一种埋弧焊焊缝金属成分的预测方法及其应用

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种埋弧焊焊缝金属成分的预测方法及其应用。

背景技术

埋弧焊是一种建立在熔化的焊丝与金属工件之间的电弧来加热并熔化金属工件的焊接方法。与其他电弧焊不同的是，埋弧焊的电弧在熔渣(熔化的焊剂)和颗粒状焊剂组成的保护层下燃烧。熔渣不仅用来保护熔池不受空气中的氧气和氮气等有害气体的影响，还能防止合金烧损，净化熔池(吸收夹杂物，脱磷和硫)，稳定电弧并使焊接过程稳定。熔渣的保护和净化作用有助于制备出无缺陷的焊缝金属。此外，由于熔渣、熔池和电弧等离子体三者之间的激烈化学反应，焊剂对焊缝金属的成分有明显的调控作用，并以此为基础进而影响焊缝金属的微观组织和力学性能。

埋弧焊缝金属成分受到焊剂组元的明显调控。其中，焊缝金属中的O含量应当控制在0.02wt.％～0.05wt.％，过高的O含量会使焊缝金属的硬度及低温冲击韧性下降，并增加焊缝金属中气孔的产生几率，影响力学性能；当O含量过低时，焊缝中则无法提供足够的夹杂物为针状铁素体的形成提供条件，从而导致焊缝金属的低温冲击韧性偏低。

Si和Mn是焊缝金属中的基本合金元素。研究表明，Si的含量通常被控制在0.6wt.％以下，因为过高的Si含量会导致焊缝金属低温冲击韧性和延展性下降。当Mn含量处于0.6wt.％至1.8wt.％区间时，Mn含量的增加会促进焊缝金属中针状铁素体形成，并降低多边形铁素体和侧板条铁素体的体积分数。因此，调控焊缝金属成分，对强化焊接接头组织与性能具有至关重要的意义。

在针对埋弧焊焊接接头的实际生产研发中，对焊缝组织与性能的调控往往通过正交试验来实现，需要对试验获得的大量焊缝组织进行成分检测，这一过程极大程度的耗费了经济成本与时间成本。

现有技术中，针对焊缝金属成分预测的方法，主要是基于焊接与炼钢数据库进行热力学计算实现的。但是普遍缺乏针对埋弧焊的数据，不能完全适配埋弧焊的特性，导致埋弧焊焊缝金属化学成分预测与实际化学成分偏差较大。

因此，提供一种埋弧焊焊缝金属成分预测的方法具有重要意义。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种埋弧焊焊缝金属成分的预测方法，通过采集熔滴并获取焊缝成分预测的可靠基础数据，提高了焊缝成分预测的准确率与便捷性，并且有效降低了焊缝金属成分检测成本，避免了大量实际焊接实验与对应的成分检测工作，提高了生产研发效率。

本发明的第二目的在于提供一种埋弧焊焊缝金属成分的预测方法在制备焊剂和焊件中的应用。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明首先提供了一种埋弧焊焊缝金属成分的预测方法，包括如下步骤：

获得熔滴，并对所述熔滴进行化学成分分析，得到所述熔滴中待预测元素的质量百分含量M

计算焊剂中待预测元素向熔滴中过渡的程度Δ

计算所述焊剂中待预测元素向焊缝金属中过渡的程度Δ

计算焊缝金属的名义成分M

计算所预测的埋弧焊焊缝金属元素的质量百分含量P

其中，计算所述Δ

进一步地，利用熔滴采集装置进行熔滴采集，获得冷却的所述熔滴。

进一步地，所述熔滴采集装置包括冷却构件和金属导电构件。

进一步地，所述d＝0.5～0.7。

进一步地，所述d＝被稀释的母材横截面积/焊缝金属横截面积。

进一步地，所述焊丝包括CHW-S80焊丝、H10Mn2焊丝、H10Mn2q焊丝和H08Mn2MoA焊丝中的至少一种。

进一步地，所述母材包括钢。

进一步地，所述钢包括EH36钢、EH420钢、EH460钢和EH550钢中的至少一种。

进一步地，所述埋弧焊焊缝金属成分的预测方法的误差≤0.02wt.％。

本发明还提供了所述埋弧焊焊缝金属成分的预测方法在制备焊剂和焊件中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的埋弧焊焊缝金属成分的预测方法，埋弧焊焊缝金属化学成分的预测的准确率高。

