一种基于拉弧‑铝热复合焊接大直径钢螺柱的方法与流程

本发明涉及钢螺柱与钢板的连接方法，具体涉及一种适用于大直径钢螺柱与碳钢板材的焊接方法。
背景技术：
：电弧螺柱焊是一种将螺状或者柱状的金属焊接在金属板材表的焊接方法。螺柱焊作为一种熔焊方法相比较于传统的螺柱加工，具有节省时间和材料的特点，并且由于螺柱焊不用在板件表面开孔，对于一些对于要求密封性要求比较高的设备，螺柱焊焊接可有效避免泄露事故的发生。基于螺柱焊上述的特性，使得螺柱焊在重型机械加工行业及大型的压力容器中具有巨大的发展前景。铝热焊接就是利用金属氧化物和金属铝之间的放热反应所产生的过热熔融金属来加热金属而实现结合的方法，也是一种化学反应热作为热源的焊接方法。焊接时，预先把待焊两工件的端头固定在铸型内，然后把铝粉和氧化铁粉混合物(称铝热剂)放在坩埚内加热，使之发生还原放热反应，成为液态金属(铁)和熔渣(主要为Al2O3)，注入铸型。液态金属流入接头空隙，形成焊缝金属，熔渣则浮在表面上。为了调整熔液温度和焊缝金属化学成分，常在铝热剂中加入适量的添加剂和合金。铝热反应产物的温度可达3000℃，但实际焊接铝热钢水的温度一般只需2000℃左右即可。目前市场上应用的焊剂主要只是用于钢轨的焊接，包括两种：一种是硬度为280HB左右级别的，适用于我国U71Mn钢轨的焊接,另一种是300HB左右级别的,适用于U75V钢轨的焊接。熔焊接化学反应速度非常快，仅几秒就可以完成焊接，产生热量极高可以有效的传导至熔接部位，使其熔为一体，形成分子结合。对于大直径螺柱和高强钢板材的异种钢螺柱焊，由于螺柱焊本质是熔焊一种焊接方法，螺柱焊不仅存在传统钢板的焊接存在的问题，而且在实际大直径螺柱和中碳调质高强钢板材的螺柱拉弧焊接中还出现了传统熔焊中所没有出现的其他焊接问题。常规的螺柱焊只适用于螺柱直径较小和薄板的焊接。对于大直径的螺柱，其在拉弧过程当中具有明显的偏弧现象并且电弧燃烧不稳定，不能够完全燃烧螺柱端面，造成螺柱熔化不均匀，焊接熔池形成不均匀，熔池凝固以后严重影响焊接接头的静态力学性能同时造成焊接接头不能达到预期的外观效果(如螺柱歪斜)。技术实现要素：本发明目的在于解决现有的大直径钢螺柱焊接时产生的未熔合、熔深浅、内部气孔缺陷等问题，提供了一种基于拉弧-铝热复合焊接大直径钢螺柱的方法。本发明解决上述技术问题提供如下解决方案如下：一种基于拉弧-铝热复合焊接大直径钢螺柱的方法，具体步骤如下：步骤1，制备含有铁元素的粉末状铝热焊剂；步骤2，夹取螺柱，然后将铝热焊剂置于螺柱与陶瓷环之间，再将螺柱定位在焊接钢板上；步骤3，对定位后的螺柱进行拉弧，完成拉弧焊接过程；同时，在拉弧过程中通过电弧引燃铝热焊剂，对螺柱进行加热，作为拉弧完成后对螺柱的后热处理；最后，稳定螺柱15s-20s，完成复合焊接。进一步的，拉弧采用1000～2700A的焊接电流，拉弧时间为1000～1700ms。进一步的，螺柱的钢材的型号是Q235。铝热焊剂的填充量随着螺柱直径增大而增加，16mm的螺柱，铝热焊剂填充量为2.0g；18mm的螺柱，铝热焊剂填充量为2.2g；22mm的螺柱，铝热焊剂填充量为2.6g；27mm的螺柱，铝热焊剂填充量为3.2g。