随焊加速冷却的焊接方法及装置与流程

本发明涉及焊接制造领域，特别涉及一种能够在焊接结构制造中改善焊缝及热影响区金相组织、晶粒度、力学性能的随焊加速冷却的焊接方法及装置。

背景技术：

焊接结构是用焊接方法制造的部件或构件。焊接接头是由焊缝、熔合区、热影响区和母材金属组成的整体，焊件在热能的作用下熔化形成熔池，热源离开熔池后，熔化金属(熔池里的母材金属和填充金属)冷却并结晶，与母材连成一体，即形成焊接接头。

焊接接头的力学性能由焊缝金属及热影响区金属的金相组织决定。焊接冶金过程(熔化过程)和热过程(加热到冷却过程)同时影响着焊缝及其热影响区金属的金相组织和力学性能。

然而，在日常的焊接生产中，板厚、坡口尺寸、母材化学成分、焊接方法、焊接工艺参数、焊丝化学成分、环境温度等确定的条件下，为改善焊接接头性能而降低焊接线能量数值是非常有限的。通常情况下，焊缝及热影响区的冷却速度是由焊接接头固有的散热速度决定的，为了保证焊接生产速度，一般焊接生产中也不会特意采取措施控制和改变冷却速度。也就是说通常在一种产品的焊接生产中，焊接线能量、冷却速度这两个决定焊缝和热影响区组织性能的参数都是基本不变的，这样就达不到改善焊缝和热影响区组织性能的目的。

技术实现要素：

为了解决现有技术焊接生产中无法达到改善焊缝和热影响区组织性能的问题，本发明实施例提供了一种随焊加速冷却的焊接方法及装置，该方法及装置在不牺牲焊缝质量、焊接生产速度的条件下，实现了在大线能量高速焊接工艺中改善焊缝及热影响区金相组织、细化晶粒，改善热影响区脆化、软化问题的目的。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种随焊加速冷却的焊接方法，所述方法是在焊接过程中对焊缝和热影响区或母材局部区域进行加速冷却，以改善焊接接头的金相组织和力学性能。

具体地，所述方法具体是在焊接熔池两侧或后面跟随同步运动的冷却装置，通过所述冷却装置将冷却介质喷射至处于高温状态的焊缝及热影响区或母材局部区域。

进一步地，所述方法还包括将冷却介质喷射后形成的水和/或汽抽除的步骤。

具体地，所述冷却介质为水、液氮或液态二氧化碳。

另一方面，提供了一种随焊加速冷却的装置，安装在焊机机头上，所述装置通过连接件安装在所述焊机机头上，所述装置跟随所述焊机机头同步运动，所述装置包括驱动连接部、夹持调节部、喷头、介质输送部及吸附部，

所述驱动连接部与所述焊机机头相连，所述驱动连接部用于驱动所述喷头直线移动，

所述夹持调节部与所述驱动连接部相连并相对所述驱动连接部移动，所述夹持调节部用于夹持所述喷头并带动所述喷头相对横向及纵向移动或旋转，

所述喷头安装在所述夹持调节部上，所述喷头用于喷射冷却介质，

所述介质输送部与所述喷头相连，所述介质输送部用于存储并输送所述冷却介质，

所述吸附部与所述喷头相连，所述吸附部用于吸附喷射后的冷却介质产生的水或/和汽。

具体地，所述驱动连接部包括端板、滑轨、丝杠及手柄，所述端板与所述连接件相对设置，所述端板用于安装所述滑轨及所述丝杠，所述滑轨安装在所述端板与所述连接件之间，所述滑轨用于为所述夹持调节部提供运动导向，所述丝杠平行叠加在所述滑轨下方，所述丝杠一端与所述夹持调节部固定连接，所述丝杠另一端穿过所述端板并与所述手柄固定连接，所述丝杠可相对所述端板做旋转运动，所述手柄用于施加旋转动力，所述丝杠用于带动所述夹持调节部运动。

