高强钢窄间隙焊接坡口退磁方法

摘要

本发明公开了一种高强钢窄间隙焊接坡口退磁方法，焊前通过点固焊和加装引弧板工艺降低坡口剩磁，然后采用脉冲退磁器按照不同工艺对单U或双U形坡口进行数次退磁，且每次退磁后更换退磁器线圈盒移动方向，直至坡口剩磁降至一定值以下时结束退磁作业，采用脉冲退磁方法，并结合焊前点固焊和加装引弧板退磁工艺，可有效提高大尺寸工件的退磁效果，退磁器便携性好，且应用时无需工件的运动配合，特别适用于在生产现场进行退磁作业，工程适应性强。

说明书

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特指一种高强钢窄间隙焊接坡口的焊前退磁方法。

背景技术

窄间隙熔化极电弧焊可分为窄间隙埋弧焊和窄间隙熔化极气体保护电弧焊，是一种采用U形或I形坡口的每层单道（或双道）多层施焊工艺，适用于大厚度工件的自动焊接。对高强度合金钢母材而言，因其Ni、Cr等合金元素含量较高，在轧制成形、储存运输和焊接坡口加工过程中极易被磁化。采用窄间隙工艺焊接这种高强钢时，由于坡口间隙窄（一般只有数毫米或十余毫米），往往会导致在坡口两侧壁之间出现较强的剩余磁场，从而破坏常用的直流焊接电弧稳定性，影响焊缝成形质量，严重时甚至于无法施焊。

一般常用交变磁场来退除铁磁体工件中的剩余磁场。相应地，常用的有两种退磁器：一种是普通交流退磁器（参见“去磁现象与退磁方法”，物理教师，2003年，24卷，第10期，49-50页），另一种是脉冲退磁器。其中，交流退磁器由电磁线圈产生磁感应强度恒定、方向变化的退磁场，随着退磁器逐渐远离退磁部位，该部位的退磁场强度逐渐减小，即相当于有一个方向不断变化且强度逐渐衰减的退磁场作用于退磁部位，从而达到工件退磁的目的，该交流退磁工艺一般适用于体积较小的工件，而对于大厚板窄间隙焊接坡口来说，由于交流退磁深度不够且退磁场衰减不均匀，从而影响退磁效率和退磁效果。脉冲退磁器则一般由RLC充放电电路组成（如图1（a）所示），工作时首先使电子开关VT₁导通对电容C充电，当电容C上电量充满后，控制电路使电子开关VT₁关断、同时使电子开关VT₂导通，此时退磁线圈L、电容C和电阻R构成一种RLC振荡回路，产生一个振幅衰减的振荡电流i（如图1（b）所示），相应地在退磁线圈L中就会产生一种同频率衰减的交变退磁场，从而达到工件退磁的目的。这种脉冲退磁器不仅具有足够的退磁深度，而且退磁场强度衰减均匀，对于大尺寸工件有较好的退磁效果。 

目前，关于窄间隙焊接坡口退磁方法的研究很少，经过文献检索，名为“船用钢结构980钢超窄间隙GMAW工艺剩磁研究”（孙峰等，电焊机，2004年，第35卷，第4期，56-59页）一文中，提出了一种利用外加磁场来控制电弧，以抵消剩磁对电弧影响的方法。为了消除坡口剩磁的不利影响，获得足够的侧壁熔深和良好的焊缝成形，要求所施加的纵向磁场强度必须控制在一定的范围内。该纵向磁场强度太小，则抵消剩磁效果不佳；若该纵向磁场强度太大，则焊缝中心处电流密度太小，最终对焊缝熔深和焊缝成形产生不利影响。该方法通过外加纵向磁场来抵消剩磁对电弧的影响，并未从根本上退除坡口剩磁，同时对于外加纵向磁场强度的控制要求也很高，工程实用性较差。 

发明内容

针对现有技术存在的不足，为了提高高强合金钢窄间隙直流焊接电弧稳定性和焊缝成形质量，本发明提出一种高强钢窄间隙焊接坡口的实用退磁方法。 

本发明提出的一种高强钢窄间隙焊接坡口退磁方法，采用由退磁器线圈盒和脉冲电源相连接构成的脉冲退磁器，脉冲退磁器内具有线圈L、电容C和电阻R构成的RLC振荡回路，包括以下步骤： 