本发明中采用的铝热焊剂由氧化铁、合金铁粉、辅助溶剂、铝粉混合而成，各组成成分的重量百分比为氧化铁65.5％～69.0％、合金铁粉5.5％～12.5％、铝粉18.5％～22.5％、辅助溶剂3.0％～7.0％，其中，氧化铁由Fe2O3/Fe3O4＝1/3组成，合金铁粉由锰铁/硅铁1/1.5组成，辅助溶剂由Na2CO3/CaF2＝1/1组成。优选的，氧化物粉末和合金铁粉、铝粉的纯度为90.0％～98.0％，颗粒大小为20～50目；辅助溶剂粉末的粒度为60～200目。本发明提供一种铝热焊剂的制备方法，包括具体步骤如下：步骤1.1，按重量百分比称取氧化铁、合金铁粉、辅助溶剂以及铝粉；步骤1.2，将原料装入球磨罐中，抽真空后充入氩气后球磨；球料比为10～25:1，填料比为30％～50％，球磨时间为1～8h，转速比为100～150r/min；其中，铝粉单独球磨；步骤1.3，将球磨后的铝粉与其他粉末在滚筒内，以转速为20r/min，转动8h混合均匀，制得铝热焊剂。本发明拉弧-铝热复合焊接大直径钢螺柱的直径为16-30mm。与现有技术相比，本发明具有显著优点为：1、本发明提供的拉弧-铝热复合焊接方法可以实现16～27mm范围的大直径螺柱焊接；2、本发明利用拉弧产生的热量使温度升高达到铝热焊剂的反应点，使得铝热反应发生，减少了点燃剂的使用；铝热反应对于电弧的引导作用，形成良好的焊缝，解决焊缝未成型的问题；3、通过铝热反应生成的Al2O3,覆盖表面，可对熔池起到保护作用，因此无需外加保护，不需要采用特殊保护方式，仅采用瓷套保护，即可获得内部无氧化夹杂、无气孔的焊接接头；4、通过铝热反应热能与电弧热能的联合作用，使熔池流动性显著增加，内部孔洞缺陷大大降低。附图说明图1是本发明拉弧-铝热的复合焊接的流程图；图2是采用铝热焊剂为65.5％的氧化铁、5.5％合金铁粉、7.0％辅助溶剂以及22.0％铝粉，直径16mm螺柱的焊接外观成形图；图3是未使用焊剂的直径18mm螺柱的焊接外观成形图；图4是铝热焊剂采用65.5％的氧化铁、5.5％合金铁粉、7.0％辅助溶剂以及22.0％的铝粉，直径22mm螺柱的焊接外观成形图；图5是铝热焊剂采用65.5％的氧化铁、5.5％合金铁粉、7.0％辅助溶剂以及22.0％的铝粉，直径27mm螺柱的焊接外观成形图；图6是铝热焊剂采用65.5％的氧化铁、5.5％合金铁粉、7.0％辅助溶剂以及22.0％的铝粉，直径18mm的螺柱焊接外观成形图；图7是铝热焊剂采用69.0％的氧化铁、5.5％合金铁粉、3.0％辅助溶剂以及22.5％的铝粉，直径18mm的螺柱焊接外观成形图；图8是铝热焊剂采用65.5％的氧化铁、9.0％合金铁粉、7.0％辅助溶剂以及18.5％的铝粉，直径18mm的螺柱焊接外观成形图；图9是铝热焊剂采用65.5％的氧化铁、12.5％合金铁粉、3.5％辅助溶剂以及18.5％的铝粉，直径18mm的螺柱焊接外观成形图；图10是铝热焊剂采用67.0％的氧化铁、8.5％合金铁粉、4.5％辅助溶剂以及20.0％的铝粉，直径18mm的螺柱焊接外观成形图；图11是未使用焊剂，直径18mm螺柱焊接成形的断面形貌图；图12是铝热焊剂采用65.5％的氧化铁、5.5％合金铁粉、7.0％辅助溶剂以及22.0％的铝粉，直径18mm螺柱焊接成形的断面形貌图；图13是铝热焊剂采用69.0％的氧化铁、5.5％合金铁粉、3.0％辅助溶剂以及22.5％的铝粉，直径18mm螺柱焊接成形的断面形貌图；图14是铝热焊剂采用65.5％的氧化铁、9.0％合金铁粉、7.0％辅助溶剂以及18.5％的铝粉，直径18mm螺柱焊接成形的断面形貌图。