CN112355451B - 一种矿用圆环链的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿用圆环链的焊接方法，包括a)闪光焊接前准备：利用电极将链环固定于焊机上，将惰性气体管接至电极旁边，为焊接过程在接口周围通入惰性气体做准备；b)闪光预热：通惰性气体5‑7s后，焊机通过电极多次间断的给链环施加压应力，使链环的两个待焊端面断续接触，形成过梁***即断续闪光实现预热，电极推进促进对焊端的烧化量达到设定值；c)顶锻：对焊接端面施加顶锻压力让焊接接口间隙迅速减小，挤出对焊端面的液态金属或软化金属及氧化物夹杂，达到设定顶锻留量，让接头产生塑性变形形成牢固的焊口接头；d)顶锻保压：保持顶锻压力，顶锻保压时间5～7s。

Description

一种矿用圆环链的焊接方法

技术领域

本发明矿用圆环链焊接控制的方法。

背景技术

在矿用高强度圆环链是煤矿井下机械化采矿的主要设备，即刮板运输机、刮板转载机、采煤机和刨煤机上的传动链；随着煤炭开采设备的更新换代，高强度矿用圆环链条在煤矿需求日益增加，强度要求也随之增加；圆环链的成环焊接采用闪光对焊，闪光对焊的基本原理是：焊件装配成对接接头，接通电源，并使其端面逐渐移近达到局部接触，利用电阻热加热这些接触点(产生闪光)，使端面金属熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，迅速施加顶锻力完成焊接。其中，编链和焊接工艺分为三种：冷编链冷焊接、热编链冷焊接和热编链热焊接。对于高强度圆环链更有选采用的是热编链冷焊接即闪光焊接方式。

闪光焊接的闪光的作用：1)加热焊件，热源主要来自于液体过梁的电阻热以及过梁***时部分金属液滴喷射在对口端面上所带来的热量。2)烧掉焊接端面上的异物和不平，因此降低了对焊前端面的表面质量要求；3)液体过梁***时产生的金属蒸汽减少了空气对对口间隙的入侵，形成自我保护。4)闪光后期在端面上形成的液体金属层，为顶锻时排除氧化物和过热金属提供了有利条件。

闪光焊接的顶锻的作用：1)封闭对口间隙，挤平因过梁***而留下的火口。2)彻底排除端面上的液体金属层，使焊缝中不残留铸态组织。3)排除过热金属及氧化物夹杂，造成洁净金属的紧密结合。4)使对口和邻近区域获得适当的塑性变形，促进焊缝再结晶过程。

目前，高强度矿用圆环链条钢闪光焊焊接工艺还不成熟，焊接质量问题突出，链环闪光焊接工艺对焊机的能力要求较高，工艺调整窗口窄；主要体现在链环的冷弯试验和拉伸试验存在开裂现象，开裂主要的断裂位置为闪光焊焊口，分析看，断口上裂纹源大部分启裂于灰斑缺陷，研究发现，这些灰斑缺陷是焊接过程中链条钢中合金元素的高温氧化产物,当没有充分挤出后，会滞留焊口，形成所谓焊接灰斑缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种矿用圆环链的焊接方法，通过在闪光焊接过程中增加焊口附近惰性气体保护，避免链条钢中的合金元素如Al、Si、Mn等发生高温氧化形成灰斑，从而提高焊口质量，抑制开裂现象。

