本發(fā)明屬于焊接的技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及一種預(yù)埋焊絲的真空電子束焊接方法。

背景技術(shù)：

鋼中碳元素0.08％-0.13％屬于包晶鋼范圍，在凝固過程中會發(fā)生包晶反應(yīng)(L+δ—γ)，鋼中δ-Fe向γ-Fe組織轉(zhuǎn)變，伴隨著這一轉(zhuǎn)變有0.38％的體積收縮，且含碳量越高、冷卻速度越大，體積收縮越大。凝固過程中在熱應(yīng)力以及體積收縮的不均衡作用下，易產(chǎn)生裂紋。焊縫冷卻的過程與鑄造的凝固過程類似，而焊縫的冷卻要更快一些。由于收縮引起的拉應(yīng)力可能會在尚未凝固的液相處、在晶間造成微觀開裂。

鋼中Mo、B、Cr、Ni等合金元素都能提高鋼的淬透性，隨著合金元素含量的增大，具有非常大的淬硬傾向。特別是在焊接條件下，近縫區(qū)的加熱溫度很高，使奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重長大，當(dāng)快速冷卻時，粗大的奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮鸟R氏體。馬氏體是一種脆硬組織，發(fā)生斷裂時將消耗較低的能量，因此，焊接接頭有馬氏體存在時，導(dǎo)致接頭的塑性和韌性大大下降，裂紋易于形成和擴(kuò)展。其次，在焊接過程中，由于鋼質(zhì)焊件的厚度都很大，焊接接頭存在較大的拘束應(yīng)力，如果拘束應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)接頭的臨界應(yīng)力，就會產(chǎn)生裂紋。

上述鋼種裂紋敏感性強(qiáng)，焊接過程中的焊接性能極差，在焊接時容易出現(xiàn)熱裂紋和冷裂紋。目前，焊前必須預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在80～150℃。多層多道焊時，第一道焊采用小直徑焊條，小電流焊接。焊后立即將工件放入加熱爐中，在200-250℃進(jìn)行保溫，消除應(yīng)力退火。

真空電子束焊接屬于高能束流焊接的一種，由于具有熱輸入小、能量集中、焊深焊寬比大，同時造成材料熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在諸多領(lǐng)域的材料和構(gòu)件連接上獲得了應(yīng)用。但由于真空電子束焊接是在工件焊縫處通過高速電子流撞擊母材使材料迅速熔化而達(dá)到焊接的目的。相比傳統(tǒng)焊接方法，其焊縫處母材的熔化和冷卻速度更快，電子束焊接時的快速熱循環(huán)使接頭形成的組織不同于母材，并且容易造成較大的熱致應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋敏感性鋼種的焊接接頭極易形成裂紋，制約了該類鋼在工程實(shí)際中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對上述焊接裂紋敏感性鋼種，特別是采用其他焊接方法或自熔性真空電子束焊接方法無法達(dá)到焊后無裂紋效果的鋼種，本發(fā)明通過在初始焊件中預(yù)埋低碳焊絲，在真空環(huán)境下，將兩塊連鑄板坯(或厚鋼板)疊放并采用電子束焊接在一起，再用于后續(xù)軋鋼生產(chǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種預(yù)埋焊絲的真空電子束焊接方法，按照下述步驟進(jìn)行：

步驟1，將寬度和長度相同的兩塊裂紋敏感性鋼為原料，在兩者相對的接觸面上分別設(shè)置位置對應(yīng)的第一凹槽和第二凹槽，在兩塊原料上下設(shè)置時，以使第一凹槽和第二凹槽共同組成內(nèi)腔室并在內(nèi)腔室中設(shè)置焊絲；第一凹槽和第二凹槽分別沿各自裂紋敏感性鋼的四周設(shè)置，由水平部和豎直部組成以形成凹槽環(huán)路，以使焊絲在凹槽環(huán)路中彼此接觸形成焊絲環(huán)路；內(nèi)腔室由內(nèi)腔室豎直部和內(nèi)腔室水平部組成，在內(nèi)腔室豎直部內(nèi)上下設(shè)置兩個焊絲，在內(nèi)腔室水平部內(nèi)左右設(shè)置兩個焊絲。