具体实施方式实施例1如图1所示的拉弧-铝热复合焊接大直径钢螺柱的流程图，对16mm大直径螺柱进行焊接，步骤如下：首先制备铝热焊剂，按重量百分比称取65.5％的氧化铁、5.5％合金铁粉、7.0％辅助溶剂以及22.0％的铝粉共100g，其中，氧化铁65.5g合金铁粉5.5g，辅助溶剂7.0g，铝粉为22g。其中铝粉质量纯度为98.0％；将称好的氧化铁粉、合金铁粉、辅助溶剂一同装入球磨罐中，以球料比18︰1、填料比为40％，抽真空并充入氩气后，以转速比为125r/min球磨6小时；铝粉采用上述条件单独球磨，球磨结束后将球磨球取出，将上述粉末均置于滚筒内滚动，以20r/min转速，转动8h后，制得铝热焊剂。再通过机器人抓取16mm大直径螺柱，将上述制得的铝热焊剂置于陶瓷环与螺柱之间的间隙，填充的铝热焊剂的质量为2.0g。最后闭合螺柱焊机焊接电源，设置焊接电流为1100A，拉弧时间为1000ms，开始螺柱焊的拉弧过程，同时电弧引燃填充的铝热焊剂，并在螺柱拉弧焊完成后，继续进行铝热焊接。在拉弧焊接完成后，焊接机器人稳定螺柱，10s后松开气爪，完成复合套焊接。如图3所示，16mm的螺柱成型饱满，相对没有使用焊剂的同种参数的螺柱焊接，熔池的量得到很大的提升，熔池的流动性得到增加，能充分形成外观凸台，外观成形完美。实施例2本实施例不使用铝热焊剂，通过机用器人抓取18mm大直径螺柱与陶瓷环。闭合螺柱焊机焊接电源，设置焊接电流1300A，拉弧时间为1200ms，启动螺柱焊的拉弧过程，螺柱焊机进行焊接，13s后松开气爪，完成焊接过程。如图2和图11所示，比较发现可以得知在不使用焊剂的条件下，焊接的外观成形差，形成完美的熔池焊缝。螺柱焊焊缝成型只能成形一侧，另一侧难以被熔池覆盖，焊缝不完全成型,焊缝熔池的不足导致气体的进入，容易产生气孔，焊缝中的气孔缺陷明显，严重影响焊缝性能。实施例3本实施例采用实施例1的工艺条件及过程，其中螺柱的直径为22mm，铝热焊剂采用65.5％的氧化铁、5.5％合金铁粉、7.0％辅助溶剂以及22.0％的铝粉，铝热焊剂的填充量为2.6g，拉弧条件采用焊接电流2500A,拉弧时间为1600ms，稳定螺柱时间为15s。如图4所示，使用焊剂使熔池的熔化量的到增加，熔池的流动性增强，有助于熔池凸台的形成，熔池的熔化量增加，焊缝形成质量得到优化，22mm的螺柱焊缝成型完善，形成良好的外观成形。实施例4本实施例采用实施例1的工艺条件及过程，其中螺柱的直径为27mm，铝热焊剂采用65.5％的氧化铁、5.5％合金铁粉、7.0％辅助溶剂以及22.0％的铝粉，铝热焊剂的填充量为3.2g，拉弧条件采用焊接电流2500A,拉弧时间为1600ms，稳定螺柱时间为20s。如图5所示，使用焊剂使熔池的熔化量的到增加，熔池的流动性增强，有助于熔池凸台的形成，27mm的螺柱外观成型饱满，得到良好的焊缝。实施例5本实施例采用实施例1的工艺条件及过程，其中螺柱的直径为18mm，铝热焊剂采用65.5％的氧化铁、5.5％合金铁粉、7.0％辅助溶剂以及22.0％的铝粉，铝热焊剂的填充量为2.2g，拉弧条件采用焊接电流1300A,拉弧时间为1200ms，焊后稳定螺柱13s。