另外，通过控制合适的闪光预热次数、顶锻速度、顶锻留量、顶锻压力和保压时间等参数，使得焊口附近过烧金属充分被顶出，保证闪光焊焊口质量和性能稳定性。

另外，通过矿用圆环链闪光焊焊口残余应力大小的评判方法来对闪光焊接的工艺参数进行优化，所述工艺参数包括但不限于闪光焊的顶锻压力、顶锻保压时间、预热时间等。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种矿用圆环链的焊接方法，包括如下步骤

a)闪光焊接前准备：将表面喷丸后的链环至于电极中间，利用电极将链环固定于焊机上，将惰性气体管接至电极旁边，为焊接过程在接口周围通入惰性气体做准备；电极的夹持长度直接关系到闪光焊的烧化量，夹持长度过长，烧化量过大容易导致不必要的过大环背分流，也会使热区温度梯度过小，夹持长度过小，烧化量过小会造成热区温度梯度过大，因此，应根据烧化量来确定夹持长度。

b)闪光预热：首先开启惰性气体开关，通气5～7s后电极通电，焊机通过电极多次间断的给链环施加压应力，使链环的两个待焊端面断续接触，形成过梁***即断续闪光，闪光过程中实现了对焊端面及其附近的预热，预热使断面金属熔化，在断续闪光过程中，电极推进促进对焊端的烧化量达到设定值，一支链环对应的棒料长度是提前设定好的，其中包括了一部分被烧化掉的长度，就是烧化量。合格的链环是有长度要求的，烧化量的长度＝下料长度－成品链环周长－顶锻留量。

c)顶锻：对焊接端面施加足够的顶锻压力，让焊接接口间隙迅速减小，过梁***停止，迅速挤出对焊端面的液态金属或软化金属及氧化物夹杂，达到设定顶锻留量，让接头产生塑性变形形成牢固的焊口接头；

d)顶锻保压：保持顶锻压力，顶锻保压时间5～7s，使接头部位充分焊合，防止焊口处高温金属在链环变形回弹拉应力造成焊口开裂或者产生裂纹。

优选地，为了达到焊接所需要的焊口温度和热区温度梯度，烧化量和烧化时间设定不易过长，过长的烧化量和烧化时间造成材料浪费，同时环形控制不好，易于出现D型环；烧化量和烧化时间过短，会造成环口温度梯度达不到焊接要求，易出现冷焊，影响焊口质量步骤b)中，烧化量为链环截面直径的20％。

优选地，步骤b中，电极与动力***相连接，电极推进是指电极按照一定速度推进其实是整个动力***的推进速度。该速度是通过计算机控制的，其信号是通电极之间电流等参数变化反馈给计算机，由计算机自动调节给进速度；一般是以匀速推进，如果出现喇叭口环口时，电极间电流相对较大，推进更快。

优选地，步骤c)中，顶锻留量＝下料长度－成品链环周长－烧化量；顶锻留量与编环时环口质量有一定关系，当环口为喇叭口型时，烧化量会变大，顶锻留量会缩小，顶锻留量和烧化量总和是基本不变的，计算机会根据焊口温度梯度、进行调整。顶锻留量设定一般比烧化长度大，优选设定比烧化量多2～3mm；但也要考虑钢级的影响，钢级越高，顶锻留量应越大，可参考链环钢强度每增加100MPa,顶锻留量增加0.4-0.8mm。

优选地，步骤c)中，顶锻速度是指电极运行速度，也是动力***瞬间顶锻速度，即当闪光烧化结束后，为了快速将高温熔融金属挤出，而施加于焊口两侧电极相对运动速度。由于焊接接口有惰性气体保护，顶锻快慢对焊口质量影响不大，即扩大了顶锻完成时间的工艺窗口，而在实际操作过程中，顶锻速度不宜过快，过快的顶锻速度意味着需要焊机提供更大的载荷，本发明优选顶锻速度≤60mm/s。

