一种合金钢焊缝晶粒形貌控制方法技术

本发明专利技术公开了一种合金钢焊缝晶粒形貌控制方法，通过数值模拟，获得在焊接热输入条件下焊缝过热区、相变重结晶区、不完全重结晶区及再结晶区宽度，并据此分析设定焊缝控制高度。完成第一层焊缝焊接，将焊缝打磨至设定高度，随后通过后续5层焊缝固定热输入及焊层高度控制，确保首层焊缝经历1150℃，900‑1150℃，727‑980℃、600‑727℃及600‑727℃的5次加热，完成首层焊缝晶粒形貌改善。重复上述焊接加热步骤，完成全焊缝晶粒形貌改善。本发明专利技术提供的方法无需额外辅助设备，仅通过焊接自身工艺控制即可完成焊缝及热影响区晶粒形貌控制，改善后的焊缝及热影响区晶粒细小，柱状晶及粗晶大幅减少。

【技术实现步骤摘要】
一种合金钢焊缝晶粒形貌控制方法
本专利技术属于金属材料焊接
，具体涉及一种火电厂合金钢焊缝晶粒形貌控制方法。
技术介绍
在焊接过程中，焊缝熔池内柱状晶优先生长，焊缝极少有机会生成等轴晶，从而在焊缝内部形成粗大的柱状晶结构。粗大柱状晶结构协同变形能力差，使材料的形变过程容易发生裂纹扩展，减小晶粒的内聚强度，从而恶化了焊缝的使用性能。另外，焊接热影响区中存在粗晶组织，同样是焊缝中的薄弱部位。因此，如何优化焊缝及热影响区组织，进而改善焊缝力学性能对提高焊接结构安全性具有重要意义。目前常用的焊缝组织调控方法有熔池搅拌、机械振动及超声波振动等多种方法。上述工艺方法实施均需借助辅助设备实现，甚至需根据工件设计特殊工装夹具，实施成本较高，同时对于部分现场焊接工作而言，受空间或结构影响，难以采用辅助设备完成焊缝组织细化。另外上述方法虽然能改善焊缝组织性能，但还存在一定局限，例如上述方法对热影响区的组织性能改善效果有限，超声波振动多针对镁铝合金使用，合金钢应用较少。因此开发一种无辅助设备的合金钢全焊缝晶粒形貌控制方法具有重大工程意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种合金钢焊缝晶粒形貌控制方法，改善焊缝组织性能。本专利技术所采用的技术方案如下：一种合金钢焊缝晶粒形貌控制方法，包括以下几个步骤：步骤1：在焊接热输入为W条件下，通过焊接数值模拟得到单道单层焊缝温度场，根据温度场获得单层焊缝高度H1、过热区宽度H2、正火区宽度H3、部分相变区宽度H4及回火区宽度H5；步骤2：依据焊缝各区域尺寸，设定单层焊缝高度H，H＝H1-(H2+H3+H4+H5)/4；步骤3：对焊接区域进行打磨，清除表面氧化层和污染物，母材预热至150℃后采用氩弧焊或手工电弧焊进行第一层焊缝焊接，焊接热输入控制为W，焊材选用与母材相同材质；步骤4：进行第二层焊缝焊接，焊接前将第一层焊缝高度打磨至H，焊接热输入与步骤3相同，使第一层焊缝温度超过1150℃；步骤5：进行第三层焊缝焊接，焊接前将二层焊缝高度打磨至H，焊接热输入与步骤3相同，使第一层焊缝温度达到900-1150℃；步骤6：进行第四层焊缝焊接，焊接前将三层焊缝高度打磨至H，焊接热输入与步骤3相同，使第一层焊缝温度达到727-900℃；步骤7：进行第五层焊缝焊接，焊接前将四层焊缝高度打磨至H，焊接热输入与步骤3相同，使第一层焊缝温度达到600-727℃；步骤8：进行第六层焊缝焊接，焊接前将五层焊缝高度打磨至H，焊接热输入与步骤3相同，使第一层焊缝温度达到600-727℃；步骤9：经步骤4至步骤8完成第一层焊缝晶粒形貌控制，重复步骤4至步骤8完成第二层焊缝及以上层晶粒形貌的控制。所述焊接热输入W通过焊接速度、焊接电流、焊接电压以及焊条直径控制。所述步骤1中焊接数值模拟的焊接热源以高斯热源形式加载，工件散热以综合换热系数的形式加载，工件底面增加底面换热。