一種基于拉弧?鋁熱復合焊接大直徑鋼螺柱的方法與流程

本發明涉及鋼螺柱與鋼板的連接方法，具體涉及一種適用于大直徑鋼螺柱與碳鋼板材的焊接方法。
背景技術：
：電弧螺柱焊是一種將螺狀或者柱狀的金屬焊接在金屬板材表的焊接方法。螺柱焊作為一種熔焊方法相比較于傳統的螺柱加工，具有節省時間和材料的特點，并且由于螺柱焊不用在板件表面開孔，對于一些對于要求密封性要求比較高的設備，螺柱焊焊接可有效避免泄露事故的發生。基于螺柱焊上述的特性，使得螺柱焊在重型機械加工行業及大型的壓力容器中具有巨大的發展前景。鋁熱焊接就是利用金屬氧化物和金屬鋁之間的放熱反應所產生的過熱熔融金屬來加熱金屬而實現結合的方法，也是一種化學反應熱作為熱源的焊接方法。焊接時，預先把待焊兩工件的端頭固定在鑄型內，然后把鋁粉和氧化鐵粉混合物(稱鋁熱劑)放在坩堝內加熱，使之發生還原放熱反應，成為液態金屬(鐵)和熔渣(主要為Al2O3)，注入鑄型。液態金屬流入接頭空隙，形成焊縫金屬，熔渣則浮在表面上。為了調整熔液溫度和焊縫金屬化學成分，常在鋁熱劑中加入適量的添加劑和合金。鋁熱反應產物的溫度可達3000℃，但實際焊接鋁熱鋼水的溫度一般只需2000℃左右即可。目前市場上應用的焊劑主要只是用于鋼軌的焊接，包括兩種：一種是硬度為280HB左右級別的，適用于我國U71Mn鋼軌的焊接,另一種是300HB左右級別的,適用于U75V鋼軌的焊接。熔焊接化學反應速度非常快，僅幾秒就可以完成焊接，產生熱量極高可以有效的傳導至熔接部位，使其熔為一體，形成分子結合。對于大直徑螺柱和高強鋼板材的異種鋼螺柱焊，由于螺柱焊本質是熔焊一種焊接方法，螺柱焊不僅存在傳統鋼板的焊接存在的問題，而且在實際大直徑螺柱和中碳調質高強鋼板材的螺柱拉弧焊接中還出現了傳統熔焊中所沒有出現的其他焊接問題。常規的螺柱焊只適用于螺柱直徑較小和薄板的焊接。對于大直徑的螺柱，其在拉弧過程當中具有明顯的偏弧現象并且電弧燃燒不穩定，不能夠完全燃燒螺柱端面，造成螺柱熔化不均勻，焊接熔池形成不均勻，熔池凝固以后嚴重影響焊接接頭的靜態力學性能同時造成焊接接頭不能達到預期的外觀效果(如螺柱歪斜)。技術實現要素：本發明目的在于解決現有的大直徑鋼螺柱焊接時產生的未熔合、熔深淺、內部氣孔缺陷等問題，提供了一種基于拉弧-鋁熱復合焊接大直徑鋼螺柱的方法。本發明解決上述技術問題提供如下解決方案如下：一種基于拉弧-鋁熱復合焊接大直徑鋼螺柱的方法，具體步驟如下：步驟1，制備含有鐵元素的粉末狀鋁熱焊劑；步驟2，夾取螺柱，然后將鋁熱焊劑置于螺柱與陶瓷環之間，再將螺柱定位在焊接鋼板上；步驟3，對定位后的螺柱進行拉弧，完成拉弧焊接過程；同時，在拉弧過程中通過電弧引燃鋁熱焊劑，對螺柱進行加熱，作為拉弧完成后對螺柱的后熱處理；最后，穩定螺柱15s-20s，完成復合焊接。進一步的，拉弧采用1000～2700A的焊接電流，拉弧時間為1000～1700ms。進一步的，螺柱的鋼材的型號是Q235。鋁熱焊劑的填充量隨著螺柱直徑增大而增加，16mm的螺柱，鋁熱焊劑填充量為2.0g；18mm的螺柱，鋁熱焊劑填充量為2.2g；22mm的螺柱，鋁熱焊劑填充量為2.6g；27mm的螺柱，鋁熱焊劑填充量為3.2g。