优选地，步骤b-d中，惰性气体通气流量为20-60L/min，避免基体金属中的合金元素如Al、Si、Mn等高温氧化形成灰斑，提高焊口质量。

本发明闪光焊焊接方法中的顶锻压力、顶锻保压时间、烧化量采用如下校正方法进行调整：

1)取样：取刚刚完成端口顶锻焊接后的链环，去除链环焊缝处的毛刺；

2)冷却：焊接完成后去除毛刺的链环置于干燥环境中进行空冷；

3)切割缝隙：冷却至室温的待测链环沿着横断面切开一条缝，切割方式为钼丝线室温下进行切割，切割位置与焊缝的间隔距离小于5mm；

4)缝隙测量：测量步骤3)的切割缝隙的宽度，并与用于切割缝隙的切割设备直接造成的理论切割宽度比较，

若切割缝隙小于理论切割宽度甚至为0，代表闪光焊的顶锻压力过大或顶锻保压时间过长或预热烧化量过长，链环残余压应力，且切割缝隙越小残余压应力越大；

若切割缝隙大于理论切割宽度，代表闪光焊的顶锻压力过小或顶锻保压时间过短或预热烧化量过短，链环残余拉伸应力，且切割缝隙越大残余拉应力越大；

若切割缝隙等于理论切割宽度，代表顶锻力和保压时间及预热烧化量合适；

5)根据步骤4的测量结果，调整闪光焊的工艺参数，包括顶锻压力、顶锻保压时间、预热烧化量中一项或多项；

6)重复步骤1-4直至切割缝隙接近或等于理论切割宽度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)通过在闪光焊焊接过程中增加焊口附近惰性气体保护工序，避免钢基体金属中的合金元素如Al、Si、Mn等高温氧化形成灰斑，从源头上消除了灰斑缺陷的来源，提高焊口质量。

2)大本发明可以有效降低焊机顶锻能力等相关参数，工艺调整窗口较宽，特别是对于高强度的链条钢，采用惰性气体保护后，可降低闪光焊接对焊机能力的苛刻要求。

3)通过将闪光预热次数(来调节预热烧化量)、顶锻速度、顶锻留量、顶锻压力和保压时间等参数调节至合适，使得焊口附近过烧金属充分被顶出，减小焊口残余应力(残余拉应力或残余压应力)保证闪光焊焊口质量和性能稳定性。

4)本发明对焊接工艺参数的校正方法涉及设备简单、操作方便；焊接工程师可以迅速根据间隙判断残余应力的形式：残余拉应力或残余压应力，并适当进行参数调整，以辅助提高焊接效率和焊口质量。

附图说明

图1为闪光焊接后链环焊口的回弹力即残余拉应力示意图；

图2为链环试样线切割后的状态图。

具体实施方式

以下结合附图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。本实施例中的文字描述是与附图对应的，涉及方位的描述也是基于附图的描述，不应理解为是对本发明保护范围的限制。

本实施例涉及高强度矿用圆环链的化学成分质量百分％含量：C：0.20～0.26；Ti：0.45～0.57；Si：≤0.25；Mn：1.10～1.50；P≤0.013；S≤0.010；Cr：0.40～0.60；Ni：0.90～1.10；Cu:0.19～0.30；Mo：0.50～0.60；其余为Fe，矿用链棒料的规格为φ34mm。抗拉强度级别为1300MPa以上。最终焊接成链环尺寸为φ34mm*126mm；矿用圆环链制造过程主要包括工序：①下料；②感应加热；③热编环；④表面喷丸；⑤闪光焊；⑥去毛刺；⑦一次拉伸；⑧中频感应加热淬火+中温回火；⑨二次拉伸。

一、闪光焊焊接工艺参数的优化：

1、根据焊接工程师经验，大概设定一个闪光焊焊接工艺规范，取规范范围的中间数值，进行试验。

2、焊接后链环冷却；

闪光焊接完成后去除毛刺的链环放置于干燥的地面上进行空冷；应避免水冷或者放于潮湿的地面上，防止冷却过快产生额外的组织内应力。也不易放在加热炉中保温，防止在加热炉中回火，进而消除部分高温残余应力。应遵循链环正常的空冷方式进行冷却，才能真实的反映出残余应力大小与切口缝隙的关系。

3、切割缝隙

如图2所示，在冷却至室温的待测链环沿着横断面切开一条缝，切割位置为距离焊缝5mm范围内；采用线切割，线切割用的钼丝直径：0.12mm，理论切割宽度为0.12mm。