(2)本发明提供的埋弧焊焊缝金属成分的预测方法，步骤简单、便捷、效率高，可以提高生产及研发效率，并降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明提供的熔滴采集装置的立体结构示意图；

图2为本发明提供的实施例1获得的熔滴的俯视图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

如果没有特别的说明，在本发明中，“第一方面”、“第二方面”、“第三方面”、“第四方面”等仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性或数量，也不能理解为隐含指明所指示的技术特征的重要性或数量。而且“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅起到非穷举式的列举描述目的，应当理解并不构成对数量的封闭式限定。

如果没有特别的说明，本发明所提到的“包括”和“包含”表示开放式，也可以是封闭式。例如，所述“包括”和“包含”可以表示还可以包括或包含没有列出的其他组分，也可以仅包括或包含列出的组分。

如果没有特别的说明，在本发明中，“一种或多种”或“至少一种”指所列项目的任一种、任两种或任两种以上。其中，“几种”指任两种或任两种以上。

第一方面，本发明提供了一种埋弧焊焊缝金属成分的预测方法，包括如下步骤：

(1)获得熔滴，并对所述熔滴进行化学成分分析，得到所述熔滴中待预测元素的质量百分含量M

可以理解的是，对熔滴化学成分的检测分析，选取元素为焊剂中所含氧化物成分，包括但不限于O、Mn、Si等元素。其余元素为焊丝与母材成分结合，无特殊变化，无须检测，计算方法与名义成分相同。

一些具体的实施方式中，对熔滴进行化学成分分析，得到熔滴中的O元素的质量百分含量M

其中，形成所述熔滴所用的焊剂包括按照质量百分比计的如下组分制成：CaO10wt.％～55wt.％，SiO

其中，CaO按照质量百分比计包括但不限于10wt.％、20wt.％、30wt.％、40wt.％、50wt.％、55wt.％中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；MnO按照质量百分比计包括但不限于5wt.％、10wt.％、20wt.％、30wt.％、40wt.％、50wt.％中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

(2)计算焊剂中待预测元素向熔滴中过渡的程度Δ

一些具体的实施方式中，对焊丝进行化学成分分析，得到焊丝中的O元素的质量百分含量M

可以理解的是，计算Δ

Δ

Δ

(3)计算所述焊剂中待预测元素向焊缝金属中过渡的程度Δ

可以理解的是，焊剂中待预测元素向焊缝金属中过渡的程度Δ

在埋弧焊中，元素过渡主要发生在熔滴阶段，熔滴落入熔池后被稀释，之后在渣-金界面发生下一阶段的元素过渡，因此熔滴成分与焊缝金属成分存在一定比例关系。

对于本发明限定的焊剂成分范围，Δ

Δ

Δ

Δ

(4)计算焊缝金属的名义成分M

一些具体的实施方式中，对母材进行化学成分分析，得到母材中的O元素的质量百分含量M

可以理解的是，计算M

M

M

(5)计算所预测的埋弧焊焊缝金属元素的质量百分含量P

可以理解的是，计算P

P

P

即可得到埋弧焊焊缝金属中O元素、Mn元素和Si元素的预测质量百分含量。

本发明提供的埋弧焊焊缝金属化学成分的预测方法，通过采集熔滴并获取熔滴中待预测元素的质量百分含量数据，并将该数据代入焊缝金属成分预测模型计算，埋弧焊焊缝金属化学成分预测的准确率高。

并且，本发明提供的埋弧焊焊缝金属化学成分的预测方法，简单、便捷，可以有效降低焊缝金属成分的检测成本，避免了大量实际焊接实验与对应的成分检测工作，提高了生产及研发效率。

