CN109226921B - 利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构及其制造方法 - Google Patents

利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构及其制造方法，该钢结构包括设置有待焊孔的基体和柱形销轴，柱形销轴焊接前与待焊孔开口处对应的端面外沿处等距设置有6个‑10个进料口，在各个进料口的下部按树枝状设置有2条‑3条的一级分液道，各一级分液道底部还设置有2条‑3条二级分液道，最底部的分液道中部垂直设置有直通柱形销轴与待焊孔开口处对应的端面外沿处的气孔；最底部的分液道两两相联通。本发明的钢结构针对性强、填液充分致密、气密性好、气孔少且不连续、不易焊堵、焊缝无氧化。

Description

利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及钢结构领域，尤其涉及一种利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构及其制造方法。
背景技术
钢结构的连接方式一般有三种，焊接连接、螺栓连接和铆钉连接。焊接连接因具有对钢材的任何方位、角度和形状都可以直接连接，不削弱构件截面，节约钢材，构造简单，制造方便，连接的刚度大，密封性能好，宜采用自动化作业，生产效率高等优点而被广泛应用。焊接连接是通过电弧产生的热量使焊条和焊件局部熔化，经冷却凝结成焊缝，从而将焊件连接成一体。在高温焊接冷却过程中，焊缝附近的钢材因高温作用形成热影响区，由于不均匀的高温和冷却使结构产生残余应力和残余变形而变脆，对钢结构的承载力、刚度和使用性能有一定影响。
对于需求耐腐蚀性能（如用于海洋、潮湿霉菌环境）的钢结构而言，其焊接处材料与基体材料化学成份差异较大，电极电位的差距形成的原电池效应会加速腐蚀，而这种加速尤其容易体现在焊接缺陷上，如填充不均造成的焊接不全处等，因而所用钎料本身及焊接填充质量在有耐蚀性要求的钢结构中极为重要，特殊的限制条件决定了钢基体基本要选用不锈钢，而耐蚀且焊接强度高的钎料应选用银基钎料，但众所周知的是银基钎料，尤其是用于钢焊接的银基钎料浸润性都不太好，即使是在有焊剂助焊的情况下，其需求焊接的最小浸润间隙也要0.02mm～0.05mm，而受限于机械加工的精度及不锈钢钢种普遍粘刀的实际，当出现深孔轴孔配合焊接时，这个间隙很难控制（尤其是直径差在公差下转换成单边间隙时），极易出现部分区域过窄而填液不全的情况，最关键的是，一旦出现这种情况，通常都是连续性的焊接不全缺陷，这对焊接接头的强度、气密性和耐蚀性都是致命的。
焊接残余应力在焊接点承受重力载荷时无规律释放，极易造成应力腐蚀，且该腐蚀主要在焊接结构薄弱处出现。焊接接头的强度和延展性是钢结构具有良好均匀抗蚀性和机械强度的主要保证，因此，钢结构焊接时材料的选用合适的钢结构以及焊接工艺对于钢结构的抗蚀性和机械强度具有非常关键的影响。
而目前在国内已申请的相关专利中，没有专门针对耐蚀性钢结构焊接的现有技术，因而市场上需要一种针对性强、填液充分致密、气密性好、气孔少且不连续、不易焊堵、焊缝无氧化的钢结构。
发明内容
本发明旨在提供针对性强、填液充分致密、气密性好、气孔少且不连续、不易焊堵、焊缝无氧化的钢结构及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构的制造方法，包括以下阶段：
1）制造前准备
①原材料准备：准备所用材料抗拉强度不低于500MPa的设置有待焊孔的基体、与待焊孔匹配的所用材料抗拉强度不低于500MPa且表面光滑的柱形销轴、足量银基钎料、足量与银基钎料配用的调配好并搅拌均匀的焊剂；
②工装准备：准备表面设置有凸起花纹的辊，所述凸起的花纹具体为以实现在柱形销轴刻出的沟槽具体为：在柱形销轴与基体上待焊孔开口处对应的端面外沿处等距设置有6个～10个长2.0mm～10.0mm×宽0.2mm～5.0mm×深0.01mm～0.012mm的进料口，在各个进料口的下部按树枝状设置有2条～3条长2.0mm～10.0mm×宽0.2mm～3.0mm×深0.01mm～0.012mm的一级分液道，各一级分液道底部还设置有2条～3条二级分液道，最底部的分液道中部垂直设置有直通柱形销轴与待焊孔开口处对应的端面外沿处的宽0.01mm～0.012mm×深0.01mm～0.012mm的气孔，最底部的分液道两两相联通为准；