4、缝隙测量

采用塞尺测量缝隙的大小；对于残余压应力的链环，切开缝隙小于钼丝直径，甚至切开的两个面紧密贴合，无法测量缝隙大小，判断为残余应力为残余压应力，说明顶锻压力过大或保压时间过长。对于拉伸应力的链环，切开后缝隙大于钼丝直径，张开缝隙越大，残余应力越大，说明顶锻力过小或保压时间过短所致，如果刚好等于钼丝直径，说明顶锻力和保压时间合适。根据缝隙宽度和理论切割宽度的对比调整顶锻压力和或顶锻保压时间。

5、以调整后的焊接工艺再次进行焊接试验，继续测量切割缝隙相对理论切割宽度的偏差，并对焊接工艺进一步调整，直至将偏差范围控制在0-0.01mm，此时所对应的焊接工艺参数即可作为本实施例矿用圆环链闪光焊的较优工艺参数，用于批量焊接。

二、本实施例高强度矿用圆环链的闪光焊接步骤如下：

1、闪光焊准备。

将表面喷丸后的链环放于电极中间，利用电极将链环固定于焊机上。同时将氩气管接至电极旁边，为焊接过程通入氩气做准备。为了防止电路短路和高温对氩气管道的影响等问题，氩气管靠近电极区域选用陶瓷管。氩气采用100％纯氩；夹持长度的控制对闪光焊焊接也有极大的影响，夹持长度过长，容易导致不必要的过大环背分流，也会使热区温度梯度变小。夹持长度过小，会造成热区温度梯度过大；为了达到冷焊所需要的焊口温度和热区温度梯度，烧化长度和烧化时间相对较长，造成热区较窄，达不到优质接头所需的理想温度梯度。影响焊接质量。

链环端面间隙：(3～4)mm；夹持长度：(30～40)mm；

2、闪光预热；

首先开启氩气管开关，为了保证焊接电极周围充满氩气，通气5～7秒后电极通电，焊机通过电极多次给链环施加压应力，使链环待焊端面断续接触，形成过梁***，即断续闪光，闪光过程中对待焊端面附近加热，并使断面上金属熔化。电极按照均匀推进，直至烧化量达到设定值。烧化量的选择原则是保证在焊件的两个加热面上加热均匀，且保证链环上具有最佳的温度分布，两个端面上存在一定范围的高温塑性易变形区域，为顶锻创造良好的顶锻条件。

预热相关参数：氩气通气流量为：30L/min；电极推进速度：(0.3～0.4)mm/s；烧化速度：(0.5～1.0)mm/s；换向行程：2.5mm；闪光次数：(11～13)次；闪光烧化量设定值：3mm。实际烧化量：3.1mm。次级电压：(10～12)V。

3、顶锻过程；

对焊接端面施加足够的顶端压力，接口间隙迅速减小，过梁***停止，迅速挤出端面的液态金属或软化金属及氧化物夹杂，达到设定顶锻量，最终接头产生一定的塑性变形，形成牢固的焊口接头。高强矿用链条钢高温强度高，因此顶锻时需要加载更大的顶锻力，以保证焊口充分熔合，研究结果表明，顶锻速度越快，需要的顶锻力越大，由于本方法采用惰性气体保护，顶锻速度可适当放慢，从而降低设备顶端能力。

顶锻过程相关参数：顶锻行程设定：4mm～7mm；实际顶锻行程：5.2mm；顶锻速度设定：(50～80)mm/s；实际顶锻速度为：52mm/s。顶锻压力：120bar(12MPa)。

4、顶锻保压；

本实施例采用的是冷焊，必须保证足够的顶锻后保压时间，当链环两个端面逐渐靠近，并迅速顶锻后，迅速打开夹具(电极)，焊环两侧将产生回弹力图1所示，导致刚熔合在一起的高温金属承受拉伸应力，焊口组织疏松；随着棒料直径的增加，顶锻保压时间需要逐渐延长，但为了提高焊接效率，顶锻后保压时间需要控制在一定范围内。