一些具体的实施方式中，利用熔滴采集装置进行熔滴采集，获得冷却的所述熔滴。

其中，使用熔滴采集装置进行熔滴采集，结合成分预测方法，可进一步提高埋弧焊焊缝金属化学成分的预测的准确率。

一些具体的实施方式中，所述熔滴采集装置包括冷却构件和金属导电构件。其中，冷却构件设置在所述金属导电构件的下端。

利用熔滴采集装置能够采集到埋弧焊熔滴，并且由于熔滴被快速冷却，采集的熔滴保留了在电弧空腔中的反应结果。

一些具体的实施方式中，冷却构件为水箱，参见图1所示，水箱上设置有进水管和出水管，且水箱内含有冷却水。

一些具体的实施方式中，金属导电构件为铜板。

其中，水箱具有储存循环冷却水的功能，铜板具有利于电弧导电且异于焊丝基体方便计算成分变化的功能，设置进水管和出水管有利于循环冷却水对铜板进行充分冷却。

一些具体的实施方式中，所述熔滴采集装置还包括焊机，所述焊机用于进行埋弧焊焊接。

本发明中，熔滴采集的过程与实际埋弧焊过程相似，但采用熔滴采集装置代替焊接钢板，熔滴采集的过程如下：焊机开启后，焊接电弧的高温将焊丝熔化并在焊丝尖端凝聚，同时将覆盖在铜板上的焊剂熔化。焊丝熔化并下落，熔化分解后的焊剂成分在下落过程中向熔滴过渡。熔滴落于铜板上，与循环冷却水产生热交换，在铜板上急速冷却凝固，如图1所示，上述过程不会形成熔池。

一些具体的实施方式中，可采用任意现有的熔滴采集装置进行熔滴采集，例如专利CN114354282A公开的埋弧焊熔滴采集和电弧等离子体表征的装置，但不限于此。

一些具体的实施方式中，所述d＝0.5～0.7，包括但不限于0.5、0.53、0.55、0.57、0.6、0.63、065、0.68、0.7中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

稀释比d取决于焊缝中熔覆金属与熔池金属截面积的比。

一些具体的实施方式中，稀释比d的值可以根据经验或者大数据背景确定。

一些具体的实施方式中，所述稀释比d＝被稀释的母材横截面积/焊缝金属横截面积，即熔池下方金属和熔池上方的熔覆金属面积之比。

一些具体的实施方式中，所述焊丝包括CHW-S80焊丝、H10Mn2焊丝、H10Mn2q焊丝和H08Mn2MoA焊丝中的至少一种。

一些具体的实施方式中，所述母材包括钢。

一些具体的实施方式中，所述钢包括EH36钢、EH420钢、EH460钢和EH550钢中的至少一种。

一些具体的实施方式中，所述埋弧焊焊缝金属成分的预测方法的误差≤0.02wt.％。

第二方面，本发明提供了上述埋弧焊焊缝金属成分的预测方法在制备焊剂和焊件中的应用。

其中，焊件是指焊接件，即经过焊接形成的工件。

通过本发明提供的埋弧焊焊缝金属成分的预测方法，可以调控焊缝金属成分，强化焊接接头组织与性能，对焊剂和焊件的生产和研发具有重要意义。

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1

本实施例所用的焊剂由按照质量百分比计的如下组分制成：CaO30wt.％，SiO

本实施例所用的H10Mn2焊丝的部分成分含量如下表1所示。

表1 H10Mn2焊丝部分元素含量

本实施例所用的EH36钢(母材)的部分成分含量如下表2所示。

表2 EH36钢部分元素含量

本实施例提供的埋弧焊焊缝金属成分的预测方法包括如下步骤：

(1)使用专利CN114354282A公开的熔滴采集装置进行熔滴采集，获得冷却熔滴。其中，熔滴采集的过程如下：焊机开启后，焊接电弧的高温将焊丝熔化并在焊丝尖端凝聚，同时将覆盖在铜板上的焊剂熔化。焊丝熔化并下落，熔化分解后的焊剂成分在下落过程中向熔滴过渡。熔滴落于铜板上，与循环冷却水产生热交换，在铜板上急速冷却凝固，上述过程不会形成熔池。

本实施例获得的熔滴的俯视图如图2所示。

(2)对熔滴的化学成分进行检测分析，其中O含量(质量百分比)为0.1465wt.％、Mn含量(质量百分比)为2.3323wt.％、Si含量(质量百分比)为0.2432wt.％。其余元素为焊丝与母材成分结合，不受焊剂成分影响，无特殊变化，无须检测。

其中，O元素含量使用LECO公司ONH836设备(氧氮氢分析仪)测定。Mn和Si元素含量使用Perkin Elmer Optima 8300DVICPOES设备(电感耦合等离子体发射光谱仪)测定。

