CN109848522B

CN109848522B - 一种双相不锈钢薄板超声辅助gtaw脉动电弧焊接方法

Info

Publication number: CN109848522B
Application number: CN201910131056.3A
Authority: CN
Inventors: 谢伟峰; 李梁; 金博; 李浩玄
Original assignee: Northeast Dianli University
Current assignee: Northeast Electric Power University
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2039-02-21
Also published as: CN109848522A

Abstract

一种双相不锈钢薄板超声辅助GTAW脉动电弧焊接方法，双相不锈钢薄板厚度为1.0～2.0mm，方法如下：采用超声辅助GTAW脉动电弧焊接方法，无填充焊丝，超声电源激励频率为20kHz，最大输出功率2000W；焊枪选用凹球面声发射端，其端面半径16.5mm，曲率半径27.4mm，与工件上表面距离为8～14mm；钨极尖端伸出声发射端底面的距离为6.0mm，氩气保护；焊接电流60～100A，焊接速度2～2.5mm/s。本发明焊缝区深宽比增加，晶粒更细小均匀；外加超声场既可以控制焊接热源又可以对熔池金属深度处理，降低因元素烧损而造成焊缝和热影响区的奥氏体与铁素体两相比例严重失衡，从而改善接头的组织和力学性能。

Description

一种双相不锈钢薄板超声辅助GTAW脉动电弧焊接方法

技术领域

本发明属于特种焊接领域，具体涉及一种双相不锈钢薄板超声辅助GTAW脉动电弧焊接方法。

背景技术

双相不锈钢微观组织由奥氏体和马氏体或贝氏体多相组成，铁素体约占30％以上的体积分数，双相不锈钢集奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的优点于一身。双相不锈钢薄板各成分质量百分比如下：0＜C≤0.085％，0＜Si≤1.00％，1.80％＜Mn≤6.00％，0＜P≤0.04％，0＜S≤0.030％，0＜Cr≤22.00％，0＜Ni≤3.00％，0.10％＜Mo≤0.80％，0＜N≤0.25％，0＜Cu≤1.00％，其余为铁和不可避免的杂质。目前在汽车、电站、化工、制药等多个行业应用。由于电弧焊具有技术成熟、操作简便、易于实现自动化以及成本低等优势，当前双相不锈钢的连接仍以电弧焊接为主。但是传统电弧功率密度低，加热时间长，热输入很难控制，很容易造成热影响区变宽，加重接头软化，导致焊接接头成为整个产品的薄弱环节，其原因主要有以下两点：一是在焊接热循环作用下，铁素体向奥氏体转变后，在晶界表面能的作用下，大晶粒吞并小晶粒，很容易导致晶粒粗化；二是由于双相不锈钢经历了特殊的轧制过程，内部储存了大量畸变能，在焊接热循环的作用下，偏离平衡位置的高能量原子将向低能量的平衡位置迁移，即使畸变能逐渐释放出来而发生形变回复和再结晶，造成位错密度的下降。结合双相不锈钢本身特性，由此可见，双相不锈钢焊接普遍存在热影响区晶粒粗化、接头软化等问题，这也都是双相不锈钢焊接研究过程中需要亟待解决的关键问题。

传统钨极氩弧焊(GTAW)应用范围比较广，但针对薄板GTAW焊接生产过程却非常困难，这主要是因为传统GTAW焊接所用自由电弧热源能量比较发散，作用于薄板工件表面的能量分布并不均匀，为保证熔透而提高总体热输入，很容易造成局部热输入过大，导致焊接变形和烧穿时有发生且很难控制。对比普通碳钢焊接，在双相不锈钢薄板焊接时由于含有一定量的合金元素，焊接接头应力、应变、组织和性能的变化对焊接热源热力分布极为敏感，对焊接热力控制的要求更高。

超声波由于具有频率高、空化效应以及在介质中易于传播等优点，在材料加工特别是塑性加工和铸造领域被广泛应用。随着超声对金属凝固影响机理研究不断深入，将超声和焊接过程结合起来逐渐引起焊接工作者的关注，并发展成为一个研究热点。但是目前多为将超声振动直接施加到焊接母材上，这需要强力刚性接触固定，工装和设备都比较复杂。杨春利提出了超声辅助电弧焊方法，即在电弧区形成一个超声辐射场，声场既可对电弧进行控制又可对熔池实现深度处理。在304不锈钢超声辅助GTAW焊接试验中，发现超声对电弧有压缩作用，电弧压力增大，同规范下超声辅助GTAW熔深可增加一倍以上，焊缝晶粒细化，熔合区尺寸变窄，焊接头强度提高8％，接头延伸率提高10％以上。然而，因为声源声辐射能力不足，焊接稳定性还有待进一步提高，同时也很难利用声能对电弧热源进行调控。