③设备准备：准备保护气氛焊接设备、辊压机、烘箱；
2）焊接前准备
①采用阶段1）步骤③准备的辊压机，以阶段1）步骤②准备的辊为滚压工装，在阶段1）步骤①准备的柱形销轴表面滚压出对应花纹，获得待焊柱形销轴；
3）焊接
①将阶段2）获得的待焊柱形销轴与阶段1）步骤①准备的设置有待焊孔的基体，按待焊柱形销轴与待焊孔同轴匹配固定好后，置于阶段1）步骤③准备的保护气氛焊接设备中，以阶段1）步骤①准备的银基钎料为钎料、以阶段1）步骤①准备的焊剂为焊接助剂，采用银基钎料对应焊接用温度进行焊接，获得焊接钢结构；
4）后处理
①将阶段3）获得的焊接钢结构在焊接完成后先水冷至室温，再置于-80℃～-50℃的温度下冷处理1h～1.5h，然后置于180℃～230℃的烘箱中保温2h～3h，即获得所需利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构。
上述的利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构的制造方法中，基体和柱形销轴均采用奥氏体不锈钢制造，银基钎料为BAg-3。
上述的利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构的制造方法中，基体和柱形销轴均采用马氏体不锈钢制造，银基钎料为BAg-4。
上述的利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构的制造方法中，当基体中待焊孔深度和柱形销轴长度L不低于30mm时，在二级分液道底部还设置有3级分液道～n级分液道，n为自然数，其中n与以毫米为单位计的L遵循公式n＞[(L-30)/10]+2。
上述的利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构的制造方法中，辊上凸起花纹对应各级分液道交接处呈锐角的结构，均在辊上直接采用机械加工调整，将锐角结构都加工为R0.1mm～R2mm的圆滑导角。
根据上述方法制造的一种利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构，该钢结构包括设置有待焊孔的基体和与待焊孔匹配的柱形销轴，该钢结构为基体与柱形销轴以银基钎料焊接后固定而成，柱形销轴焊接前与待焊孔开口处对应的端面外沿处等距设置有6个～10个长2.0mm～10.0mm×宽0.2mm～5.0mm×深0.01mm～0.012mm的进料口，在各个进料口的下部按树枝状设置有2条～3条长2.0mm～10.0mm×宽0.2mm～3.0mm×深0.01mm～0.012mm的一级分液道，各一级分液道底部还设置有2条～3条二级分液道，最底部的分液道中部垂直设置有直通柱形销轴与待焊孔开口处对应的端面外沿处的宽0.01mm～0.012mm×深0.01mm～0.012mm的气孔；最底部的分液道两两相联通。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：1）对于需求耐腐蚀性能如用于海洋、潮湿霉菌环境）的钢结构而言，现有技术中要么选用高成本、低成品率整体成型工艺，要么焊接后用多层复合涂层覆盖，均有其局限性，本发明从根本出发，选用耐蚀材料和钎料，在较高精度和较高强度要求的结构中，通过对结构进行选化改进，同时对工艺进行控制，解决了现有技术中焊接流性差、轴孔焊接不均匀不连续的现有技术痛点。2）本发明同时针对耐蚀性对焊接气密性的要求，通过在分液道底部设置直通外环境的气孔，这是由于经过长久生产，人们总就发现焊接过程中，熔化的钎料下层除了摩擦力与粘度阻力外，被封闭在焊缝、焊孔中的空气无处逸出也是一个主要问题，本发明将气孔设置在分液道底部，就是在钎料下沉时提供空气逃逸的通道，同时利用毛细效应和流体力学原理在底部钎料均已填充满后由于是由上至下流下，因而底部充满即代表整体充满了，而在初始时由于有空气外逃及气孔本身孔径远小于进液口的原因，没有钎液通过气孔下沉，甚或即使有小量气孔被堵塞了，还有多个通过分液道底部联通的气孔）通过顶部补液和底部虹吸填充气孔，最终实现无连续性气孔或漏焊的技术目的。3）本发明优选的尤其是优选的钢种与钎料的匹配，在现有技术中是无法实现的，通过现有技术可知，虽然BAg-3和BAg-4均是常见的钢焊接用银基钎料，但当应用于窄缝、紧密配合的轴孔焊接时，由于它们的流通性一般，无法简单、轻易地渗入，即使部分焊接上了，也由于钎料致密度不够，焊接强度较低。