一种焊接热循环曲线的测定方法及其装置与流程

本发明涉及焊接领域，特别是涉及一种焊接热循环曲线的测定方法及其装置。

背景技术：

焊接热循环能够对组织和性能产生影响，主要参数有加热速度(ωh)、加热的最高温度(tm)、在相变温度以上停留的时(th)、冷却速度(ωc)和冷却时间(t8/5、t8/3、t100)。掌握了焊接热循环，能够明确焊接接头的受热作用，对于进一步掌握应力变形、接头组织和力学性能十分重要，是提高焊接质量的重要途径之一。

如何快速准确的测量厚板焊接热循环曲线尤为重要，厚板焊接热循环曲线的测定除了能够为其他模拟试验提供数据支持，还能够对厚板焊接热循环分布有整体的掌握，提高厚板产品的焊接质量。现有的焊接热循环的测定方法，大体上可分为接触式和非接触式两种。非接触式一般利用红外测温及成像技术，由于采用红外测温成像技术，其测量高温熔池以及白亮区域数值存在一定偏差；接触式一般采用热电偶进行，通过温度差产生的热电势进行测量，采用接触式在测量厚板焊接热循环过程中，目前大多数采用背面开槽的方式点焊热电偶，由于厚板板厚较厚，存在开槽深度精度不够和热电偶定位差的问题，导致测量精度和准确度受到一定的影响。

申请公布号为cn104267061a的中国专利公开了一种测定钢板焊接热循环温度曲线的方法及装置，使用待测钢板制作楔形板和引弧板，然后将热电偶丝的端部焊在一起，用高温胶水粘贴于楔形板测量面的指定位置，将引弧板和楔形板电焊固定，并按设定的焊接规范参数在焊接面从引弧板开始向楔形板方向进行焊接，但是此方法改变了钢板的散热条件，并且实际上的焊接热影响区并不是成楔形均匀分布，热电偶的测量点并不能准确的反映出焊接热影响区的准确温度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种焊接热循环曲线的测定方法及其装置，以解决上述现有技术存在的问题，先在板材表面进行单道焊接，解剖焊道横截面，再通过测量获得焊道横截面的高度参数，以此来确定热电偶的布置位置，从而能够将热电偶精确布置在焊接热影响区的各区内，进而准确的测得焊接热循环曲线。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种焊接热循环曲线的测定方法，包括以下步骤：

(1)在板材表面进行单道焊接，解剖焊道横截面，所述焊道横截面包括焊缝和热影响区，以所述板材的表面为基准测量所述焊缝和所述热影响区各区的横截面高度；

(2)准备与所述板材相同材质的测量试板，在所述测量试板上加工多排多列沉头孔，并用相同材质加工多个与所述沉头孔配合的沉头圆柱，所述沉头圆柱的高度根据所述焊缝和所述热影响区各区的横截面高度进行确定；

(3)先将不同高度的所述沉头圆柱与热电偶连接，再按顺序镶嵌在对应的所述沉头孔内；

(4)对所述测量试板进行焊接，焊接方向与所述热电偶的排列方向一致，记录所述热电偶测得的温度数据；

(5)根据所述温度数据整理得到各所述热影响区的热循环曲线。

优选地，所述热影响区包括过热区、正火区和不完全正火区，步骤(2)中确定所述沉头圆柱的高度时，以所述焊缝的横截面高度为所述沉头圆柱的高度的最小值，以不完全正火区的横截面高度为所述沉头圆柱的高度的最大值，中间值阶梯布置，且包括过热区、正火区和不完全正火区的横截面高度中心值。

优选地，步骤(2)中所述沉头孔垂直于所述测量试板，且每排所述沉头孔和每列所述沉头孔均成直线排布。

优选地，步骤(3)中将所述热电偶的热电偶线穿过所述沉头孔，并将所述热电偶线点焊在所述沉头圆柱的下端面，然后将所述沉头圆柱镶嵌在所述沉头孔内，所述沉头圆柱的上表面与所述测量试板的上表面齐平。