发明内容

针对双相不锈钢薄板焊接易变形，接头对热输入敏感，热输入范围窄等问题，本发明提供了一种双相不锈钢薄板超声辅助GTAW脉动电弧焊接方法，无需填丝，不需预热和焊后热处理，通过对焊接热输入的控制，使焊缝和热影响区的奥氏体、铁素体两相比例保持在合理的范围内，保证焊接接头良好的组织和力学性能。

本发明采用以下技术方案：一种双相不锈钢薄板超声辅助GTAW脉动电弧焊接方法，包括以下步骤：

(1)采用冷剪切加工对钢板进行切割，施焊前处理清理待焊工件表面，组对形成I型坡口，并对焊板四角压紧；

(2)采用超声辅助GTAW脉动电弧焊接方法对焊件进行焊接，不填充焊丝，所用超声电源激励频率为20kHz，超声电源最大输出功率2000W；超声辅助GTAW脉动电弧焊枪选用凹球面声发射端，其端面半径16.5mm，曲率半径27.4mm，与工件上表面垂直距离为8～14mm；钨极直径为3.2mm，钨极穿过中心通孔，钨极尖端伸出声发射端底面的距离为6mm，保护气体为氩气，气体流量为10～15L/min；焊接电流直流正接60～100A，焊接速度2.0～2.5mm/s；

(3)焊接完成后，采用酸洗钝化处理，去除焊缝表面的氧化层，形成钝化膜，空冷至室温，取下焊板。

本发明还具有如下技术特征：

1、所述的坡口间隙不得大于0.05mm，因为未添加焊丝，如果间隙太大，焊接会焊不透，很容易出现金属未熔合。

2、所述的双相不锈钢板材厚度为1.0～2.0mm。

3、在超声辅助GTAW脉动电弧内部存在一个电弧等离子体的高亮团聚区，并以一定频率上下跳动，呈脉动状态，其脉动频率为510～700Hz，使得电弧能量更集中且内部能量分布更均匀，包括熔深增加，晶粒细化等。

本发明的有益效果及优点：本发明利用超声辅助GTAW脉动电弧焊接双相不锈钢薄板，外加超声场同时作用于电弧和熔池，除了利用超声振动特性，实现对熔池金属的深度处理以外，还可利用超声能量压缩电弧，控制电弧热输入大小，改进传统焊接热源，使超声辅助GTAW脉动电弧焊接过程同时具备高效、优质、可控的属性，从焊接热源着手，减缓了焊缝温度下降速率，延长了焊缝及高温热影响区中铁素体向奥氏体的相变时间，增加了焊缝及高温热影响区中的奥氏体比例，使奥氏体和铁素体的两相比例更加均衡，保证了双相不锈钢焊接接头的组织和力学性能，焊接方法操作简便，经济实用，焊缝成形美观。

附图说明

图1是本发明实施例1的焊接接头金相图；

图2是本发明实施例1的焊缝金相对比图；

图3是本发明实施例1的工程应力-应变图；

图4是本发明实施例1的电化学(3.5wt.％NaCI溶液)极化后金相图。

具体实施方式

在凹球面声发射端条件下，电弧所受由外向内的指向性声压力达最大，声拘束效果最强，在超声辅助GTAW焊接实验中，首次发现了一种受拘束的脉动电弧等离子体，与常规电弧不同，当超声作用后，电弧被压缩，电弧内部出现一个高亮团聚区且以一定频率上下周期性抖动，该现象的发现为进一步实现超声对焊接电弧热力的调控提供了可能。这对克服双相不锈钢焊接接头软化、变形等影响，具有巨大的应用潜力。下面结合实施例详细说明本方法的具体实施方式。

实施例1

本实施例是焊接2.0mm厚的S32101双相不锈钢钢板，它的化学成分为(质量百分比)：0.02＜C≤0.04％，0.20＜Si≤1.00％，4.00＜Mn≤6.00％，0.01＜P≤0.04％，0＜S≤0.03％，19.00＜Cr≤22.00％，1.00＜Ni≤3.00％，0.10％＜Mo≤0.80％，0＜N≤0.25％，0.1＜Cu≤1.00％，其余为铁和不可避免的杂质。取2.0mm厚的S32101双相不锈钢钢板，观察其待焊接面，要求平整无划伤，凹痕等缺陷；如果不满足要求，需要用砂纸打磨焊接面，且打磨时要注意焊接面的平行度，不可打磨成弧面；打磨完需清理待焊接区域，用酒精将焊接面彻底擦拭干净，焊缝区域15mm内的油污等也需要清理干净，擦拭完成后，需要待酒精彻底挥发后再进行下一步工作；用夹具装夹压紧待焊接的2.0mm厚的S32101双相不锈钢板，具体拼接方式是两块不锈钢薄板平行拼接，要求表面平整无错边，保证焊缝处拼装间隙不得大于0.05mm；采用超声辅助GTAW脉动电弧焊接方法对待焊工件进行焊接，不填充焊丝，所用超声电源激励频率为20kHz，超声电源最大输出功率2000W；超声辅助GTAW脉动电弧焊枪选用凹球面声发射端，其端面半径16.5mm，曲率半径27.4mm，与工件上表面垂直距离为14mm；钨极直径为3.2mm，钨极穿过中心通孔，钨极尖端伸出声发射端底面的距离为6mm，保护气体为纯度99.99％的氩气，气体流量为15L/min；焊接电流(直流正接)100A，焊接速度2.5mm/s。焊接过程中保持通风良好，以促使焊缝快速冷却。焊接完成后，采用酸洗钝化处理，去除焊缝表面的氧化层，形成钝化膜，空冷至室温，去除压紧装置，取下焊板。