1）对工件进行点固焊，或在工件的一端或两端加装引弧板；

2）在沿坡口长度方向的中心平面内测量紧邻坡口内钝边上方处的最大剩余磁场强度，若该最大剩余磁场强度测量值大于10Gs，则将退磁器线圈盒放置在离钝边较远一侧的工件表面一端部P₁位置，调节脉冲退磁器的退磁场强度至最大剩余磁场强度测量值的2~3倍以上，对P₁位置进行退磁；  

3）P₁位置退磁后，沿坡口长度方向移动退磁器线圈盒至与P₁位置有重合的P₂位置处，在P₂位置进行退磁，继续沿坡口长度方向移动退磁器线圈盒进行退磁直至退磁器线圈盒至工件表面另一端部，整个坡口的第一遍退磁结束；

4）与步骤2）同样的方法测量第一遍退磁结束后坡口内最大剩余磁场强度，若该最大剩余磁场强度测量值仍大于10Gs，则从工件表面另一端部开始，沿着与步骤3）相反的方向移动退磁器线圈盒进行第二遍退磁；

5）重复步骤2）-4）直至坡口内钝边上方处的最大剩余磁场强度小于10Gs时即结束焊前退磁。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有效效果：

1、所述焊前脉冲退磁工艺，不需要复杂装置，简单易行，实施成本低；2、采用脉冲退磁方法，并结合焊前点固焊和加装引弧板退磁工艺，可有效提高大尺寸工件的退磁效果；3、退磁器便携性好，且应用时无需工件的运动配合，特别适用于在生产现场进行退磁作业，另外对于不同形式的坡口和不同尺寸的工件，可使用不同的脉冲退磁工艺，因此工程适应性强。 

附图说明

图1是脉冲退磁器基本电路原理图，其中，图1(a)表示RLC振荡电路，图1(b)表示振荡电流i的衰减曲线。  

图2是单U形坡口工件剖面及焊前坡口退磁方法示意图，其中，图2（a）是图2（b）在A-A位置处的剖面图，图2（b）是焊前坡口退磁方法示意图。

图3是焊前引弧板及点固焊位置示意图。 

图4是在不同坡口形式下退磁工作部位示意图，其中，图4(a)表示单U型坡口的退磁作业部位，图4(b)表示双U型坡口的退磁作业部位。 

图5是在有或无引弧板及点固焊工艺条件下坡口剩磁情况对比图。

图6是脉冲退磁法与普通交流退磁法的退磁效果对比图。

图7是退磁器线圈盒在坡口不同部位作业时退磁效果对比图。

图1中，VT₁、VT₂—电子开关；C—电容器；D—二极管；R—电阻；L—退磁线圈，i—退磁电流。

图2中，1—退磁器线圈盒；2—单U形坡口；3—具有单U形坡口的工件；4—引弧板；5、6—点固焊点；10—把手；11—坡口内钝边；OO₁—坡口中心线；V_t—退磁方向；P₁、P₂、P_n分别表示退磁器线圈盒1的第一、第二和第n个工作位置。

图3中，7—点固焊点；j—第j个点固焊点；k—第k个点固焊点。

图4中，8—双U形坡口；9—具有双U形坡口的工件。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式和实施过程作详细说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。本发明焊前通过特定点固焊和加装引弧板工艺降低坡口剩磁，然后采用脉冲退磁器按照不同工艺对单U或双U形坡口进行数次退磁，且每次退磁后更换退磁器线圈盒移动方向，直至坡口剩磁降至一定值以下时结束退磁作业。具体如下：

图1表示脉冲退磁器基本电路原理，其中图1（a）为脉冲退磁器的RLC振荡电路原理，图1(b)为振荡电流i的衰减曲线。工作时，首先使电子开关VT₁导通对电容C充电，当电容C上电量充满达到最大值后，控制电路使电子开关VT₁关断、同时使电子开关VT₂导通，于是在退磁线圈L、电容C和电阻R构成的RLC振荡回路中产生一个振幅衰减的振荡电流i，相应地在退磁线圈L中就会产生一种同频率振幅衰减的交变退磁场，用于工件坡口退磁。根据工件大小，可选用不同功率等级的脉冲退磁器。 