具体地，所述夹持调节部包括滑块、横轴、夹紧块及夹头，所述滑块与所述驱动连接部固定连接，所述滑块用于带动所述横轴、所述夹紧块及所述夹头 运动，所述横轴与所述滑块固定连接，所述横轴用于安装所述夹紧块及所述夹头，所述夹紧块安装在所述横轴上，所述夹紧块可相对所述横轴转动，所述夹紧块用于安装并夹紧所述夹头，所述夹头包括夹头本体及夹头轴，所述夹头本体用于安装所述喷头，所述夹头轴与所述夹头本体固定连接，所述夹头轴由所述夹紧块伸出并通过所述夹紧块固定，所述夹头轴可相对所述夹紧块转动。

具体地，所述喷头包括套筒、冷却喷嘴及屏蔽圈，所述套筒固定在所述夹紧调节部上，且所述套筒与所述冷却部相连，所述套筒用于安装所述冷却喷嘴及所述屏蔽圈，所述冷却喷嘴设置在所述套筒内，所述冷却喷嘴用于喷射所述冷却介质，所述屏蔽圈设置在所述套筒下方，使用状态，所述屏蔽圈与工件表面形成柔性、滑动摩擦接触，使所述喷头内部形成相对封闭空间。

具体地，所述介质输送部包括介质存储器和介质输送管，所述介质存储器经所述介质输送管连通所述喷头。

具体地，所述吸附部包括真空泵、真空管及抽气管，所述真空泵经所述真空管及所述抽气管连通所述喷头。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明所述方法通过在焊接过程中对焊缝和热影响区或母材局部区域进行加速冷却，在不影响焊接速度的前提下，达到改善焊缝及热影响区金相组织、细化晶粒、改善热影响区脆化软化问题的目的。

本发明所述装置安装在焊机机头上，所述装置跟随所述焊机机头同步运动，通过所述装置实现在焊接过程中对高温焊缝和热影响区金属起到适当的加速冷却作用，在不影响焊接速度的前提下，达到改善焊缝及热影响区金相组织、细化晶粒、改善热影响区脆化软化问题的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供随焊加速冷却的装置与焊机机头装配在一起的装配结构示意图；

图2是本发明实施例提供的随焊加速冷却的装置的原理图；

图3是图1中所述随焊加速冷却的装置去掉真空泵时的主视图；

图4是图3中的A-A剖视图；

图5是图3的俯视图；

图6是本发明是实施例提供的喷头结构示意图。

图中各符号表示含义如下：

1.焊机机头，2.横梁顶板，3.焊剂回收嘴升降调节机构，4.焊剂回收嘴，5.连接件，8.焊剂输出管，9.埋弧焊枪，11.焊剂；

10.焊管，12.焊缝；

I随焊加速冷却的装置，

6.喷头，7.夹持调节部，13A介质输送部，13.介质输送管，14.横轴，B.驱动连接部，15.滑轨，16.丝杠，17.端板，18.螺母，19.手柄，20.夹头，201夹头本体，202夹头轴，21.夹紧块，22.真空管，23.套筒，24.冷却喷嘴，25.抽气管，26.屏蔽圈，27A吸附部，27.真空泵，28.滑块，29.介质存储器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明原理分析：

焊缝及其热影响区的金相组织和力学性能除受化学成分、原始组织的影响外，主要还与焊接热循环中的加热速度、峰值温度、高温停留时间和冷却速度等因素有关。焊接过程中，由于焊缝和焊缝两侧热影响区各个分区的加热速度、峰值温度、高温停留时间、冷却速度均各不相同，所以使得焊接接头中焊缝和焊缝两侧热影响区各个分区出现了不同的金相组织和力学性能。

焊接线能量直接影响焊接接头的热循环过程参数(加热速度、峰值温度、高温停留时间和冷却速度)，因而焊接线能量对焊缝及其热影响区的强韧性有重要影响。对于管线钢、低合金高强钢的焊接，随着钢种强度级别的提高，热影响区的脆化、软化现象也越严重。在一定的条件下，焊接热影响区可能成为焊接接头的薄弱地带。