经上述步骤焊接完成后，焊缝区深宽比增加，焊缝晶粒组织更为细小均匀，均衡了奥氏体和铁素体两相比例，焊缝耐蚀性能明显提高，改善了焊接接头的力学性能。经测定焊缝区自腐蚀电位为-186mV，焊缝自腐蚀电流密度为0.364μA/cm²，作为软化区，焊缝区平均硬度231(HV30)，对比普通GTAW焊接，提高19％，焊接接头抗拉强度为616.57MPa，延伸率45.6％，断于热影响区。

实施例2

本实施例是焊接1.0mm厚的S32101双相不锈钢钢板，它的化学成分与实施例1一致。取1.0mm厚的S32101双相不锈钢钢板，观察其待焊接面，要求平整无划伤，凹痕等缺陷；如果不满足要求需要用砂纸打磨焊接面，且打磨时要注意焊接面的平行度，不可打磨成弧面；打磨完需清理待焊接区域，用酒精将焊接面彻底擦拭干净，焊缝区域10mm内的油污等也需要清理干净，擦拭完成后，需要待酒精彻底挥发后再进行下一步工作；用夹具装夹压紧待焊接的1.0mm厚的S32101双相不锈钢板，具体拼接方式是两块不锈钢薄板平行拼接，要求表面平整无错边，保证焊缝处拼装间隙不得大于0.02mm；采用超声辅助GTAW脉动电弧焊接方法对待焊工件进行焊接，不填充焊丝，超声电源激励频率为20kHz，超声电源最大输出功率2000W；超声辅助GTAW脉动电弧焊枪选用凹球面声发射端，其端面半径16.5mm，曲率半径27.4mm，与工件上表面垂直距离为12mm；钨极直径为3.2mm，钨极穿过中心通孔，钨极尖端伸出声发射端底面的距离为6mm，保护气体为纯度99.99％的氩气，气体流量为13L/min；焊接电流(直流正接)75A，焊接速度2.3mm/s。焊接过程中保持通风良好，以促使焊缝快速冷却。焊接完成后，采用酸洗钝化处理，去除焊缝表面的氧化层，形成钝化膜，空冷至室温，去除压紧装置，取下焊板。

经上述步骤焊接完成后，焊缝区深宽比增加，焊缝晶粒组织更为细小均匀，均衡了奥氏体和铁素体两相比例，焊缝耐蚀性能明显提高，改善了焊接接头的力学性能。经测定焊缝区自腐蚀电位为-154mV，焊缝自腐蚀电流密度为0.336μA/cm²，作为软化区，焊缝区平均硬度222(HV30)，对比普通GTAW焊接，提高22％，焊接接头抗拉强度为610.82MPa，延伸率41.7％，断于焊缝区。

实施例3

本实施例是焊接2.0mm厚的DP780双相不锈钢钢板，它的化学成分为(质量百分比)：0＜C≤0.085％，0＜Si≤0.38％，1.80＜Mn≤2.08％，0.004＜P≤0.011％，0.002＜S≤0.016％，0＜Cr≤0.326％，0＜Ni≤0.008％，N:0.004％，Cu:0.037％，其余为铁和不可避免的杂质。取2.0mm厚的DP780双相不锈钢钢板，观察其待焊接面，要求平整无划伤，凹痕等缺陷；如果不满足要求需要用砂纸打磨焊接面，且打磨时要注意焊接面的平行度，不可打磨成弧面；打磨完需清理待焊接区域，用酒精将焊接面彻底擦拭干净，焊缝区域15mm内的油污等也需要清理干净，擦拭完成后，需要待酒精彻底挥发后再进行下一步工作；用夹具装夹压紧待焊接的2.0mm厚DP780双相不锈钢板，具体拼接方式是两块不锈钢薄板平行拼接，要求表面平整无错边，保证焊缝处拼装间隙不得大于0.05mm；采用超声辅助GTAW脉动电弧焊接方法对焊件进行焊接，不填充焊丝，超声电源激励频率为20kHz，超声电源最大输出功率2000W；超声辅助GTAW脉动电弧焊枪选用凹球面声发射端，其端面半径16.5mm，曲率半径27.4mm，与工件上表面垂直距离为13mm；钨极直径为3.2mm，钨极穿过中心通孔，钨极尖端伸出声发射端底面的距离为6mm，保护气体为纯度99.99％的氩气，气体流量为13L/min；焊接电流(直流正接)90A，焊接速度2.2mm/s。焊接过程中保持通风良好，以促使焊缝快速冷却。焊接完成后，采用酸洗钝化处理，去除焊缝表面的氧化层，形成钝化膜，空冷至室温，去除压紧装置，取下焊板。