本發明中采用的鋁熱焊劑由氧化鐵、合金鐵粉、輔助溶劑、鋁粉混合而成，各組成成分的重量百分比為氧化鐵65.5％～69.0％、合金鐵粉5.5％～12.5％、鋁粉18.5％～22.5％、輔助溶劑3.0％～7.0％，其中，氧化鐵由Fe2O3/Fe3O4＝1/3組成，合金鐵粉由錳鐵/硅鐵1/1.5組成，輔助溶劑由Na2CO3/CaF2＝1/1組成。優選的，氧化物粉末和合金鐵粉、鋁粉的純度為90.0％～98.0％，顆粒大小為20～50目；輔助溶劑粉末的粒度為60～200目。本發明提供一種鋁熱焊劑的制備方法，包括具體步驟如下：步驟1.1，按重量百分比稱取氧化鐵、合金鐵粉、輔助溶劑以及鋁粉；步驟1.2，將原料裝入球磨罐中，抽真空后充入氬氣后球磨；球料比為10～25:1，填料比為30％～50％，球磨時間為1～8h，轉速比為100～150r/min；其中，鋁粉單獨球磨；步驟1.3，將球磨后的鋁粉與其他粉末在滾筒內，以轉速為20r/min，轉動8h混合均勻，制得鋁熱焊劑。本發明拉弧-鋁熱復合焊接大直徑鋼螺柱的直徑為16-30mm。與現有技術相比，本發明具有顯著優點為：1、本發明提供的拉弧-鋁熱復合焊接方法可以實現16～27mm范圍的大直徑螺柱焊接；2、本發明利用拉弧產生的熱量使溫度升高達到鋁熱焊劑的反應點，使得鋁熱反應發生，減少了點燃劑的使用；鋁熱反應對于電弧的引導作用，形成良好的焊縫，解決焊縫未成型的問題；3、通過鋁熱反應生成的Al2O3,覆蓋表面，可對熔池起到保護作用，因此無需外加保護，不需要采用特殊保護方式，僅采用瓷套保護，即可獲得內部無氧化夾雜、無氣孔的焊接接頭；4、通過鋁熱反應熱能與電弧熱能的聯合作用，使熔池流動性顯著增加，內部孔洞缺陷大大降低。附圖說明圖1是本發明拉弧-鋁熱的復合焊接的流程圖；圖2是采用鋁熱焊劑為65.5％的氧化鐵、5.5％合金鐵粉、7.0％輔助溶劑以及22.0％鋁粉，直徑16mm螺柱的焊接外觀成形圖；圖3是未使用焊劑的直徑18mm螺柱的焊接外觀成形圖；圖4是鋁熱焊劑采用65.5％的氧化鐵、5.5％合金鐵粉、7.0％輔助溶劑以及22.0％的鋁粉，直徑22mm螺柱的焊接外觀成形圖；圖5是鋁熱焊劑采用65.5％的氧化鐵、5.5％合金鐵粉、7.0％輔助溶劑以及22.0％的鋁粉，直徑27mm螺柱的焊接外觀成形圖；圖6是鋁熱焊劑采用65.5％的氧化鐵、5.5％合金鐵粉、7.0％輔助溶劑以及22.0％的鋁粉，直徑18mm的螺柱焊接外觀成形圖；圖7是鋁熱焊劑采用69.0％的氧化鐵、5.5％合金鐵粉、3.0％輔助溶劑以及22.5％的鋁粉，直徑18mm的螺柱焊接外觀成形圖；圖8是鋁熱焊劑采用65.5％的氧化鐵、9.0％合金鐵粉、7.0％輔助溶劑以及18.5％的鋁粉，直徑18mm的螺柱焊接外觀成形圖；圖9是鋁熱焊劑采用65.5％的氧化鐵、12.5％合金鐵粉、3.5％輔助溶劑以及18.5％的鋁粉，直徑18mm的螺柱焊接外觀成形圖；圖10是鋁熱焊劑采用67.0％的氧化鐵、8.5％合金鐵粉、4.5％輔助溶劑以及20.0％的鋁粉，直徑18mm的螺柱焊接外觀成形圖；圖11是未使用焊劑，直徑18mm螺柱焊接成形的斷面形貌圖；圖12是鋁熱焊劑采用65.5％的氧化鐵、5.5％合金鐵粉、7.0％輔助溶劑以及22.0％的鋁粉，直徑18mm螺柱焊接成形的斷面形貌圖；圖13是鋁熱焊劑采用69.0％的氧化鐵、5.5％合金鐵粉、3.0％輔助溶劑以及22.5％的鋁粉，直徑18mm螺柱焊接成形的斷面形貌圖；圖14是鋁熱焊劑采用65.5％的氧化鐵、9.0％合金鐵粉、7.0％輔助溶劑以及18.5％的鋁粉，直徑18mm螺柱焊接成形的斷面形貌圖。