焊接时焊丝、焊剂、保护气等的化学成分以及母材金属在焊缝中所占比例(熔合比)都会影响焊缝金属的化学成分、金相组织及其力学性能。此外，焊缝金属的冷却速度也影响其金相组织和力学性能，特别是在800℃-500℃奥氏体转变温度区间的冷却速度(通常用800℃-500℃的时间t_8/5表示)有关。

影响热影响区各个分区的金相组织和力学性能的主要因素包括母材的化学成分、原始金相组织、加热速度、峰值温度、高温停留时间以及冷却速度。

对于管线钢(低碳钢和低合金钢)来说，熔合区及粗晶区(过热区)一般认为其温度范围在1100℃到固相线之间(约1100-1500℃)，由于其在热影响区各个分区中加热温度最高，晶粒发生急剧长大、粗化，使该区域强度、硬度增加并最高，韧性降低并最低，该区域出现的最突出问题是脆化，易在该区域出现裂纹，使焊接接头产生脆断失效；通过焊接线能量的控制可以阻止粗晶区奥氏体晶粒长大，从而降低粗晶区脆化程度，焊接线能量不仅影响到粗晶区的峰值温度，还影响到粗晶区的加热速度、高温停留时间和高温段冷却速度，这些都影响到奥氏体晶粒长大区间的时间，因而随焊接线能量的增大，奥氏体晶粒尺寸增大。焊接线能量对奥氏体晶粒长大作用也是通过对管线钢中碳、氮化物的溶解过程来实现的，由于随焊接线能量的增加，焊接峰值温度和冷却时间t_8/5增加，因而高的焊接线能量将加速碳、氮化物的溶解，从而加速了奥氏体晶粒的长大。

细晶区(相变重结晶区、正火区)温度范围在A_C3到1100℃(约850-1100℃)，该区域由于在加热和冷却过程中发生相变重结晶，因而晶粒得以细化，综合强韧性良好。

临界区(不完全重结晶区、不完全正火区)的温度范围在A_C1到A_C3之间(约750-850℃)，由于只有一部分组织发生了相变重结晶过程，因而该区域在冷却后由发生相变的细小组织和未发生相变的粗大组织组成，出现粗大的铁素体和细小的珠光体、铁素体构成的不均匀金相组织，造成力学性能不均匀，强度、硬度降低，韧性上升，该区域出现的最突出问题是软化(失强)，在地震、永久冻土等大位移环境中，管道在拉伸、压缩、弯曲状态下，易造成应变集中，最终造成屈曲、失稳和延性断裂等焊接接头变形失效；研究表明，在X80、X90、X100、X120等高强度管线钢中，由于在控轧、控冷过程中强烈加速冷却和贫合 金化技术路线的实施，热影响区软化问题是普遍存在的，软化区宽度是焊接热过程的函数，低速、高预热、大焊接线能量使软化区宽度增加。因此，为防止热影响区软化，应兼顾母材的选择和焊接工艺的优化。

亚临界区(时效脆化区)温度低于A_C1(约300-750℃)，该温度范围内母材的组织不产生实质的变化，在一些低碳钢中会出现热应变脆化，并认为这类时效脆化与固熔于铁中的自由氮含量有密切关系。