经上述步骤焊接完成后，焊缝区深宽比增加，焊缝晶粒组织更为细小均匀，均衡了奥氏体和铁素体两相比例，提高了焊接接头的组织和力学性能，经测定，作为软化区的热影响区平均硬度175(HV0.5)，对比普通GTAW焊接接头，提高10％，焊接接头抗拉强度为363.45MPa，延伸率24.85％，断于母材。

实施例4

本实施例是焊接1.0mm厚DP780双相不锈钢钢板，它的化学成分与实施例3一致。取1.0mm厚的DP780双相不锈钢钢板，观察其待焊接面，要求平整无划伤，凹痕等缺陷；如果不满足要求需要用砂纸打磨焊接面，且打磨时要注意焊接面的平行度，不可打磨成弧面；打磨完需清理待焊接区域，用酒精将焊接面彻底擦拭干净，焊缝区域10mm内的油污等也需要清理干净，擦拭完成后，需要待酒精彻底挥发后再进行下一步工作；用夹具装夹压紧待焊接的1.0mm厚的DP780双相不锈钢板，具体拼接方式是两块不锈钢薄板平行拼接，要求表面平整无错边，保证焊缝处拼装间隙不得大于0.02mm；采用超声辅助GTAW脉动电弧焊接方法对焊件进行焊接，不填充焊丝，超声电源激励频率为20kHz，超声电源最大输出功率2000W；超声辅助GTAW脉动电弧焊枪选用凹球面声发射端，其端面半径16.5mm，曲率半径27.4mm，与工件上表面垂直距离为10mm；钨极直径为3.2mm，钨极穿过中心通孔，钨极尖端伸出声发射端底面的距离为6mm，保护气体为纯度99.99％的氩气，气体流量为10L/min；焊接电流(直流正接)60A，焊接速度2mm/s。焊接过程中保持通风良好，以促使焊缝快速冷却。焊接完成后，采用酸洗钝化处理，去除焊缝表面的氧化层，形成钝化膜，空冷至室温，去除压紧装置，取下焊板。

经上述步骤焊接完成后，焊缝区深宽比增加，焊缝晶粒组织更为细小均匀，均衡了奥氏体和铁素体两相比例，提高了焊接接头的组织和力学性能，经测定，作为软化区的热影响区平均硬度158(HV0.5)，对比普通GTAW焊接接头，提高13％，焊接接头抗拉强度为358.22MPa，延伸率23.57％，断于母材。

本发明外加超声场既可以控制焊接热源又可以对熔池金属深度处理，降低因元素烧损而造成焊缝和热影响区的奥氏体与铁素体两相比例严重失衡，从而改善接头的组织和力学性能。

Claims

1.一种双相不锈钢薄板超声辅助GTAW脉动电弧焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用冷剪切加工对钢板进行切割，施焊前处理清理待焊工件表面，组对形成I型坡口，坡口间隙不得大于0.05mm，并对焊板四角压紧；

(2)采用超声辅助GTAW脉动电弧焊接方法对焊件进行焊接，不填充焊丝，所用超声电源激励频率为20kHz，超声电源最大输出功率2000W；超声辅助GTAW脉动电弧焊枪选用凹球面声发射端，其端面半径16.5mm，曲率半径27.4mm，与工件上表面垂直距离为8～14mm；钨极直径为3.2mm，钨极穿过中心通孔，钨极尖端伸出声发射端底面的距离为6mm，保护气体为氩气，气体流量为10～15L/min；焊接电流直流正接60～100A，焊接速度2.0～2.5mm/s，在超声辅助GTAW脉动电弧内部存在一个电弧等离子体的高亮团聚区，并以一定频率上下跳动，呈脉动状态，其脉动频率为510～700Hz；

2.根据权利要求1所述的一种双相不锈钢薄板超声辅助GTAW脉动电弧焊接方法，其特征在于：所述的双相不锈钢板材厚度为1.0～2.0mm。