优选地，步骤(4)中根据各所述热影响区的位置情况调整电弧中心与所述热电偶的距离。

优选地，过热区的温度值为(1100-1350)℃、正火区的温度值为(ac3-1100)℃、不完全正火区的温度值为(ac1-ac3)℃；

其中，ac1为奥氏体开始转化温度，根据如下公式进行计算：

ac1(℃)＝723-26si+20cr+8w+16mo+55v-14cu-12mn-18ni

ac3为铁素体完全转化为奥氏体温度，根据含c量不同分别使用如下公式进行计算：

含碳量c≤0.4％时，ac3温度值计算：

ac3(℃)＝910-320c-14ni-12cu-10mn+5cr+14mo+18si+7w+5v

含碳量c≥0.4％时，ac3温度值计算：

ac3(℃)＝782-150(c-0.4)-14ni-12cu-10mn+5cr+14mo+18si+7w+5v

根据计算得到的各热影响区的温度值验证试验得到的温度值，获得焊接热循环曲线。

本发明还提供一种焊接热循环曲线的测定装置，包括测量试板和沉头圆柱，所述测量试板上加工有多排多列沉头孔，所述沉头圆柱镶嵌在所述沉头孔内，所述沉头圆柱的高度根据焊缝的横截面高度和热影响区中对应的横截面高度进行确定，所述沉头圆柱的下端面连接有热电偶，所述热电偶与多路温度记录仪电连接。

优选地，所述测量试板和所述沉头圆柱的上下表面分别打磨光滑，所述沉头圆柱的上表面与所述测量试板的上表面齐平。

优选地，所述沉头孔的沉头直径为5mm，沉头深度为2mm，通孔直径为3mm；所述沉头圆柱的沉头直径为5mm，沉头高度为2mm。

优选地，所述沉头孔排与排之间的孔中心距为20mm，列与列之间的孔中心距为20mm。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明先在板材表面进行单道焊接，解剖焊道横截面，再通过测量获得焊道横截面的高度参数，以此来确定热电偶的布置位置，从而能够将热电偶精确布置在焊接热影响区的各区内，进而准确的测得焊接热循环曲线；

(2)本发明以沉头圆柱固定热电偶的位置，能够精确的加工沉头圆柱的高度，从而准确的对热电偶的位置进行定位，避免了开槽、打孔等方式确定热电偶的深度所带来的精度不够和热电偶定位差等问题；

(3)本发明以焊缝的横截面高度为沉头圆柱的高度的最小值，以不完全正火区的横截面高度为沉头圆柱的高度的最大值，中间值阶梯布置，且包括过热区、正火区和不完全正火区的横截面高度中心值，从而能提供一种合理的热电偶的布置方式，能够进一步的准确的测量出热影响区各区的温度变化数值；

(4)本发明在将热电偶与沉头圆柱焊接时，先将热电偶的热电偶线穿过沉头孔，再将热电偶线点焊在沉头圆柱的下端面，能够保证焊接的牢固性，并降低在深孔或深槽内焊接的难度，同时，保证焊接位置的精准性；

(5)本发明在焊接的测量过程中，根据各热影响区的位置情况调整电弧中心与热电偶的距离，也就是充分考虑解剖的横截面结构，确定焊道的走向和位置，能够进一步的保证热电偶位置布置的准确性；

(6)本发明利用公式计算得到各热影响区的温度值区间，再根据计算得到的各热影响区的温度值区间验证试验得到的温度值，排除不合理的数据，从而能够避免测定过程中由于热电偶焊接不稳定、焊接位置偏移等因素导致的数据偏差，进而获得更准确的焊接热循环曲线。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明连线示意图；

图2为本发明测量试板及其沉头孔结构示意图；

图3为图2的a-a剖视图；

图4为本发明沉头圆柱结构示意图；

图5为采用本发明实测的一组焊接热循环曲线图；

其中，1、测量试板；2、沉头孔；3、沉头圆柱；4、多路温度记录仪；5、热电偶线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种焊接热循环曲线的测定方法及其装置，以解决现有技术存在的问题，先在板材表面进行单道焊接，解剖焊道横截面，再通过测量获得焊道横截面的高度参数，以此来确定热电偶的布置位置，从而能够将热电偶精确布置在焊接热影响区的各区内，进而准确的测得焊接热循环曲线。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种焊接热循环曲线的测定方法，参考图1-4，包括以下步骤：

(1)准备与测量试板1材料、厚度均相同的板材，幅面大小可以与测量试板1不同，然后在板材表面进行单道焊接，具体焊接时采用的焊接参数也应当与测试时采用的焊接参数保持一致。待焊接完成后解剖焊道横截面，在解剖时可以采用锯切的方式，优选采用线切割的加工方式；焊道横截面包括焊缝和热影响区，其中，焊缝指的是焊道的中心走向，热影响区可以根据经验进行划分，以板材的表面为基准测量焊缝和热影响区各区的横截面高度，并进行记录。