由此可见通常在一种产品的焊接生产中，焊接线能量、冷却速度是两个决定焊缝和热影响区组织性能的参数，通过改善这两项参数就可达到改善焊缝和热影响区组织性能的目的。

有鉴于此，本发明提供一种能够控制焊缝及热影响区冷却速度的焊接方法及装置。

实施例一

参见图2，本发明实施例提供了一种随焊加速冷却的焊接方法，所述方法是在焊接过程中对焊缝和热影响区或母材局部区域进行加速冷却，以改善焊接接头的金相组织和力学性能。

本发明通过上述方法，提高了钢板表面换热系数，增强了冷却效果，对处于高温状态的焊缝及热影响区进行随焊加速冷却，这样就在焊接过程中控制和改变了固有的热循环过程，加快了焊缝及热影响区的冷却速度，通过大线能量热源与随焊加速冷却装置产生的冷源相叠加，产生了优于低线能量焊接才能出现的较高冷速，复合出了小线能量焊接对焊缝及热影响区组织性能有利的效果，在不牺牲焊缝质量、焊接生产速度的条件下，实现了在大线能量高速焊接工艺中改善焊缝及热影响区金相组织、细化晶粒，改善热影响区脆化、软化问题的目的。

具体地，所述方法具体是在焊接熔池两侧或后面跟随同步运动的冷却装置，通过所述冷却装置将冷却介质喷射至处于高温状态的焊缝及热影响区或母材局部区域。

具体地，本实施例中，根据特定规格焊管的正常焊接和空冷过程的热循环曲线，确定加速冷却开始点位置。

进一步地，所述方法还包括将冷却介质喷射后形成的水和/或汽抽除的步 骤。通过增加上述步骤，能够防止在焊接区域造成潮湿环境，防止对焊接过程造成不利的干扰。

具体地，所述冷却介质为水、液氮或液态二氧化碳，具体可根据焊接件的材料选择。当然，本领域普通技术人员可以理解，所述冷却介质还可以是其它冷却液，只要能满足冷却功能即可。

更具体地，本发明所述方法适合于各种受焊接加热过程影响而造成组织和性能恶化的金属材料，适用于包括埋弧焊、气保焊、氩弧焊、电渣焊等多种焊接方法。

实施例二

如图1所示，还可以参见图2，本实施例以图1为主加以说明，本发明实施例提供了一种随焊加速冷却的装置I，安装在焊机机头1上，所述装置通过连接件5安装在所述焊机机头1上，所述装置I跟随所述焊机机头1同步运动，所述装置I包括驱动连接部B、夹持调节部7、喷头6、介质输送部13A及吸附部27A，

所述驱动连接部B与所述焊机机头1相连，所述驱动连接部B用于驱动所述喷头6直线移动，

所述夹持调节部7与所述驱动连接部B相连并相对所述驱动连接部B移动，所述夹持调节部7用于夹持所述喷头6并带动所述喷头6相对横向及纵向移动或旋转，

所述喷头6安装在所述夹持调节部7上，所述喷头6用于喷射冷却介质，

所述介质输送部13A与所述喷头6相连，所述介质输送部13A用于存储并输送所述冷却介质，

所述吸附部27A与所述喷头6相连，所述吸附部27A用于吸附喷射后的冷却介质产生的水或/和汽。

如图1所示，本发明所述随焊加速冷却的装置I，安装在焊机机头1上，所述装置I跟随所述焊机机头1同步运动，通过在焊接熔池两侧或后面(参见图2)焊缝12两侧适当位置，各布置一个或多个喷头6，利用喷头6将冷却介质喷射到钢板或焊缝12表面，提高了钢板表面换热系数，增强了冷却效果，对处于高温状态的焊缝12及热影响区进行随焊加速冷却，这样就在焊接过程中控制和改变了固有的热循环过程，加快了焊缝12及热影响区的冷却速度，通过大线能量 热源与随焊加速冷却装置产生的冷源相叠加，产生了优于低线能量焊接才能出现的较高冷速，复合出了小线能量焊接对焊缝12及热影响区组织性能有利的效果，在不牺牲焊缝12质量、焊接生产速度的条件下，实现了在大线能量高速焊接工艺中改善焊缝12及热影响区金相组织、细化晶粒，改善热影响区脆化、软化问题的目的。