4）保护气氛下焊接可以保证焊接区域不氧化，这就避免了现有技术的暴露锆焊带来的焊缝内部氧化和气蚀的问题，同时后续的速冷、冷处理也是进一步促使焊缝金相组织稳定、转化完全，最后的低温热处理一方面有去应力的作用，另一方面可以去除部分焊剂带来的氢无论水剂或乙醇调配的焊剂，本身高温下就易分解出氢等脆性物质，这也是部分焊缝脆化的重要原因），同时还能稳定化金相组织(奥氏体不锈钢影响不大，但马氏体不锈钢在750℃的钎焊温度下速冷相当于重新亚温淬火了，极少量的原回火马氏体重新固熔后又转变成不稳定的淬火马氏体，造成应力释放隐患，本发明的去应力温度也是淬火马氏体转化回火马氏体的温度，2h～3h的保温时间也能充分完成回火处理)。因此本发明的钢结构具有针对性强、填液充分致密、气密性好、气孔少且不连续、不易焊堵、焊缝无氧化的特性。
附图说明
图1是本发明的俯视图；
图2是本发明的柱形销轴侧面展开图；
图3是本发明优选的柱形销轴侧面展开图。
图中：基体1、柱形销轴2、进料口3、气孔4、分液道5。
具体实施方式
实施例1：
如图1、图2所示一种利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构，该钢结构包括设置有待焊孔的奥氏体不锈钢基体1和与待焊孔匹配的奥氏体不锈钢柱形销轴2，该钢结构为基体1与柱形销轴2以BAg-3焊接后固定而成，柱形销轴2焊接前与待焊孔开口处对应的端面外沿处等距设置有6个长8.0mm×宽0.2mm×深0.01mm～0.012mm的进料口3，在各个进料口3的下部按树枝状设置有2条长10.0mm×宽0.2mm×深0.01mm～0.012mm的一级分液道5，各一级分液道5底部还设置有2条二级分液道5，最底部的分液道5中部垂直设置有直通柱形销轴2与待焊孔开口处对应的端面外沿处的宽0.01mm～0.012mm×深0.01mm～0.012mm的气孔4；最底部的分液道5两两相联通。
上述钢结构的制造方法，包括以下阶段：
1）制造前准备
①原材料准备：准备奥氏体不锈钢制造的设置有直径12mm、深25mm待焊孔的基体1、与待焊孔匹配的所用材料为奥氏体不锈钢且表面光滑的25mm长的柱形销轴2、足量BAg-3、足量与银基钎料配用的调配好并搅拌均匀的焊剂；
②工装准备：准备表面设置有凸起花纹的辊，所述凸起的花纹具体为以实现在柱形销轴2刻出的沟槽具体为：在柱形销轴2与基体1上待焊孔开口处对应的端面外沿处等距设置有6个长8.0mm×宽0.2mm×深0.01mm～0.012mm的进料口3，在各个进料口3的下部按树枝状设置有2条长10.0mm×宽0.2mm×深0.01mm～0.012mm的一级分液道5，各一级分液道5底部还设置有2条二级分液道5，最底部的分液道5中部垂直设置有直通柱形销轴2与待焊孔开口处对应的端面外沿处的宽0.01mm～0.012mm×深0.01mm～0.012mm的气孔4，最底部的分液道5两两相联通为准；
③设备准备：准备保护气氛焊接设备、辊压机、烘箱；
2）焊接前准备
①采用阶段1）步骤③准备的辊压机，以阶段1）步骤②准备的辊为滚压工装，在阶段1）步骤①准备的柱形销轴2表面滚压出对应花纹，获得待焊柱形销轴2；
3）焊接
①将阶段2）获得的待焊柱形销轴2与阶段1）步骤①准备的设置有待焊孔的基体1，按待焊柱形销轴2与待焊孔同轴匹配固定好后，置于阶段1）步骤③准备的保护气氛焊接设备中，以阶段1）步骤①准备的BAg-3为钎料、以阶段1）步骤①准备的焊剂为焊接助剂，采用BAg-3对应焊接用温度进行焊接，获得焊接钢结构；
4）后处理
①将阶段3）获得的焊接钢结构在焊接完成后先水冷至室温，再置于-80℃～- 70℃的温度下冷处理1.5h，然后置于230℃的烘箱中保温3h，即获得所需利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构。
实施例2：
整体与实施例1一致，差异之处在于：
如图1、图3所示的一种利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构，该钢结构包括设置有待焊孔的马氏体不锈钢基体1和与待焊孔匹配的马氏体不锈钢柱形销轴2，该钢结构为基体1与柱形销轴2以BAg-4焊接后固定而成，柱形销轴2焊接前与待焊孔开口处对应的端面外沿处等距设置有8个长2.0mm×宽5mm×深0.01mm～0.012mm的进料口3，在各个进料口3的下部按树枝状设置有3条长2mm×宽5mm×深0.01mm～0.012mm的一级分液道5，各一级分液道5底部还设置有3条二级分液道5，最底部的分液道5中部垂直设置有直通柱形销轴2与待焊孔开口处对应的端面外沿处的宽0.01mm～0.012mm×深0.01mm～0.012mm的气孔4；最底部的分液道5两两相联通；各级分液道交接处呈锐角的结构，均加工为了R0.1mm的圆滑导角。