在步驟1中，選擇裂紋敏感性鋼為原料，裂紋敏感性鋼的成分中按照重量百分比含有C0.081-0.126％，或Cr0.14-3.63％，或Mo0.11-1.4％，或Ni0.12-1.13％，或B0.0011-0.004％，換算為碳當(dāng)量Ceq 0.39％≤Ceq≤0.96％，焊接裂紋敏感性指數(shù)0.20％≤Pcm≤0.33％。

在步驟1中，焊絲為低碳焊絲，成分和含量如下C 0.012-0.049％，Mn 0.26-0.58％，Cr≤0.036％，Mo≤0.028％，Ni≤0.031％，B≤0.0008％，H≤1.0PPm，其余為鐵。

在步驟1中，分別對兩塊裂紋敏感性鋼進(jìn)行銑削清理，表面不得有油污、鐵屑等雜質(zhì)。

在步驟1中，在兩塊裂紋敏感性鋼的相對接觸面上鏜銑出凹槽，然后使用酒精(丙酮或四氯化碳)對所有新鮮金屬面進(jìn)行表面清洗、風(fēng)干。

在步驟1中，待焊絲填充滿內(nèi)腔室后，使用手工電弧焊進(jìn)行點(diǎn)焊固定，并將焊點(diǎn)打磨平整。

在步驟1中，內(nèi)腔室豎直部到原料邊緣棱線的距離為15—30mm，優(yōu)選20—25mm，以防止電子束焊接時熔液飛濺。

在步驟1中，以第一凹槽為例，第一凹槽的深度H＝第一凹槽的第一深度H₁+第一凹槽的第二深度H₂，第一凹槽的寬度L₀＝第一凹槽的第一寬度L₁+第一凹槽的第二寬度L₂，第一凹槽的深度為2-4mm，第一凹槽的寬度為5.8-12mm，第一凹槽深度和第二凹槽深度相等，第一凹槽寬度和第二凹槽寬度相等。

步驟2，將兩塊原料上下設(shè)置，保證四邊平齊，然后平移進(jìn)真空室，關(guān)閉密封面，抽真空至8.5×10^-4Pa-1×10^-3Pa

在步驟2中，兩塊原料的結(jié)合面間隙0.4-0.63mm，錯邊量≤0.47mm

步驟3，進(jìn)行真空電子束深熔深焊接，完成兩塊坯料四邊間隙的密封焊接，完成焊接后繼續(xù)保真空10—30min后，再破真空運(yùn)出坯料，焊接電壓70-80KV，焊接電流為180-260mA，焊接速度為186-252mm/min，掃描幅值1.4—1.8mm，如附圖1所示，電子束在焊縫所在平面的X軸方向的掃描擺幅與電子束在焊縫所在平面的Y軸方向的掃描擺幅相等，沿X軸方向的掃描擺幅為電子束的左右擺幅，沿Y軸方向的掃描擺幅為電子束的前后擺幅。

在步驟3中，焊接電壓70-75KV，焊接電流為200-240mA，焊接速度為200-220mm/min，掃描幅值1.5—1.8mm。

在本法明的技術(shù)方案中，通過添加低碳焊絲，在進(jìn)行電子束焊接時不僅母材進(jìn)行焊接，設(shè)置的焊絲也參與焊接過程中，微調(diào)熔池化學(xué)成分，避開包晶反應(yīng)區(qū)，降低母材的焊接裂紋敏感性。與自熔性電子束焊接相比,不但可以保持其高能量密度、高熔透性、焊接變形區(qū)小、易于控制、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，還可以顯著降低對接焊接時的裝配精度，改善焊縫成形，提高接頭的力學(xué)性能，從而大大擴(kuò)展了真空電子束焊接的應(yīng)用范圍。

采用本發(fā)明的技術(shù)方案一方面是可以改變焊縫的化學(xué)成分，避開包晶反應(yīng)區(qū)間，稀釋焊縫區(qū)域淬透性元素的含量，降低碳當(dāng)量和焊接裂紋敏感性指數(shù)，提高鋼的焊接性；另一方面預(yù)埋焊絲的熔入對焊縫的組織也有一定的改善；同時，電子束對熔池的攪拌作用使得元素分布更加均勻。最終降低焊縫的裂紋敏感性，改善了焊縫韌性，接頭強(qiáng)塑性大幅度提高，取得了自熔性真空電子束焊接方法無法實(shí)現(xiàn)焊接裂紋敏感性高的鋼種焊后無裂紋的效果。該方法焊接后的特厚板坯無裂紋出現(xiàn)，工藝簡單、工期短、適合工業(yè)大生產(chǎn)，能產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