(2)在测量试板1上加工多排多列沉头孔2，需要说明的是，沉头孔2应是通透的，各排和各列上的沉头孔2规格相同，可以排成直线、间距相等，能够方便进行加工。同时，采用与测量试板1相同的材质加工多个与沉头孔2配合的沉头圆柱3，沉头圆柱3的沉头大小与沉头孔2的沉头大小相等，但是，沉头圆柱3的高度要小于沉头孔2的深度；具体的，沉头圆柱3的高度根据焊缝和热影响区各区的横截面高度进行确定，也就是说，沉头圆柱3的高度是与步骤(1)中测量的焊缝和热影响区的横截面高度相关联的。需要注意的是，加工沉头孔2和加工沉头圆柱3不存在先后顺序，可以先加工其中任一种，也可以同时加工。

(3)将不同高度的沉头圆柱3按顺序镶嵌在沉头孔2内并分别与热电偶连接，此处所说的顺序应当理解为按照步骤(1)的横截面的结构所得来的顺序，也就是说，在镶嵌沉头圆柱3后，各沉头圆柱3的下端面应当落入到焊缝或各热影响区的范围内。由于沉头圆柱3的下端面焊接有热电偶，也就相当于将热电偶安放在了焊缝和热影响区内部的相应测量位置上，从而能够更准确的测得焊接热循环曲线。另外，本发明采用沉头圆柱3固定热电偶的方式，一般的，沉头圆柱3的高度尺寸能够加工的更加精确，从而能够准确的对热电偶的位置进行定位，避免了现有技术中采用开槽、打孔等方式确定热电偶的深度所带来的精度不够和热电偶定位差等问题。

(4)对测量试板1进行焊接，焊接时在测量试板1的表面进行，因为在步骤(3)中热电偶在沉头圆柱3的下端面按顺序进行了布置，此时，已经能够得出焊接方向的路径，按照该路径进行焊接即可，也就是说，焊接方向与步骤(3)中热电偶的排列方向一致。在整个焊接过程中记录热电偶测得的温度数据，记录数据时可以将热电偶通过热电偶线5连接在多路温度记录仪4上，依靠多路温度记录仪4进行记录。

(5)根据温度数据整理得到各热影响区的热循环曲线，需要说明的是，测量试板1上的沉头孔2和沉头圆柱3成多排多列分布，而焊道又延续一段长度，也就是说，测量结束后可以得到多个横截面的温度数据，根据经验排出一些误差较大的数据，即可以得到最终的数据，根据相关数据绘制成热循环曲线。

热影响区包括过热区、正火区和不完全正火区，其中的界限和划分是本领域的公知常识，具体如何划分各热影响区此处不再赘述。步骤(2)中确定沉头圆柱3的高度时，由于焊接热量是以焊缝为中心向四周逐渐散发的，由焊缝向四周依次是过热区、正火区和不完全正火区，因此，可以以焊缝的横截面高度为沉头圆柱3的高度的最小值，以不完全正火区的横截面高度为沉头圆柱3的高度的最大值，中间值阶梯布置，且包括过热区、正火区和不完全正火区的横截面高度中心值。

步骤(2)中可以将沉头孔2垂直于测量试板1，由于测量试板1为平板，则沉头孔2会垂直于测量试板1的上表面，在测量时，直接以测量试板1的上表面作为基准来镶嵌沉头圆柱3，能够与步骤(1)中获得的焊缝和热影响区各区的横截面高度尺寸保持一致，进而能够将热电偶放置在准确的位置获得更精确的数据。由于每个沉头孔2尺寸规格统一，且均垂直于测量试板1，每排沉头孔2和每列沉头孔2均成直线排布，因此，在测量试板1上加工沉头孔2时能够使得工艺简单、加工便捷。

步骤(3)中在安装热电偶和沉头圆柱3时，可以先将热电偶的热电偶线5穿过沉头孔2，再将热电偶线5点焊在沉头圆柱3的下端面，然后将沉头圆柱3镶嵌在沉头孔2内，而不是在镶嵌沉头圆柱3后再将热电偶线5焊接在沉头圆柱3上，能够保证焊接的牢固性，并降低在深孔内焊接的难度，同时，保证焊接位置的精准性。需要说明的是，沉头圆柱3在镶嵌在沉头孔2内后，沉头圆柱3的上表面与测量试板1的上表面齐平，从而在保证沉头圆柱3的加工精度的前提下，能够保证热电偶放置位置的准确性。