具體實施方式實施例1如圖1所示的拉弧-鋁熱復合焊接大直徑鋼螺柱的流程圖，對16mm大直徑螺柱進行焊接，步驟如下：首先制備鋁熱焊劑，按重量百分比稱取65.5％的氧化鐵、5.5％合金鐵粉、7.0％輔助溶劑以及22.0％的鋁粉共100g，其中，氧化鐵65.5g合金鐵粉5.5g，輔助溶劑7.0g，鋁粉為22g。其中鋁粉質量純度為98.0％；將稱好的氧化鐵粉、合金鐵粉、輔助溶劑一同裝入球磨罐中，以球料比18︰1、填料比為40％，抽真空并充入氬氣后，以轉速比為125r/min球磨6小時；鋁粉采用上述條件單獨球磨，球磨結束后將球磨球取出，將上述粉末均置于滾筒內滾動，以20r/min轉速，轉動8h后，制得鋁熱焊劑。再通過機器人抓取16mm大直徑螺柱，將上述制得的鋁熱焊劑置于陶瓷環與螺柱之間的間隙，填充的鋁熱焊劑的質量為2.0g。最后閉合螺柱焊機焊接電源，設置焊接電流為1100A，拉弧時間為1000ms，開始螺柱焊的拉弧過程，同時電弧引燃填充的鋁熱焊劑，并在螺柱拉弧焊完成后，繼續進行鋁熱焊接。在拉弧焊接完成后，焊接機器人穩定螺柱，10s后松開氣爪，完成復合套焊接。如圖3所示，16mm的螺柱成型飽滿，相對沒有使用焊劑的同種參數的螺柱焊接，熔池的量得到很大的提升，熔池的流動性得到增加，能充分形成外觀凸臺，外觀成形完美。實施例2本實施例不使用鋁熱焊劑，通過機用器人抓取18mm大直徑螺柱與陶瓷環。閉合螺柱焊機焊接電源，設置焊接電流1300A，拉弧時間為1200ms，啟動螺柱焊的拉弧過程，螺柱焊機進行焊接，13s后松開氣爪，完成焊接過程。如圖2和圖11所示，比較發現可以得知在不使用焊劑的條件下，焊接的外觀成形差，形成完美的熔池焊縫。螺柱焊焊縫成型只能成形一側，另一側難以被熔池覆蓋，焊縫不完全成型,焊縫熔池的不足導致氣體的進入，容易產生氣孔，焊縫中的氣孔缺陷明顯，嚴重影響焊縫性能。實施例3本實施例采用實施例1的工藝條件及過程，其中螺柱的直徑為22mm，鋁熱焊劑采用65.5％的氧化鐵、5.5％合金鐵粉、7.0％輔助溶劑以及22.0％的鋁粉，鋁熱焊劑的填充量為2.6g，拉弧條件采用焊接電流2500A,拉弧時間為1600ms，穩定螺柱時間為15s。如圖4所示，使用焊劑使熔池的熔化量的到增加，熔池的流動性增強，有助于熔池凸臺的形成，熔池的熔化量增加，焊縫形成質量得到優化，22mm的螺柱焊縫成型完善，形成良好的外觀成形。實施例4本實施例采用實施例1的工藝條件及過程，其中螺柱的直徑為27mm，鋁熱焊劑采用65.5％的氧化鐵、5.5％合金鐵粉、7.0％輔助溶劑以及22.0％的鋁粉，鋁熱焊劑的填充量為3.2g，拉弧條件采用焊接電流2500A,拉弧時間為1600ms，穩定螺柱時間為20s。如圖5所示，使用焊劑使熔池的熔化量的到增加，熔池的流動性增強，有助于熔池凸臺的形成，27mm的螺柱外觀成型飽滿，得到良好的焊縫。實施例5本實施例采用實施例1的工藝條件及過程，其中螺柱的直徑為18mm，鋁熱焊劑采用65.5％的氧化鐵、5.5％合金鐵粉、7.0％輔助溶劑以及22.0％的鋁粉，鋁熱焊劑的填充量為2.2g，拉弧條件采用焊接電流1300A,拉弧時間為1200ms，焊后穩定螺柱13s。