附圖說明

圖1本發(fā)明預(yù)埋絲真空電子束焊接示意圖，其中1—待加工部件(即連鑄坯料或者厚鋼板)，2—電子束，3—焊縫，4—真空室。

圖2是本發(fā)明中凹槽結(jié)構(gòu)及焊絲預(yù)埋方式示意圖(沿圖1中A—A方向的視圖)，其中1為待加工部件，5—焊后熔合線，6為焊絲，7—1為第一凹槽，7—2為第二凹槽，8為內(nèi)腔室，9為上下兩塊待加工部件的接觸面，H表示第一凹槽(或者第二凹槽)的深度，L₀表示第一凹槽(或者第二凹槽)的寬度，L為第一凹槽(或者第二凹槽)到待加工部件側(cè)邊的距離，L₁為第一(或者第二)凹槽的第一寬度，L₂為第一(或者第二)凹槽的第二寬度，H₁為第一(或者第二)凹槽的第一深度，H₂為第一(或者第二)凹槽的第二深度。

圖3是本發(fā)明中待加工部件的接觸面的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1為待加工部件，10為沿水平方向(x方向)的第一凹槽，11為沿豎直方向(y方向)的第一凹槽。

圖4是本發(fā)明中在上下兩個待加工部件之間，由第一凹槽和第二凹槽組成的內(nèi)腔室結(jié)構(gòu)示意圖，其中8-1為內(nèi)腔室的豎直部，8-2為內(nèi)腔室的水平部，9為上下兩塊待加工部件的接觸面。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。使用的鋼材為山東鋼鐵集團(tuán)有限公司生產(chǎn)。

實(shí)施例1

本實(shí)施例采用兩塊270mm×2100mm×4100mm(厚×寬×長)EH36連鑄坯，經(jīng)真空電子束焊接，制備534±2mm×2100mm×4100mm(厚×寬×長)EH36復(fù)合坯料，用于軋制生產(chǎn)特厚鋼板。

所述EH36連鑄坯的化學(xué)成分按重量百分比為：C 0.11％，Si 0.28％，Mn 1.46％，P0.011％，S 0.002％，Cu 0.12％，Ni 0.25％，V 0.059％，Nb 0.042％，Ti 0.018％，Als 0.27％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。

所述一種預(yù)埋絲真空電子束焊接方法，包括以下步驟：

(1)以寬度和長度相同的兩塊EH36連鑄板坯(或厚鋼板)為原料，分別對兩塊連鑄板坯(或厚鋼板)上表面(或下表面)進(jìn)行銑削清理，表面不得有油污、鐵屑等；

(2)分別在兩塊EH36連鑄坯料已銑削面的四周，沿厚度方向鏜銑出階梯狀凹槽，凹槽結(jié)構(gòu)如附圖2所示，其中凹槽起始邊到坯料四邊棱線的距離L＝17mm，凹槽寬度L₀＝5.8mm、L₁＝2mm、L₂＝3.74mm，凹槽深度H＝2mm、H₁＝H₂＝1mm；然后使用酒精(丙酮或四氯化碳)對所有新鮮金屬面進(jìn)行表面清洗、風(fēng)干。

(3)在坯料階梯狀凹槽內(nèi)埋入焊絲，直至填滿為止，所述焊絲主要成分含量：C 0.014％，Mn0.32％，Cr≤0.031％，Mo≤0.024％，Ni≤0.029％，B≤0.0007％，H≤1.0PPm。接著用手工電弧焊進(jìn)行點(diǎn)焊固定，并將焊點(diǎn)打磨平整。

(4)將其中一塊EH36連鑄坯料(或厚鋼板)清理面向上平置，然后將另一塊EH36坯料清理面向下疊放在第一塊坯料上面，保證四邊平齊,然后平移進(jìn)真空室，關(guān)閉密封面，抽真空，直至真空度達(dá)到7.3×10^-3Pa。

