專利名稱：納米貝氏體鋼的再納米化焊接裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種貝氏體鋼焊接裝置及方法，具體涉及一種納米貝氏體鋼的再納米化焊接裝置及方法，屬于高強(qiáng)鋼焊接領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
納米貝氏體鋼是目前存在的擁有最高強(qiáng)度級別的新一代鋼種，其極限拉伸強(qiáng)度可達(dá)2. 5GPa，屈服強(qiáng)度達(dá)I. 7GPa，硬度為600 700HV，斷裂韌性為30 40MPam1/2，延伸率達(dá) 30%左右。這種鋼的含碳量在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，是在稍高于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度(材料制備保溫溫度)等溫轉(zhuǎn)變數(shù)天(材料制備所需時間) 而獲得，微觀組織為無碳化物析出的納米片狀貝氏體和殘留的固溶大量碳元素的納米片狀奧氏體(納米貝氏體組織)。由于碳當(dāng)量很高，這種鋼的焊接性極差，焊接接頭的性能與母材相比嚴(yán)重惡化，其常規(guī)焊焊縫和熱影響區(qū)組織極易轉(zhuǎn)變?yōu)橛泊嗟鸟R氏體組織，從而引發(fā)冷裂紋的產(chǎn)生。目前國際上對這種鋼的焊接問題還罕有研究，1500MPa級以上的納米貝氏體鋼的焊接更是未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決常規(guī)焊焊縫和熱影響區(qū)組織極易轉(zhuǎn)變?yōu)橛泊嗟鸟R氏體組織，從而引發(fā)冷裂紋的問題，進(jìn)而提供一種納米貝氏體鋼的再納米化焊接裝置及方法。本發(fā)明的技術(shù)方案一是納米貝氏體鋼的再納米化焊接裝置包括組合焊接工作平臺、下位機(jī)、上位機(jī)、多個前溫度傳感器、多個后溫度傳感器、兩組紅外線電加熱片、多個冷卻器和兩個卡具；工件的兩側(cè)各采用一個夾具裝夾在焊接工作平臺上，工件焊縫的兩側(cè)各布置有一組紅外線電加熱片，兩組紅外線電加熱片沿焊縫中心線對稱布置，每組紅外線電加熱片包括多個電加熱片個體，多個電加熱片個體沿焊縫中心線方向排布，相鄰的兩個電加熱片個體首尾相連，每個電加熱片個體靠近焊縫的側(cè)面的前端安裝有一個前溫度傳感器，每個電加熱片個體靠近焊縫的側(cè)面的后端安裝有一個后溫度傳感器，每個電加熱片個體上方靠近焊縫的一側(cè)安裝有一個冷卻器，每個前溫度傳感器、每個后溫度傳感器和每個冷卻器均通過信號線與下位機(jī)連接，下位機(jī)與上位機(jī)之間通過信號線連接。本發(fā)明的技術(shù)方案二是納米貝氏體鋼的再納米化焊接方法，該方法的具體步驟為步驟a :根據(jù)選擇焊接材料對應(yīng)的焊接CCT圖，確定對應(yīng)的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度Ac1,貝氏體轉(zhuǎn)變溫度Bs，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms和不產(chǎn)生珠光體P的臨界冷卻速度V ；步驟b :根據(jù)焊接工藝參數(shù)，測定對應(yīng)的焊接溫度場，確定其準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場下焊縫中心線上電弧中心峰值溫度點(diǎn)0與熔池后方貝氏體轉(zhuǎn)變溫度Bs點(diǎn)之間距離為LI ;焊縫中心線上電弧中心峰值溫度點(diǎn)0與熔池后方馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms點(diǎn)之間的距離為L2，設(shè)定過電弧中心峰值溫度點(diǎn)0的焊縫中心線的法線與Ac1等溫線的交點(diǎn)為Q，電弧中心峰值溫度點(diǎn)0到交點(diǎn)Q之間的直線距離為L3，電加熱片個體的長度選擇為L2-L1，電加熱片個體內(nèi)側(cè)距焊縫中心線的垂直距離為L3 ；步驟c :根據(jù)不產(chǎn)生珠光體的臨界冷卻速度V和焊接熱輸入確定冷卻器的功率，保證焊后的焊縫快速冷卻到貝氏體相變溫度區(qū)間；步驟d :通過前溫度傳感器和后溫度傳感器反饋的溫度場信息適時調(diào)節(jié)兩組紅外線電加熱片的開關(guān)，使焊接之后的焊縫和淬火區(qū)在預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行保溫，焊接開始前，打開兩組紅外線電加熱片開關(guān)對焊縫進(jìn)行預(yù)熱到200°C，然后全部關(guān)閉；焊接開始后，當(dāng)前溫度傳感器監(jiān)測到焊縫溫度開始下降時，下位機(jī)發(fā)出指令使冷卻器開始工作，對工件進(jìn)行冷卻，當(dāng)后溫度傳感器監(jiān)測的焊縫及熱影響區(qū)溫度低于Ms+20°C時，下位機(jī)發(fā)出指令使冷卻器停止工作，同時使紅外線電加熱片開始加熱，當(dāng)前溫度傳感器監(jiān)測到焊縫及熱影響區(qū)溫度超過 