Bs-20℃时，下位机（3）发出指令使红外线电加热片（1）停止工作，如此往复，当整个焊缝及热影响区均处于Bs-20℃到Ms+20℃之间后，将整个焊接件放入保温炉进行保温，保温温度为材料制备温度，保温时间为材料制备所需时间，最终使焊接接头的组织转变为纳米贝氏体组织。
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