(5)進(jìn)行真空電子束深熔深焊接，其焊接電壓75KV，焊接電流為233mA，焊接速度為192mm/min，掃描幅值1.51mm，完成兩塊EH36坯料四邊間隙的密封焊接。焊接完成后繼續(xù)保真空23min，再破真空運(yùn)出坯料至加熱爐。

采用本發(fā)明完成了兩塊270mm×2100mm×4100mm(厚×寬×長)EH36連鑄坯的預(yù)埋絲真空電子束焊接，制成了534±2mm×2100mm×4100mm(厚×寬×長)EH36復(fù)合坯料，通過添加低碳焊絲，避開了包晶反應(yīng)區(qū)，降低了焊縫的裂紋敏感性，改善了焊縫韌性，接頭強(qiáng)塑性大幅度提高，解決了自熔性真空電子束焊接方法焊后開裂問題。經(jīng)檢測，焊縫質(zhì)量滿足GJB 1718-2005I級要求，EH36復(fù)合坯料軋制特厚鋼板過程中坯料未開裂，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

實(shí)施例2

本實(shí)施例采用兩塊300mm×2200mm×3900mm(厚×寬×長)12Cr2Mo1R連鑄坯料，經(jīng)真空電子束焊接，制備592±4mm×2200mm×3900mm(厚×寬×長)12Cr2Mo1R復(fù)合坯料，用于軋制生產(chǎn)特厚鋼板。

所述12Cr2Mo1R連鑄坯的化學(xué)成分按重量百分比為：C 0.10％，Si 0.23％，Mn 0.51％，P 0.0051％，S 0.0023％，Cr 2.32％，Mo 0.97％，Als 0.22％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。

所述一種預(yù)埋絲真空電子束焊接方法，包括以下步驟：

(1)以寬度和長度相同的兩塊12Cr2Mo1R連鑄板坯(或厚鋼板)為原料，分別對兩塊連鑄板坯(或厚鋼板)上表面(或下表面)進(jìn)行銑削清理，表面不得有油污、鐵屑等；

(2)分別在兩塊12Cr2Mo1R連鑄坯料已銑削面的四周，沿厚度方向鏜銑出階梯狀凹槽，凹槽結(jié)構(gòu)如附圖2所示，其中凹槽起始邊到坯料四邊棱線的距離L＝19mm，凹槽寬度L₀＝11.5mm、L₁＝4mm、L₂＝7.5mm，凹槽深度H＝4mm、H₁＝H₂＝2mm；然后使用酒精(丙酮或四氯化碳)對所有新鮮金屬面進(jìn)行表面清洗、風(fēng)干。

(3)在坯料階梯狀凹槽內(nèi)埋入焊絲，直至填滿為止，所述焊絲主要成分含量：C 0.013％，Mn0.33％，Cr≤0.034％，Mo≤0.027％，Ni≤0.028％，B≤0.0006％，H≤0.8PPm。接著用手工電弧焊進(jìn)行點(diǎn)焊固定，并將焊點(diǎn)打磨平整。

(4)將其中一塊12Cr2Mo1R連鑄坯料(或厚鋼板)清理面向上平置，然后將另一塊12Cr2Mo1R坯料清理面向下疊放在第一塊坯料上面，保證四邊平齊,然后平移進(jìn)真空室，關(guān)閉密封面，抽真空，直至真空度達(dá)到1.7×10^-4Pa。

(5)進(jìn)行真空電子束深熔深焊接，其焊接電壓80KV，焊接電流為257mA，焊接速度為201mm/min，掃描幅值1.63mm，完成兩塊12Cr2Mo1R坯料四邊間隙的密封焊接。焊接完成后繼續(xù)保真空27min，再破真空運(yùn)出坯料至加熱爐。

采用本發(fā)明完成了兩塊300mm×2200mm×3900mm(厚×寬×長)12Cr2Mo1R連鑄坯的預(yù)埋絲真空電子束焊接，制成了592±4mm×2200mm×3900mm(厚×寬×長)12Cr2Mo1R復(fù)合坯料，通過添加低碳焊絲，避開了包晶反應(yīng)區(qū)，降低了焊縫的裂紋敏感性，改善了焊縫韌性，接頭強(qiáng)塑性大幅度提高，解決了自熔性真空電子束焊接方法焊后開裂問題。經(jīng)檢測，焊縫質(zhì)量滿足GJB 1718-2005I級要求，12Cr2Mo1R復(fù)合坯料軋制特厚鋼板過程中坯料未開裂，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