上述钢结构的制造方法，包括以下阶段：
1）制造前准备
①原材料准备：准备马氏体不锈钢制造的设置有直径30mm、深8mm待焊孔的基体1、与待焊孔匹配的所用材料为马氏体不锈钢且表面光滑的8mm长的柱形销轴2、足量BAg-3、足量与银基钎料配用的调配好并搅拌均匀的焊剂；
②工装准备：准备表面设置有凸起花纹的辊，所述凸起的花纹具体为以实现在柱形销轴2刻出的沟槽具体为：在柱形销轴2与基体1上待焊孔开口处对应的端面外沿处等距设置有8个长2.0mm×宽5mm×深0.01mm～0.012mm的进料口3，在各个进料口3的下部按树枝状设置有3条长2mm×宽5mm×深0.01mm～0.012mm的一级分液道5，各一级分液道5底部还设置有3条二级分液道5，最底部的分液道5中部垂直设置有直通柱形销轴2与待焊孔开口处对应的端面外沿处的宽0.01mm～0.012mm×深0.01mm～0.012mm的气孔4，最底部的分液道5两两相联通，各级分液道交接处呈锐角的结构，均加工为了R0.1mm的圆滑导角为准；
3）焊接
①以阶段1）步骤①准备的BAg-4为钎料、以阶段1）步骤①准备的焊剂为焊接助剂，采用BAg-4对应焊接用温度进行焊接，获得焊接钢结构；
4）后处理
①将阶段3）获得的焊接钢结构在焊接完成后先水冷至室温，再置于- 60℃～-50℃的温度下冷处理1h，然后置于180℃的烘箱中保温2h，即获得所需利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构。
实施例3：
整体与实施例1一致，差异之处在于：
一种利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构，该钢结构包括设置有待焊孔的马氏体不锈钢基体1和与待焊孔匹配的马氏体不锈钢柱形销轴2，该钢结构为基体1与柱形销轴2以BAg-4焊接后固定而成，柱形销轴2焊接前与待焊孔开口处对应的端面外沿处等距设置有8个长10.0mm×宽3mm×深0.01mm～0.012mm的进料口3，在各个进料口3的下部按树枝状设置有3条长10mm×宽3mm×深0.01mm～0.012mm的一级分液道5，各一级分液道5底部还设置有3条二级分液道5，各二级分液道5底部还设置有3条三级分液道5，最底部的分液道5中部垂直设置有直通柱形销轴2与待焊孔开口处对应的端面外沿处的宽0.01mm～0.012mm×深0.01mm～0.012mm的气孔4；最底部的分液道5两两相联通；各级分液道交接处呈锐角的结构，均加工为了R2mm的圆滑导角。
上述钢结构的制造方法，包括以下阶段：
1）制造前准备
①原材料准备：准备马氏体不锈钢制造的设置有直径30mm、深38mm待焊孔的基体1、与待焊孔匹配的所用材料为马氏体不锈钢且表面光滑的38mm长的柱形销轴2、足量BAg-3、足量与银基钎料配用的调配好并搅拌均匀的焊剂；
②工装准备：准备表面设置有凸起花纹的辊，所述凸起的花纹具体为以实现在柱形销轴2刻出的沟槽具体为：在柱形销轴2与基体1上待焊孔开口处对应的端面外沿处等距设置有8个长10.0mm×宽3mm×深0.01mm～0.012mm的进料口3，在各个进料口3的下部按树枝状设置有3条长10mm×宽3mm×深0.01mm～0.012mm的一级分液道5，各一级分液道5底部还设置有3条二级分液道5，各二级分液道5底部还设置有3条三级分液道5，最底部的分液道5中部垂直设置有直通柱形销轴2与待焊孔开口处对应的端面外沿处的宽0.01mm～0.012mm×深0.01mm～0.012mm的气孔4，最底部的分液道5两两相联通，各级分液道交接处呈锐角的结构，均加工为了R2mm的圆滑导角为准；
3）焊接
①以阶段1）步骤①准备的BAg-4为钎料、以阶段1）步骤①准备的焊剂为焊接助剂，采用BAg-4对应焊接用温度进行焊接，获得焊接钢结构；
4）后处理
①将阶段3）获得的焊接钢结构在焊接完成后先水冷至室温，再置于- 70℃～- 60℃的温度下冷处理1.5h，然后置于200℃的烘箱中保温2.5h，即获得所需利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构。