所述步骤5中，使第一层焊缝达到最佳温度为980℃。所述步骤6中，使第一层焊缝达到最佳温度为810℃。所述步骤7中，使第一层焊缝达到最佳温度为690℃。所述步骤8中，使第一层焊缝达到最佳温度为650℃。本专利技术的有益效果是，通过焊接数值模拟获得焊缝控制高度，通过控制焊接热输入、焊缝高度及5次焊缝自加热的方法综合影响第一层焊缝及热影响区温度，从而达到控制焊缝及热影响区晶粒形貌的效果，进一步改善焊缝性能。本专利技术提供的方法无需额外辅助设备，仅通过焊接自身工艺控制即可完成焊缝及热影响区晶粒形貌控制，改善后的焊缝及热影响区晶粒细小，柱状晶及粗晶大幅减少。附图说明图1是本专利技术工艺工序流程图。图2a、图2b、图2c和图2d分别是本专利技术实施例1所获得的过热区、相变重结晶区、不完全相变重结晶区及再结晶区温度场图像。图3a和图3b是本专利技术实施例1所获得的热影响区的200倍金相组织晶粒形貌变化，图3a为粗大等轴晶，图3b为细小晶粒。图4a和图4b是本专利技术实施例1所获得的焊接接头的200倍金相组织晶粒形貌变化，图4a为粗大柱状晶，图4b为细小晶粒。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。如图1所示，本专利技术提供了一种合金钢焊缝晶粒形貌控制方法，包括以下几个步骤：步骤1：根据焊条尺寸、焊接电流、焊接电压、焊接速度设定焊接热输入为W，在热输入W条件下进行焊接数值模拟，焊接热源以高斯热源形式加载，工件散热以综合换热系数的形式加载，工件底面增加底面换热。根据焊接数值模拟温度场确定单层焊缝高度H1、过热区宽度H2、正火区宽度H3、部分相变区宽度H4及回火区宽度H5。步骤2：依据焊缝各区域尺寸，设定单层焊缝高度为H＝H1-(H2+H3+H4+H5)/4。步骤3：对焊接区域进行打磨，清除表面氧化层和污染物，母材预热至150℃后采用氩弧焊或手工电弧焊进行第一层焊缝焊接，焊接热输入控制为W，焊材选用与母材相同材质。步骤4：进行第二层焊缝焊接，焊接前将第一层焊缝高度打磨至H，焊接热输入与步骤3相同，使第一层焊缝温度超过1150℃。步骤5：进行第三层焊缝焊接，焊接前将二层焊缝高度打磨至H，焊接热输入与步骤3相同，使第一层焊缝温度达到900-1150℃。步骤6：进行第四层焊缝焊接，焊接前将三层焊缝高度打磨至H，焊接热输入与步骤3相同，使第一层焊缝温度达到727-900℃。步骤7：进行第五层焊缝焊接，焊接前将四层焊缝高度打磨至H，焊接热输入与步骤3相同，使第一层焊缝温度达到600-727℃。步骤8：进行第六层焊缝焊接，焊接前将5层焊缝高度打磨至H，焊接热输入与步骤3相同，使第一层焊缝温度达到600-727℃。步骤9：经步骤4至步骤8完成第一层焊缝晶粒形貌控制，重复步骤4至步骤8可完成后续焊缝(2层及以上)晶粒形貌的控制。实施例115CrMo钢焊缝晶粒形貌控制：在3.2mm焊条、焊接速度为80mm/s、电流为110A，电压为85V工艺参数下的焊接热输入模拟计算15CrMo钢焊接过程，得到单层焊缝高度为2.8mm，过热区的宽度为1.5mm，相变重结晶区的宽度为1.0mm，不完全相变重结晶区的宽度为1.0～mm，再结晶区的宽度为1.0mm，据此设定单层焊缝高度为1.6mm。对待焊接表面进行机械打磨，去掉表面氧化层和污染物，采用火焰加热的方式对修复部位进行预热，预热至150℃左右。采用手焊条电弧焊进行待控制焊层的焊接，采用直径为3.2mm的焊条，焊条型号：E5515-B2，焊接速度为80mm/s、电流为110A，电压为85V，层间温度控制在200～250℃。