實(shí)施例3

本實(shí)施例采用兩塊250mm×1820mm×2900mm(厚×寬×長)Q890D坯料，經(jīng)真空電子束焊接，制備494±3mm×1820mm×2900mm(厚×寬×長)Q890D復(fù)合坯料，用于軋制生產(chǎn)特厚鋼板。

所述Q890D連鑄坯的化學(xué)成分按重量百分比為：C 0.09％，Si 0.25％，Mn 1.68％，P 0.0012％，S 0.0031％，Cr 0.44％，Mo 0.47％，Ni 0.49，V 0.053，Nb 0.027，Ti 0.023，B 0.002％，Als 0.26％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。

所述一種預(yù)埋絲真空電子束焊接方法，包括以下步驟：

(1)以寬度和長度相同的兩塊Q890D連鑄板坯(或厚鋼板)為原料，分別對兩塊連鑄板坯(或厚鋼板)上表面(或下表面)進(jìn)行銑削清理，表面不得有油污、鐵屑等；

(2)分別在兩塊Q890D連鑄坯料已銑削面的四周，沿厚度方向鏜銑出階梯狀凹槽，凹槽結(jié)構(gòu)如附圖2所示，其中凹槽起始邊到坯料四邊棱線的距離L＝22mm，凹槽寬度L₀＝11.5mm、L₁＝4mm、L₂＝7.5mm，凹槽深度H＝4mm、H₁＝H₂＝2mm；然后使用酒精(丙酮或四氯化碳)對所有新鮮金屬面進(jìn)行表面清洗、風(fēng)干。

(3)在坯料階梯狀凹槽內(nèi)埋入焊絲，直至填滿為止，所述焊絲主要成分含量：C 0.016％，Mn0.29％，Cr≤0.022％，Mo≤0.016％，Ni≤0.019％，B≤0.0004％，H≤0.9PPm。接著用手工電弧焊進(jìn)行點(diǎn)焊固定，并將焊點(diǎn)打磨平整。

(4)將其中一塊Q890D連鑄坯料(或厚鋼板)清理面向上平置，然后將另一塊Q890D坯料清理面向下疊放在第一塊坯料上面，保證四邊平齊,然后平移進(jìn)真空室，關(guān)閉密封面，抽真空，直至真空度達(dá)到3.4×10^-4Pa。

(5)進(jìn)行真空電子束深熔深焊接，其焊接電壓78KV，焊接電流為249mA，焊接速度為239mm/min，掃描幅值1.48mm，完成兩塊Q890D坯料四邊間隙的密封焊接。焊接完成后繼續(xù)保真空28min，再破真空運(yùn)出坯料至加熱爐。

采用本發(fā)明完成了兩塊250mm×1820mm×2900mm(厚×寬×長)Q890D連鑄坯的預(yù)埋絲真空電子束焊接，制成了494±3mm×1820mm×2900mm(厚×寬×長)Q890D復(fù)合坯料，通過添加低碳焊絲，避開了包晶反應(yīng)區(qū)，降低了焊縫的裂紋敏感性，改善了焊縫韌性，接頭強(qiáng)塑性大幅度提高，解決了自熔性真空電子束焊接方法焊后開裂問題。經(jīng)檢測，焊縫質(zhì)量滿足GJB 1718-2005I級要求，Q890D復(fù)合坯料軋制特厚鋼板過程中坯料未開裂，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

依照本發(fā)明內(nèi)容記載的方案進(jìn)行工藝參數(shù)的調(diào)整，均可實(shí)現(xiàn)針對裂紋敏感性鋼的有效焊接連接，且焊縫質(zhì)量滿足GJB 1718-2005I級要求(對焊縫接頭取樣并進(jìn)行強(qiáng)度檢測，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T228金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試)，兩塊坯料復(fù)合后進(jìn)行軋制中不出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

以上對本發(fā)明做了示例性的描述，應(yīng)該說明的是，在不脫離本發(fā)明的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠不花費(fèi)創(chuàng)造性勞動的等同替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。