Bs-20°C時，下位機(jī)發(fā)出指令使紅外線電加熱片停止工作，如此往復(fù)，當(dāng)整個焊縫及熱影響區(qū)均處于Bs-20°C到Ms+20°C之間后，將整個焊接件放入保溫爐進(jìn)行保溫，保溫溫度為材料制備溫度，保溫時間為材料制備所需時間，最終使焊接接頭的組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米貝氏體組織。本技術(shù)方案中的焊接方法是基于技術(shù)方案一中所述的納米貝氏體鋼的再納米化焊接裝置實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果采用本發(fā)明的焊接裝置及方法實(shí)現(xiàn)了納米貝氏體鋼，特別是1500MPa級以上的納米貝氏體鋼優(yōu)質(zhì)焊接，使納米貝氏體鋼經(jīng)焊接熔化或者高溫奧氏體化后的組織再次轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米貝氏體，不僅能夠控制焊接冷裂紋的產(chǎn)生，而且能夠保證焊接之后的焊縫和淬火區(qū)組織與母材一致，保證了焊接接頭的性能，也充分發(fā)揮了納米貝氏體材料優(yōu)良的力學(xué)性能，拓寬了材料的應(yīng)用領(lǐng)域。


圖I是本發(fā)明的納米貝氏體鋼的再納米化焊接裝置的整體結(jié)構(gòu)圖，圖2是組合焊接工作平臺5、前溫度傳感器6、、后溫度傳感器9、紅外線電加熱片I、冷卻器2和兩個卡具 8之間的位置連接關(guān)系主視圖，圖3是再納米化焊接與常規(guī)焊接溫度曲線對比圖(圖中10 表示珠光體形成臨界冷卻溫度曲線，11表示再納米化溫度曲線，12表示常規(guī)焊溫度曲線，A 表不奧氏體，B表不貝氏體,M表不馬氏體,P表不珠光體，Ac1表不奧氏體轉(zhuǎn)變溫度,Ms表不馬氏體轉(zhuǎn)變溫度)；圖4是常規(guī)焊溫度場圖(圖中13表示Ms等溫線，14表示Ac1等溫線， 15表示Bs等溫線，16表示焊接中心線)。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖I和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的納米貝氏體鋼的再納米化焊接裝置包括組合焊接工作平臺5、下位機(jī)3、上位機(jī)4、多個前溫度傳感器6、多個后溫度傳感器9、兩組紅外線電加熱片I、多個冷卻器2和兩個卡具8 ；工件7的兩側(cè)各采用一個夾具8裝夾在焊接工作平臺5上，工件7焊縫的兩側(cè)各布置有一組紅外線電加熱片1，兩組紅外線電加熱片I沿焊縫中心線對稱布置，每組紅外線電加熱片I包括多個電加熱片個體，多個電加熱片個體沿焊縫中心線方向排布，相鄰的兩個電加熱片個體首尾相連，每個電加熱片個體靠近焊縫的側(cè)面的前端安裝有一個前溫度傳感器6，每個電加熱片個體靠近焊縫的側(cè)面的后端安裝有一個后溫度傳感器9，每個電加熱片個體上方靠近焊縫的一側(cè)安裝有一個冷卻器2，每個前溫度傳感器6、每個后溫度傳感器 9和每個冷卻器2均通過信號線與下位機(jī)3連接，下位機(jī)3與上位機(jī)4之間通過信號線連接。
具體實(shí)施方式
二 結(jié)合圖I和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的冷卻器2為噴氣式冷卻器。其它組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖I至圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的納米貝氏體鋼的再納米化焊接方法的具體步驟為步驟a :根據(jù)選擇焊接材料對應(yīng)的焊接CCT圖(焊接連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖)，確定對應(yīng)的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度Ac1,貝氏體轉(zhuǎn)變溫度Bs，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms和不產(chǎn)生珠光體P的臨界冷卻速度V ；步驟b :根據(jù)焊接工藝參數(shù)，測定對應(yīng)的焊接溫度場，確定其準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場下焊縫中心線上電弧中心峰值溫度點(diǎn)0與熔池后方貝氏體轉(zhuǎn)變溫度Bs點(diǎn)之間距離為LI ;焊縫中心線上電弧中心峰值溫度點(diǎn)0與熔池后方馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms點(diǎn)之間的距離為L2，設(shè)定過電弧中心峰值溫度點(diǎn)0的焊縫中心線的法線與Ac1等溫線的交點(diǎn)為Q，電弧中心峰值溫度點(diǎn)0 到交點(diǎn)Q之間的直線距離為L3，電加熱片個體的長度選擇為L2-L1，電加熱片個體內(nèi)側(cè)距焊縫中心線的垂直距離為L3 ；步驟c :根據(jù)不產(chǎn)生珠光體的臨界冷卻速度V和焊接熱輸入確定噴氣式冷卻器2 的功率，保證焊后的焊縫快速冷卻到貝氏體相變溫度區(qū)間；步驟d :通過前溫度傳感器6和后溫度傳感器9反饋的溫度場信息適時調(diào)節(jié)兩組紅外線電加熱片I的開關(guān)，使焊接之后的焊縫和淬火區(qū)在預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行保溫，焊接開始前， 打開兩組紅外線電加熱片I開關(guān)對焊縫進(jìn)行預(yù)熱到200°C，然后全部關(guān)閉；焊接開始后，當(dāng)前溫度傳感器6監(jiān)測到焊縫溫度開始下降時，下位機(jī)3發(fā)出指令使冷卻器2開始工作，對工件7進(jìn)行冷卻，當(dāng)后溫度傳感器9監(jiān)測的焊縫及熱影響區(qū)溫度低于Ms+20°C時，下位機(jī)3發(fā)出指令使冷卻器2停止工作，同時使紅外線電加熱片I開始加熱，當(dāng)前溫度傳感器6監(jiān)測到焊縫及熱影響區(qū)溫度超過Bs-20°C時，下位機(jī)3發(fā)出指令使紅外線電加熱片I停止工作，完成焊接，如此往復(fù)，從而保證焊接之后的焊縫和淬火區(qū)在預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行保溫。焊接結(jié)束以后，當(dāng)整個焊縫及熱影響區(qū)均處于Bs_20°C到Ms+20°C之間后，將整個焊接件放入保溫爐進(jìn)行保溫，保溫溫度為材料制備溫度，保溫時間為材料制備所需時間，最終使焊接接頭的組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米貝氏體組織。本實(shí)施方式中的焊接方法是基于具體實(shí)施方式
一或二中所述的納米貝氏體鋼的再納米化焊接裝置實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明原理為由于納米貝氏體組織是目前存在的最高強(qiáng)度級別的組織，因此只有使焊接接頭的組織經(jīng)焊接熱過程之后依然保持納米貝氏體組織，才能保證材料性能沒有損失。借鑒通過適當(dāng)?shù)臏囟?馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間)保溫可以使組織從成分均勻的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米貝氏體(納米貝氏體材料制備過程)的方法，通過在焊接冷卻過程中控制焊接冷卻歷程，使經(jīng)過焊接高溫熔化和奧氏體化得組織，經(jīng)過快速冷卻到稍高于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的貝氏體相變溫度區(qū)間并進(jìn)行保溫處理，最終轉(zhuǎn)變成為與母材組織一致的納米貝氏體組織，從而保證了接頭的優(yōu)良性能。
權(quán)利要求
1.一種納米貝氏體鋼的再納米化焊接裝置，其特征在于納米貝氏體鋼的再納米化焊接裝置包括組合焊接工作平臺(5)、下位機(jī)(3)、上位機(jī)(4)、多個前溫度傳感器(6)、多個后溫度傳感器(9)、兩組紅外線電加熱片(I)、多個冷卻器(2)和兩個卡具⑶；工件(7)的兩側(cè)各采用一個夾具⑶裝夾在焊接工作平臺(5)上，工件(7)焊縫的兩側(cè)各布置有一組紅外線電加熱片(I)，兩組紅外線電加熱片(I)沿焊縫中心線對稱布置，每組紅外線電加熱片(I)包括多個電加熱片個體，多個電加熱片個體沿焊縫中心線方向排布， 相鄰的兩個電加熱片個體首尾相連，每個電加熱片個體靠近焊縫的側(cè)面的前端安裝有一個前溫度傳感器(6)，每個電加熱片個體靠近焊縫的側(cè)面的后端安裝有一個后溫度傳感器(9)，每個電加熱片個體上方靠近焊縫的一側(cè)安裝有一個冷卻器，每個前溫度傳感器(6)、每個后溫度傳感器(9)和每個冷卻器(2)均通過信號線與下位機(jī)(3)連接，下位機(jī)(3)與上位機(jī)(4)之間通過信號線連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的納米貝氏體鋼的再納米化焊接裝置，其特征在于冷卻器(2) 為噴氣式冷卻器。