具体地，如图1所示，本实施例中，焊机机头1为多丝埋弧焊机机头，焊机机头1包括焊剂输出管8、埋弧焊枪9，喷头6与多丝埋弧焊机机头小横梁1的顶板2通过连接件5、喷头夹持调节部7连接在一起。多丝埋弧焊机头1包括焊剂回收嘴4、焊剂回收嘴升降调节机构3及连接件5。其中，被焊剂回收嘴升降调节机构3夹持的焊剂回收嘴4对多丝埋弧焊缝12上的剩余颗粒状焊剂11进行回收，为紧跟其后的冷却喷头6清理出干净的焊管10表面，以利于其工作。通过连接件5将喷头夹持调节部7与多丝埋弧焊机头横梁顶板2连接在一起，根据特定规格焊管10的正常焊接和空冷过程的热循环曲线，确定加速冷却开始点位置。

具体地，参见图2，可以在焊接熔池两侧或后面焊缝12两侧适当位置，各布置一个或多个喷头6。如图2所示，本实施例中，在焊接熔池后面布置两个喷头6。

具体地，如图3所示，还可以参见图4及图5，本实施例以图3为主加以说明，所述驱动连接部B(参见图1)包括端板17、滑轨15、丝杠16及手柄19，所述端板17与所述连接件5相对设置，所述端板17用于安装所述滑轨15及所述丝杠16，所述滑轨15安装在所述端板17与所述连接件5之间，所述滑轨15用于为所述夹持调节部7(参见图1)提供运动导向，所述丝杠16平行叠加在所述滑轨15下方，所述丝杠16一端与所述夹持调节部7(参见图1)固定连接，所述丝杠16另一端穿过所述端板17并与所述手柄19固定连接，所述丝杠16可相对所述端板17做旋转运动，所述手柄19用于施加旋转动力，所述丝杠16用于带动所述夹持调节部7(参见图1)运动。

具体地，如图3所示，滑轨15通过螺母18与所述端板17固定。

如图3所示，本实施例，通过旋转喷头夹持调节部7中的旋转手柄19，可以调节冷却喷头6与埋弧焊熔池之间的距离。

具体地，如图3所示，还可以参见图4及图5，本实施例以图3为主加以说 明，所述夹持调节部7(参见图1)包括滑块28、横轴14、夹紧块21及夹头20，所述滑块28与所述驱动连接部B固定连接，所述滑块28用于带动所述横轴14、所述夹紧块21及所述夹头20运动，所述横轴14与所述滑块28固定连接，所述横轴14用于安装所述夹紧块21及所述夹头20，所述夹紧块21安装在所述横轴14上，所述夹紧块21可相对所述横轴14转动，所述夹紧块21用于安装并夹紧所述夹头20，所述夹头20包括夹头本体201(参见图5)及夹头轴202(参见图5)，所述夹头本体201(参见图5)用于安装所述喷头6，所述夹头轴202(参见图5)与所述夹头本体201(参见图5)固定连接，所述夹头轴202(参见图5)由所述夹紧块21伸出并通过所述夹紧块21固定，所述夹头轴202(参见图5)可相对所述夹紧块21转动。

如图3所示，还可以参见图4及图5，本实施例以图3为主加以说明，由于管径的变化，通过调整夹紧块21在横轴14上的位置，可以调节焊缝12两侧喷头6之间的距离；通过转动喷头夹头20，可以调整焊缝12两侧的喷头6与钢管10表面的角度，调整焊缝12两侧喷头6与焊缝12的距离，以保证渣壳可以顺利通过两个冷却喷头6之间的间隙；通过夹头20可以调整喷头6距离钢管10表面的距离，保证冷却喷头6与焊管10表面垂直并保证屏蔽圈26与焊管10表面紧密接触，使之保证较好的密封状态以确保冷却汽液的回收效果。

具体地，如图6所示，所述喷头6(参见图1)包括套筒23、冷却喷嘴24及屏蔽圈26，所述套筒23固定在所述夹紧调节部上，且所述套筒23与所述冷却部相连，所述套筒23用于安装所述冷却喷嘴24及所述屏蔽圈26，所述冷却喷嘴24设置在所述套筒23内，所述冷却喷嘴24用于喷射所述冷却介质，所述屏蔽圈26设置在所述套筒23下方，使用状态，所述屏蔽圈26与工件表面形成柔性、滑动摩擦接触，使所述喷头6(参见图1)内部形成相对封闭空间。