随后进行第二层焊缝焊接，将第一层焊缝高度打磨至1.6mm，焊接中严格控制工艺参数不变，保证焊接热输入固定，第一层焊缝温度达到1250℃；进行3-6层焊缝焊接，每层焊接前将前序焊缝高度打磨至1.6mm，焊接热输入保持不变，使第一层焊缝先后经历峰值温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种合金钢焊缝晶粒形貌控制方法，其特征在于，包括以下几个步骤：/n步骤1：在焊接热输入为W条件下，通过焊接数值模拟得到单道单层焊缝温度场，根据温度场获得单层焊缝高度H1、过热区宽度H2、正火区宽度H3、部分相变区宽度H4及回火区宽度H5；/n步骤2：依据焊缝各区域尺寸，设定单层焊缝高度H，H＝H1-(H2+H3+H4+H5)/4；/n步骤3：对焊接区域进行打磨，清除表面氧化层和污染物，母材预热至150℃后采用氩弧焊或手工电弧焊进行第一层焊缝焊接，焊接热输入控制为W，焊材选用与母材相同材质；/n步骤4：进行第二层焊缝焊接，焊接前将第一层焊缝高度打磨至H，焊接热输入与步骤3相同，使第一层焊缝温度超过1150℃；/n步骤5：进行第三层焊缝焊接，焊接前将二层焊缝高度打磨至H，焊接热输入与步骤3相同，使第一层焊缝温度达到900-1150℃；/n步骤6：进行第四层焊缝焊接，焊接前将三层焊缝高度打磨至H，焊接热输入与步骤3相同，使第一层焊缝温度达到727-900℃；/n步骤7：进行第五层焊缝焊接，焊接前将四层焊缝高度打磨至H，焊接热输入与步骤3相同，使第一层焊缝温度达到600-727℃；/n步骤8：进行第六层焊缝焊接，焊接前将五层焊缝高度打磨至H，焊接热输入与步骤3相同，使第一层焊缝温度达到600-727℃；/n步骤9：经步骤4至步骤8完成第一层焊缝晶粒形貌控制，重复步骤4至步骤8完成第二层焊缝及以上层晶粒形貌的控制。/n...

【技术特征摘要】
1.一种合金钢焊缝晶粒形貌控制方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤1：在焊接热输入为W条件下，通过焊接数值模拟得到单道单层焊缝温度场，根据温度场获得单层焊缝高度H1、过热区宽度H2、正火区宽度H3、部分相变区宽度H4及回火区宽度H5；
步骤2：依据焊缝各区域尺寸，设定单层焊缝高度H，H＝H1-(H2+H3+H4+H5)/4；
步骤3：对焊接区域进行打磨，清除表面氧化层和污染物，母材预热至150℃后采用氩弧焊或手工电弧焊进行第一层焊缝焊接，焊接热输入控制为W，焊材选用与母材相同材质；
步骤4：进行第二层焊缝焊接，焊接前将第一层焊缝高度打磨至H，焊接热输入与步骤3相同，使第一层焊缝温度超过1150℃；
步骤5：进行第三层焊缝焊接，焊接前将二层焊缝高度打磨至H，焊接热输入与步骤3相同，使第一层焊缝温度达到900-1150℃；
步骤6：进行第四层焊缝焊接，焊接前将三层焊缝高度打磨至H，焊接热输入与步骤3相同，使第一层焊缝温度达到727-900℃；
步骤7：进行第五层焊缝焊接，焊接前将四层焊缝高度打磨至H，焊接热输入与步骤3相同，使第一层焊缝温度达到600-727℃；
步骤8：进行第六层焊缝焊接，焊接前将五层焊缝高度...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩天鹏，刘福广，冯琳杰，张巍，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，华能平凉发电有限责任公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61