顶锻保压相关参数：顶锻油缸持续顶锻保压时间5s～7s，使接头部位充分焊合，防止焊口处高温金属在链环变形回弹拉应力造成焊口开裂或者微裂纹出现。

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。

Claims (6)

1.一种矿用圆环链的焊接方法，其特征在于：包括如下步骤

a)闪光焊接前准备：将表面喷丸后的链环至于电极中间，利用电极将链环固定于焊机上，将惰性气体管接至电极旁边，为焊接过程在接口周围通入惰性气体做准备；

b) 闪光预热：首先开启惰性气体开关，通气5～7s后电极通电，焊机通过电极多次间断的给链环施加压应力，使链环的两个待焊端面断续接触，形成过梁***即断续闪光，闪光过程中实现了对焊端面及其附近的预热，预热使断面金属熔化，在断续闪光过程中，电极推进促进对焊端的烧化量达到设定值，烧化量是指链环待焊端被烧化掉的长度，烧化量的长度=下料长度－成品链环周长－顶锻留量；

c)顶锻：对焊接端面施加足够的顶锻压力，让焊接接口间隙迅速减小，过梁***停止，迅速挤出对焊端面的液态金属或软化金属及氧化物夹杂，达到设定顶锻留量，让接头产生塑性变形形成牢固的焊口接头；

d)顶锻保压：保持顶锻压力，顶锻保压时间5～7s，使接头部位充分焊合，防止焊口处高温金属在链环变形回弹拉应力造成焊口开裂或者产生裂纹；

该焊接方法中的顶锻压力、顶锻保压时间、烧化量采用如下校正方法进行调整：

1）取样：取刚刚完成端口顶锻焊接后的链环，去除链环焊缝处的毛刺；

2）冷却：焊接完成后去除毛刺的链环置于干燥环境中进行空冷；

3）切割缝隙：冷却至室温的待测链环沿着横断面切开一条缝，切割位置与焊缝的间隔距离小于5mm；

4）缝隙测量：测量步骤3）的切割缝隙的宽度，并与用于切割缝隙的切割设备直接造成的理论切割宽度比较，

若切割缝隙小于理论切割宽度甚至为0，代表闪光焊的顶锻压力过大或顶锻保压时间过长或预热烧化量过长，链环残余压应力，且切割缝隙越小残余压应力越大；

若切割缝隙大于理论切割宽度，代表闪光焊的顶锻压力过小或顶锻保压时间过短或预热烧化量过短，链环残余拉伸应力，且切割缝隙越大残余拉应力越大；

若切割缝隙等于理论切割宽度，代表顶锻力和保压时间及预热烧化量合适；

5)根据步骤4的测量结果，调整闪光焊的工艺参数，包括顶锻压力、顶锻保压时间、预热烧化量中一项或多项；

6)重复步骤1-4直至切割缝隙接近或等于理论切割宽度。

2.根据权利要求1所述的矿用圆环链的焊接方法，其特征在于：步骤b）中，烧化量为链环截面直径的20%。

3.根据权利要求1所述的矿用圆环链的焊接方法，其特征在于：步骤c)中，顶锻留量比步骤b）的烧化量多2～3mm。

4.根据权利要求1所述的矿用圆环链的焊接方法，其特征在于：步骤c)中，由于焊接接口有氩气保护，顶锻快慢对焊口质量影响不大，即扩大了顶锻完成时间的工艺窗口，顶锻速度≤60mm/s。

5.根据权利要求1所述的矿用圆环链的焊接方法，其特征在于：步骤b-d中，氩气通气流量为20-60L/min。

6.根据权利要求1所述的矿用圆环链的焊接方法，其特征在于：步骤2）采用的切割方式为钼丝线切割，室温下进行切割。

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