步骤(4)中根据各热影响区的位置情况调整电弧中心与热电偶的距离，也就是充分考虑解剖的横截面结构，确定焊道的走向和位置，能够进一步的保证热电偶位置布置的准确性。

焊接热影响区各区的温度值为：过热区的温度值为(1100-1350)℃、正火区的温度值为(ac3-1100)℃、不完全正火区的温度值为(ac1-ac3)℃；

其中，ac1为奥氏体开始转化温度，根据如下公式进行计算：

ac1(℃)＝723-26si+20cr+8w+16mo+55v-14cu-12mn-18ni

ac3为铁素体完全转化为奥氏体温度，根据含c量不同分别使用如下公式进行计算：

含碳量c≤0.4％时，ac3温度值计算：

ac3(℃)＝910-320c-14ni-12cu-10mn+5cr+14mo+18si+7w+5v

含碳量c≥0.4％时，ac3温度值计算：

ac3(℃)＝782-150(c-0.4)-14ni-12cu-10mn+5cr+14mo+18si+7w+5v

上述公式中，将各元素用该元素在材料中的百分比含量数值进行替换后即可进行数值计算，而每种元素的含量百分比可以根据已有设备或方法进行测算，为已知的现有技术。

根据公式计算得到各热影响区的温度值区间，再根据计算得到的各热影响区的温度值区间验证试验得到的温度值，排除不合理的数据，从而能够避免测定过程中由于热电偶焊接不稳定、焊接位置偏移等因素导致的数据偏差，进而获得更准确的焊接热循环曲线。

本发明还提供一种焊接热循环曲线的测定装置，可以应用前文所记载的测定方法，如图1-4所示，包括测量试板1和多个沉头圆柱3，测量试板1上加工有多排多列沉头孔2，沉头孔2应是通透的，各排和各列上的沉头孔2规格相同，可以排成直线、间距相等，能够方便进行加工。沉头圆柱3采用的材料与测量试板1的材料相同，沉头圆柱3的沉头大小与沉头孔2的沉头大小相等，沉头圆柱3镶嵌在沉头孔2内，沉头圆柱3的上表面与测量试板1的上表面平齐。沉头圆柱3的高度根据焊缝的横截面高度和热影响区中对应的横截面高度进行确定，也就是说，沉头圆柱3的高度在确认之前要先采用另一块板材进行一道次焊接并进行解剖，以获得焊缝的横截面高度和热影响区中对应的横截面高度等相关数值。沉头圆柱3的下端面连接有热电偶，热电偶与多路温度记录仪4通过热电偶线5进行电连接。因此，在镶嵌沉头圆柱3后，各沉头圆柱3的下端面会落入到焊缝或各热影响区的范围内。由于沉头圆柱3的下端面焊接有热电偶，也就相当于将热电偶安放在了焊缝和热影响区内部的相应测量位置上，从而能够更准确的测得焊接热循环曲线。

测量试板1和沉头圆柱3的上下表面分别打磨光滑，能够去除尖角毛刺的影响，保证最终的测定结果的准确性。沉头圆柱3的上表面与测量试板1的上表面齐平，能够在保证沉头圆柱3的加工精度的前提下，能够保证热电偶放置位置的准确性。

沉头孔2的尺寸参数可以为：沉头直径为5mm，沉头深度为2mm，通孔直径为3mm；沉头圆柱3的尺寸参数可以为：沉头直径为5mm，沉头高度为2mm。

沉头孔2排与排之间的孔中心距可以为20mm，列与列之间的孔中心距可以为20mm。

本发明还提供一具体的实施例，进行40mm厚钢板焊接热循环曲线的测定：

先确定焊接热影响区各区间温度，同时通过公式计算得出ac1为706℃，ac3为890℃，由此可知过热区温度为1100℃-1350℃、正火区温度为890℃-1100℃，不完全正火区温度为706℃-890℃；

然后进行焊道横截面的测量，解剖焊道横截面得到整个横截面的焊缝及热影响区各区的高度值，本次测得焊缝横截面最低点高度为7.8mm，热影响区最低点高度为8.5mm。

加工测量试板1上的沉头孔2以及沉头圆柱3，其中，沉头圆柱3的高度依照焊道横截面的测量尺寸进行确定，确定出沉头圆柱3的高度为7.8mm、8.0mm、8.2mm、8.4mm、8.6mm，每种规格加工8件。

再将热电偶线5穿过钢板上的沉头孔2与沉头圆柱3进行连接，连接时采用储能点焊机进行焊接，将测量试件1放置在工作台上，调整好焊接方向，打开多路温度记录仪4，检查热电偶线5是否均连接牢固，将不牢固进行重新连接，待全部连接牢固后开始焊接，进行焊接热循环曲线的测量。

根据温度数值和所在热影响区，绘制出焊接热循环曲线(如图5所示)。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。