用于熔滴成分检测的样品均直接取样，用于焊缝成分检测的样品均从焊缝金属的中心处取样。

(3)将熔滴成分代入焊缝金属成分预测模型，计算过程如下：

(a)、计算焊缝中熔覆金属与熔池金属截面积之比，得到稀释比d＝0.5143。然后将测得的熔滴元素含量分别代入公式Δ

Δ

0.0672wt.％；

Δ

3)＝0.3364wt.％；

Δ

0.1087wt.％。

(b)、计算焊剂中待预测元素向焊缝金属中过渡的程度Δ

Δ

17wt.％；

Δ

wt.％；

Δ

(c)、计算焊缝金属的名义成分M

M

3)＝0.004wt.％；

M

3)＝1.5676wt.％；

M

3)＝0.0798wt.％。

(d)、计算所预测的埋弧焊焊缝金属元素的质量百分含量P

P

P

P

即，采用本实施例所提供的埋弧焊焊缝金属成分的预测方法所预测得到的O元素的质量百分含量为0.0957wt.％，Mn元素的质量百分含量为1.8233wt.％，Si元素的质量百分含量为0.1462wt.％。

为了验证上述预测方法的准确率，对焊缝进行化学成分检测(所用仪器同对熔滴的化学成分进行检测的仪器)，结果为焊缝中O元素的质量百分含量为0.0947wt.％，Mn元素的质量百分含量为1.81wt.％，Si元素的质量百分含量为0.1288wt.％。

实施例2

本实施例所用的焊剂由按照质量百分比计的如下组分制成：CaO10wt.％，SiO

本实施例所用的CHW-S80焊丝的部分成分含量如下表3所示。

表3 CHW-S80焊丝部分元素含量

本实施例所用的EH550钢(母材)的部分成分含量如下表4所示。

表4 EH550钢部分元素含量

本实施例提供的埋弧焊焊缝金属成分的预测方法包括如下步骤：

(1)使用专利CN114354282A公开的熔滴采集装置进行熔滴采集，获得冷却熔滴。其中，熔滴采集的过程如下：焊机开启后，焊接电弧的高温将焊丝熔化并在焊丝尖端凝聚，同时将覆盖在铜板上的焊剂熔化。焊丝熔化并下落，熔化分解后的焊剂成分在下落过程中向熔滴过渡。熔滴落于铜板上，与循环冷却水产生热交换，在铜板上急速冷却凝固，上述过程不会形成熔池。

(2)对熔滴的化学成分进行检测分析，其中O含量(质量百分比)为0.2090wt.％、Mn含量(质量百分比)为2.6537wt.％、Si含量(质量百分比)为0.4528wt.％。其余元素为焊丝与母材成分结合，不受焊剂成分影响，无特殊变化，无须检测。

其中，O元素含量使用LECO公司ONH836设备(氧氮氢分析仪)测定。Mn和Si元素含量使用Perkin Elmer Optima 8300DVICPOES设备(电感耦合等离子体发射光谱仪)测定。

用于熔滴成分检测的样品均直接取样，用于焊缝成分检测的样品均从焊缝金属的中心处取样。

(3)将熔滴成分代入焊缝金属成分预测模型，计算过程如下：

(a)、计算焊缝中熔覆金属与熔池金属截面积之比，得到稀释比d＝0.5267。然后将测得的熔滴元素含量分别代入公式Δ

Δ

0.0978wt.％；

Δ

0.4277wt.％；

Δ

1291wt.％。

(b)、计算焊剂中待预测元素向焊缝金属中过渡的程度Δ

Δ

6wt.％；

Δ

wt.％；

Δ

(c)、计算焊缝金属的名义成分M

M

7)＝0.0017wt.％；

M

＝1.5341wt.％；

M

.1958wt.％。

(d)、计算所预测的埋弧焊焊缝金属元素的质量百分含量P

P

P

P

即，采用本实施例所提供的埋弧焊焊缝金属成分的预测方法所预测得到的O元素的质量百分含量为0.1123wt.％，Mn元素的质量百分含量为1.8899wt.％，Si元素的质量百分含量为0.2766wt.％。

为了验证上述预测方法的准确率，对焊缝进行化学成分检测，结果为焊缝中O元素的质量百分含量为0.1036wt.％，Mn元素的质量百分含量为1.8741wt.％，Si元素的质量百分含量为0.2594wt.％。

由此可见，本发明提供的埋弧焊焊缝金属成分的预测方法所预测得到的元素含量值与实际值的偏差小于±0.02wt.％。

综上所述，本发明提供的埋弧焊焊缝金属成分预测的方法，预测准确、步骤简单、效率高，解决了实际生产研发中成分探索过程的高时间与工作成本问题，且避免了传统预测方法偏差的问题。因此，本发明提供的埋弧焊焊缝金属成分预测的方法与装置能够有效应用于埋弧焊钢板的焊接。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。