如图6和图12所示，使用焊剂使熔池的熔化量的到增加，熔池的流动性增强，有助于熔池凸台的形成，熔池的熔化量增加，焊缝形成质量得到优化，嘻相对于没有使用焊剂的焊接方式，使用焊剂的焊接方式，焊缝的熔化量得到增加，减少气体进入的空间，防止了焊缝中气孔的产生，其剪切力学性能得到提高，18mm螺柱成型饱满且焊缝中气孔产生几乎没有，得到良好的外观，即焊缝质量的到提高。实施例6本实施例采用实施例1的工艺条件及过程，其中螺柱的直径为18mm，铝热焊剂采用69.0％的氧化铁、5.5％合金铁粉、3.0％辅助溶剂以及22.5％的铝粉，铝热焊剂的填充量为2.2g，拉弧条件采用焊接电流1300A,拉弧时间为1200ms，焊后稳定螺柱13s。如图7和图13所示，使用焊剂使熔池的熔化量的到增加，熔池的流动性增强，有助于熔池凸台的形成，熔池的熔化量增加，减少了气体的进入，所以可以防止焊缝中的气孔形成。18mm螺柱成型饱满且焊缝中气孔产生几乎没有，得到良好的外观，即焊缝质量的到提高。实施例7本实施例采用实施例1的工艺条件及过程，其中螺柱的直径为18mm，铝热焊剂采用65.5％的氧化铁、9.0％合金铁粉、7.0％辅助溶剂以及18.5％的铝粉，铝热焊剂的填充量为2.2g，拉弧条件采用焊接电流1300A,拉弧时间为1200ms，焊后稳定螺柱13s。如图8和图14所示，使用焊剂使熔池的熔化量的到增加，熔池的流动性增强，有助于熔池凸台的形成，熔池的熔化量增加，焊缝形成质量得到优化，相对于没有使用焊剂的焊接方式，使用焊剂的焊接方式，其剪切力学性能得到提高，18mm螺柱成型饱满且焊缝中气孔产生几乎没有，得到良好的外观，即焊缝质量的到提高。实施例8本实施例采用实施例1的工艺条件及过程，其中螺柱的直径为18mm，铝热焊剂采用65.5％的氧化铁、12.5％合金铁粉、3.5％辅助溶剂以及18.5％的铝粉，铝热焊剂的填充量为2.2g，拉弧条件采用焊接电流1300A,拉弧时间为1200ms，焊后稳定螺柱13s。如图9所示，使用焊剂使熔池的熔化量的到增加，熔池的流动性增强，有助于熔池凸台的形成，熔池的熔化量增加，焊缝形成质量得到优化，相对于没有使用焊剂的焊接方式，使用焊剂的焊接方式，其剪切力学性能得到提高，18mm螺柱成型饱满得到良好的外观，即焊缝质量的到提高。实施例9本实施例采用实施例1的工艺条件及过程，其中螺柱的直径为18mm，铝热焊剂采用67.0％的氧化铁、8.5％合金铁粉、4.5％辅助溶剂以及20.0％的铝粉，铝热焊剂的填充量为2.2g，拉弧条件采用焊接电流1300A,拉弧时间为1200ms，焊后稳定螺柱13s。如图10所示，使用焊剂使熔池的熔化量的到增加，熔池的流动性增强，有助于熔池凸台的形成，熔池的熔化量增加，焊缝形成质量得到优化，相对于没有使用焊剂的焊接方式，使用焊剂的焊接方式，其剪切力学性能得到提高，18mm螺柱成型饱满，得到良好的外观，即焊缝质量的到提高。如表1所示的为各实施例中的剪切强度及剪切力的对比。表1实施例螺柱直径/mm剪切力/kN剪切强度/Mpa11655.1627421881.65321322143.6937851887.76034561882.6332571884.7233381885.9433891886.85341当前第1页1 2 3