3.基于權(quán)利要求I或2所述的納米貝氏體鋼的再納米化焊接裝置進(jìn)行納米貝氏體鋼的再納米化焊接方法，其特征在于該方法的具體步驟為步驟a :根據(jù)選擇焊接材料對應(yīng)的焊接CCT圖，確定對應(yīng)的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度Ac1,貝氏體轉(zhuǎn)變溫度Bs，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms和不產(chǎn)生珠光體P的臨界冷卻速度V ；步驟b :根據(jù)焊接工藝參數(shù)，測定對應(yīng)的焊接溫度場，確定其準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場下焊縫中心線上電弧中心峰值溫度點(diǎn)O與熔池后方貝氏體轉(zhuǎn)變溫度Bs點(diǎn)之間距離為LI ;焊縫中心線上電弧中心峰值溫度點(diǎn)O與熔池后方馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms點(diǎn)之間的距離為L2，設(shè)定過電弧中心峰值溫度點(diǎn)O的焊縫中心線的法線與Ac1等溫線的交點(diǎn)為Q，電弧中心峰值溫度點(diǎn)O到交點(diǎn)Q之間的直線距離為L3，電加熱片個體的長度選擇為L2-L1，電加熱片個體內(nèi)側(cè)距焊縫中心線的垂直距離為L3 ；步驟c :根據(jù)不產(chǎn)生珠光體的臨界冷卻速度V和焊接熱輸入確定冷卻器⑵的功率，保證焊后的焊縫快速冷卻到貝氏體相變溫度區(qū)間；步驟d:通過前溫度傳感器(6)和后溫度傳感器(9)反饋的溫度場信息適時調(diào)節(jié)兩組紅外線電加熱片(10的開關(guān)，使焊接之后的焊縫和淬火區(qū)在預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行保溫，焊接開始前，打開兩組紅外線電加熱片(I)開關(guān)對焊縫進(jìn)行預(yù)熱到200°C，然后全部關(guān)閉；焊接開始后，當(dāng)前溫度傳感器(6)監(jiān)測到焊縫溫度開始下降時，下位機(jī)(3)發(fā)出指令使冷卻器 (2)開始工作，對工件(7)進(jìn)行冷卻，當(dāng)后溫度傳感器(9)監(jiān)測的焊縫及熱影響區(qū)溫度低于Ms+20°C時，下位機(jī)(3)發(fā)出指令使冷卻器(2)停止工作，同時使紅外線電加熱片(I)開始加熱，當(dāng)前溫度傳感器(6)監(jiān)測到焊縫及熱影響區(qū)溫度超過Bs-20°C時，下位機(jī)(3)發(fā)出指令使紅外線電加熱片(I)停止工作，如此往復(fù)，當(dāng)整個焊縫及熱影響區(qū)均處于Bs-20°C到 Ms+20°C之間后，將整個焊接件放入保溫爐進(jìn)行保溫，保溫溫度為材料制備溫度，保溫時間為材料制備所需時間，最終使焊接接頭的組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米貝氏體組織。
全文摘要
納米貝氏體鋼的再納米化焊接裝置及方法，屬于高強(qiáng)鋼焊接領(lǐng)域。本發(fā)明為了解決納米貝氏體鋼常規(guī)焊焊縫和熱影響區(qū)組織極易轉(zhuǎn)變?yōu)橛泊嗟鸟R氏體組織，從而引發(fā)冷裂紋的問題。工件焊縫的兩側(cè)布置有紅外線電加熱片，紅外線電加熱片的上端面上安裝有冷卻器，多個電加熱片個體沿焊縫中心線方向排布且首尾相連，每個電加熱片個體靠近焊縫的側(cè)面的前端和后端各安裝有一個溫度傳感器，溫度傳感器和冷卻器通過信號線與下位機(jī)連接，下位機(jī)與上位機(jī)通過信號線連接。對焊縫和熱影響區(qū)的高溫金屬進(jìn)行快速冷卻，在發(fā)生鐵素體相變和珠光體相變之前冷卻到貝氏體相變區(qū)間，進(jìn)行一定時間的等溫處理，保證焊縫和熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米貝氏體組織。本發(fā)明用于焊接。
文檔編號B23K9/23GK102601502SQ20121009605
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者劉雪松, 方坤, 方洪淵, 楊建國, 王濤, 董志波, 閆忠杰, 馬子奇 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)