如圖6和圖12所示，使用焊劑使熔池的熔化量的到增加，熔池的流動性增強，有助于熔池凸臺的形成，熔池的熔化量增加，焊縫形成質量得到優化，嘻相對于沒有使用焊劑的焊接方式，使用焊劑的焊接方式，焊縫的熔化量得到增加，減少氣體進入的空間，防止了焊縫中氣孔的產生，其剪切力學性能得到提高，18mm螺柱成型飽滿且焊縫中氣孔產生幾乎沒有，得到良好的外觀，即焊縫質量的到提高。實施例6本實施例采用實施例1的工藝條件及過程，其中螺柱的直徑為18mm，鋁熱焊劑采用69.0％的氧化鐵、5.5％合金鐵粉、3.0％輔助溶劑以及22.5％的鋁粉，鋁熱焊劑的填充量為2.2g，拉弧條件采用焊接電流1300A,拉弧時間為1200ms，焊后穩定螺柱13s。如圖7和圖13所示，使用焊劑使熔池的熔化量的到增加，熔池的流動性增強，有助于熔池凸臺的形成，熔池的熔化量增加，減少了氣體的進入，所以可以防止焊縫中的氣孔形成。18mm螺柱成型飽滿且焊縫中氣孔產生幾乎沒有，得到良好的外觀，即焊縫質量的到提高。實施例7本實施例采用實施例1的工藝條件及過程，其中螺柱的直徑為18mm，鋁熱焊劑采用65.5％的氧化鐵、9.0％合金鐵粉、7.0％輔助溶劑以及18.5％的鋁粉，鋁熱焊劑的填充量為2.2g，拉弧條件采用焊接電流1300A,拉弧時間為1200ms，焊后穩定螺柱13s。如圖8和圖14所示，使用焊劑使熔池的熔化量的到增加，熔池的流動性增強，有助于熔池凸臺的形成，熔池的熔化量增加，焊縫形成質量得到優化，相對于沒有使用焊劑的焊接方式，使用焊劑的焊接方式，其剪切力學性能得到提高，18mm螺柱成型飽滿且焊縫中氣孔產生幾乎沒有，得到良好的外觀，即焊縫質量的到提高。實施例8本實施例采用實施例1的工藝條件及過程，其中螺柱的直徑為18mm，鋁熱焊劑采用65.5％的氧化鐵、12.5％合金鐵粉、3.5％輔助溶劑以及18.5％的鋁粉，鋁熱焊劑的填充量為2.2g，拉弧條件采用焊接電流1300A,拉弧時間為1200ms，焊后穩定螺柱13s。如圖9所示，使用焊劑使熔池的熔化量的到增加，熔池的流動性增強，有助于熔池凸臺的形成，熔池的熔化量增加，焊縫形成質量得到優化，相對于沒有使用焊劑的焊接方式，使用焊劑的焊接方式，其剪切力學性能得到提高，18mm螺柱成型飽滿得到良好的外觀，即焊縫質量的到提高。實施例9本實施例采用實施例1的工藝條件及過程，其中螺柱的直徑為18mm，鋁熱焊劑采用67.0％的氧化鐵、8.5％合金鐵粉、4.5％輔助溶劑以及20.0％的鋁粉，鋁熱焊劑的填充量為2.2g，拉弧條件采用焊接電流1300A,拉弧時間為1200ms，焊后穩定螺柱13s。如圖10所示，使用焊劑使熔池的熔化量的到增加，熔池的流動性增強，有助于熔池凸臺的形成，熔池的熔化量增加，焊縫形成質量得到優化，相對于沒有使用焊劑的焊接方式，使用焊劑的焊接方式，其剪切力學性能得到提高，18mm螺柱成型飽滿，得到良好的外觀，即焊縫質量的到提高。如表1所示的為各實施例中的剪切強度及剪切力的對比。表1實施例螺柱直徑/mm剪切力/kN剪切強度/Mpa11655.1627421881.65321322143.6937851887.76034561882.6332571884.7233381885.9433891886.85341當前第1頁1 2 3