对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构的制造方法，其特征在于包括以下阶段：
1）制造前准备
①原材料准备：准备所用材料抗拉强度不低于500MPa的设置有待焊孔的基体(1)、与待焊孔匹配的所用材料抗拉强度不低于500MPa且表面光滑的柱形销轴(2)、足量银基钎料、足量与银基钎料配用的调配好并搅拌均匀的焊剂；
②工装准备：准备表面设置有凸起花纹的辊，所述凸起的花纹具体为以实现在柱形销轴(2)刻出的沟槽具体为：在柱形销轴(2)与基体(1)上待焊孔开口处对应的端面外沿处等距设置有6个～10个长2.0mm～10.0mm×宽0.2mm～5.0mm×深0.01mm～0.012mm的进料口(3)，在各个进料口(3)的下部按树枝状设置有2条～3条长2.0mm～10.0mm×宽0.2mm～3.0mm×深0.01mm～0.012mm的一级分液道(5)，各一级分液道(5)底部还设置有2条～3条二级分液道(5)，最底部的分液道(5)中部垂直设置有直通柱形销轴(2)与待焊孔开口处对应的端面外沿处的宽0.01mm～0.012mm×深0.01mm～0.012mm的气孔(4)，最底部的分液道(5)两两相联通为准；
③设备准备：准备保护气氛焊接设备、辊压机、烘箱；
2）焊接前准备
①采用阶段1）步骤③准备的辊压机，以阶段1）步骤②准备的辊为滚压工装，在阶段1）步骤①准备的柱形销轴(2)表面滚压出对应花纹，获得待焊柱形销轴(2)；
3）焊接
①将阶段2）获得的待焊柱形销轴(2)与阶段1）步骤①准备的设置有待焊孔的基体(1)，按待焊柱形销轴(2)与待焊孔同轴匹配固定好后，置于阶段1）步骤③准备的保护气氛焊接设备中，以阶段1）步骤①准备的银基钎料为钎料、以阶段1）步骤①准备的焊剂为焊接助剂，采用银基钎料对应焊接用温度进行焊接，获得焊接钢结构；
4）后处理
①将阶段3）获得的焊接钢结构在焊接完成后先水冷至室温，再置于-80℃～-50℃的温度下冷处理1h～1.5h，然后置于180℃～230℃的烘箱中保温2h～3h，即获得所需利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构。
2.根据权利要求1所述的利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构的制造方法，其特征在于：基体(1)和柱形销轴(2)均采用奥氏体不锈钢制造，银基钎料为BAg-3。
3.根据权利要求1所述的利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构的制造方法，其特征在于：基体(1)和柱形销轴(2)均采用马氏体不锈钢制造，银基钎料为BAg-4。
4.根据权利要求1所述的利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构的制造方法，其特征在于：当基体(1)中待焊孔深度和柱形销轴(2)长度L不低于30mm时，在二级分液道(5)底部还设置有3级分液道(5)～n级分液道(5)，n为自然数，其中n与以毫米为单位计的L遵循公式n＞[(L-30)/10]+2。
5.根据权利要求1所述的利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构的制造方法，其特征在于：辊上凸起花纹对应各级分液道(5)交接处呈锐角的结构，均在辊上直接采用机械加工调整，将锐角结构都加工为R0.1mm～R2mm的圆滑导角。
6.根据权利要求1所述方法制造的一种利于焊料流通的耐蚀焊接钢结构，该钢结构包括设置有待焊孔的基体(1)和与待焊孔匹配的柱形销轴(2)，该钢结构为基体(1)与柱形销轴(2)以银基钎料焊接后固定而成，其特征在于：柱形销轴(2)焊接前与待焊孔开口处对应的端面外沿处等距设置有6个～10个长2.0mm～10.0mm×宽0.2mm～5.0mm×深0.01mm～0.012mm的进料口(3)，在各个进料口(3)的下部按树枝状设置有2条～3条长2.0mm～10.0mm×宽0.2mm～3.0mm×深0.01mm～0.012mm的一级分液道(5)，各一级分液道(5)底部还设置有2条～3条二级分液道(5)，最底部的分液道(5)中部垂直设置有直通柱形销轴(2)与待焊孔开口处对应的端面外沿处的宽0.01mm～0.012mm×深0.01mm～0.012mm的气孔(4)；最底部的分液道(5)两两相联通。
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