如图6所示，本实施例中，屏蔽圈26用柔性耐高温耐磨材料制成的，此材料可以是玻璃纤维布或石棉布或金属丝，在焊接过程中该屏蔽圈26下端与工件表面柔性、滑动摩擦接触，使水冷喷头6(参见图1)内部形成一个相对封闭的空间。

更具体地，如图6所示，屏蔽圈26利用密实的细钢丝毛或不锈钢丝毛制作，可以保证其耐高温、耐磨性，同时可以起到较好的动态密封屏蔽效果。

具体地，如图1所示，所述介质输送部13A包括介质存储器29和介质输送 管13，所述介质存储器29经所述介质输送管13连通所述喷头6。本例中，冷却介质通过介质输送管13、冷却喷嘴24喷向喷头6屏蔽圈26包围的焊管10表面，冷却介质吸收焊接热量部分汽化。其中，冷却介质可根据焊接件的材料选用水、液氮或液态二氧化碳及其它冷却液。

具体地，如图2所示，所述吸附部27A包括真空泵27、真空管22及抽气管25，所述真空泵27经所述真空管22及所述抽气管25连通所述喷头6。

如图2所示，冷却过程中产生的冷却汽液通过喷头6下部的抽气管25、真空管22，被真空泵27产生的负压抽除，保证了随焊加速冷却后的焊管10表面和埋弧焊工作区域的干燥，避免了产生不利于焊接的潮湿环境。

如图2所示，本实施例中，真空管22为真空胶管，真空泵27为水环真空泵。利用水环真空泵产生的负压将屏蔽圈26周围的空气吸入喷头6套筒23内，强大的气流将喷头6套筒23内的冷却介质及其蒸汽全部抽走，防止在焊接区域造成潮湿环境，对焊接过程造成不利的干扰。

本发明所述装置I适合于各种受焊接加热过程影响而造成组织和性能恶化的金属材料，适用于包括埋弧焊、气保焊、氩弧焊、电渣焊等多种焊机机头，在焊接机设备上装备上本发明的装置，即可实现焊缝12及热影响区随焊加速冷却，改善金相组织和力学性能，提高焊接生产合格率的目的。本发明所述还具有装置成本低，操作简便，具有很好的技术经济价值和广泛的应用前景。

参见图1，利用本发明所述随焊加速冷却的装置I，本实施例焊机机头1为多丝埋弧焊机头，进行了壁厚16.3mm的X90钢的加速冷却对比试验。在同一对800×300mm尺寸、带x型双面坡口的焊接试板上，前半段采用随焊加速冷却焊接，后半段采用不加水冷的正常焊接。在距离熔池260mm处增加焊剂回收，在距离熔池约300mm处焊缝12两侧增加喷水冷却装置，用相同方法分别完成焊接试板正反两面焊缝12的焊接。

从该焊接试板前后两段分别取了三个冲击试样，进行了-10℃温度条件下的冲击对比试验，实验数据如下：

根据本次加速冷却对比试验数据，可以看出水冷加速冷却后热影响区-10℃冲击为265.8J,比正常焊后空冷热影响区冲击提高57.3J。可见加速冷却对改善热影响区冲击韧性是有效的。

利用本发明所述方法及装置，可针对待焊钢管或工件的焊接热敏感性、板厚、线能量等焊接工艺条件，以及达到的控制最终目标金相组织和力学性能，通过对埋弧焊接温度场分析和测试相结合的方法优选最佳的冷却强度和冷却喷嘴24位置，控制焊缝12及热影响区的金相组织和力学性能，改善焊缝12金相组织、细化晶粒及焊接接头力学性能，降低热影响区脆化、软化程度。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。