图2（a）为单U形坡口工件3在图2（b）中A-A位置处的剖面图，这里坡口2的两个钝边11之间距离表示坡口钝边间隙（即坡口根部间隙）。图2（b）为本发明焊前坡口退磁方法示意图，首先对工件3进行点固焊和加装引弧板4的作业，然后在坡口2长度方向的中心平面（即坡口中心线OO₁所在平面）内，用特斯拉计在坡口2两端附近处测量紧邻坡口钝边11（见图2（a））上方处的最大剩余磁场强度，若该剩磁测量值大于10~20Gs（具体取决于焊接电流大小，电流大则电弧刚性强，该剩磁阀值可取高值），则需要进行脉冲退磁处理。

脉冲退磁作业时，脉冲退磁器由退磁器线圈盒1和脉冲电源构成，脉冲电源通过电缆与退磁器线圈盒1相连、并为退磁器线圈盒1中的退磁线圈L供电。退磁作业时，将退磁器线圈盒1放置在离坡口内钝边11较远一侧的工件表面，如图2（b）中的P₁位置，P₁位置在工件表面沿坡口长度方向的一端部（工件3的右端），位于坡口正上方，调节退磁场强度至坡口最大剩磁强度的2~3倍以上，按下退磁器线圈盒1的工作开关后，脉冲退磁器内的电容C瞬间放电产生瞬时脉冲振荡电流i，在工件中产生一定磁化深度的退磁场，随着电容C放电过程的进行，产生的交变脉冲振荡电流i不断衰减，相应地退磁场强度也逐渐衰减，从而达到对工件及坡口退磁的目的。待位置P₁位置处的退磁作业结束后，通过把手10沿坡口长度方向从一端部向另一端部移动退磁器线圈盒1至与P₁位置有适当重合的位置P₂处，并重复在P₁处的退磁作业过程，在P₂位置进行退磁。从一端部向另一端部移动的方向即退磁作业方向V_t，。然后沿退磁作业方向V_t继续下一个位置的退磁作业，直至退磁器线圈盒至工件表面另一端部，整个工件3第一遍退磁结束。第二遍退磁作业时，可以从工件3的另一端部（工件3的左端）开始，沿着与第一遍退磁作业方向V_t的相反方向移动退磁器线圈盒1，重复上述第一遍退磁作业。依此类推，直至坡口内钝边上方处的最大剩余磁场强度小于10Gs，整个焊前退磁处理工作结束。 

在上述退磁作业过程中，退磁器线圈盒1在每个退磁位置至少需要停留一个完整的电容C的充放电时间，且每一遍退磁结束后，在坡口2长度方向的中心平面（即坡口中心线OO₁所在平面）内，须用特斯拉计在坡口2两端附近处测量紧邻坡口钝边11上方处的最大剩余磁场强度，一旦坡口内最大剩磁小于10~20Gs，则可停止退磁作业，进入施焊阶段。对于具有双U形坡口8的工件9（见图4（b）），在其坡口8每一侧的脉冲退磁过程与上述单U形坡口2的相同。 

图3所示为焊前采用点固焊和引弧板工艺降低坡口剩磁时，引弧板及点固焊位置示意图。点固焊焊点数量视工件大小而定，一般不少于3个。由于坡口2长度方向上两端附近处剩磁强度最大，因此点固焊点5和点固焊点7要离坡口2两端尽可能地近，以便为剩磁场提供最小磁阻通路，降低通过坡口空间的剩余磁场强度。视工件尺寸大小，点固焊点5和点固焊点7至对应的工件端部距离可各为5~20mm，点固焊点6位于点固焊点5和点固焊点7之间。如果工件尺寸较大，就需要增加点固焊点数，如增加点固焊点j和点固焊点k（其中j=k=m个），且一般要求点固焊点j和点固焊点k分别位于中间点固焊点6两侧。另外，如果焊接工艺许可，也可以在工件3的一端或两端各加装引弧板4，并要求引弧板4与工件3之间保持电磁良性接触。实际上，窄间隙多层焊接作业时，层与层之间的焊接作业方向往往相反，因此引弧板4同时也将充当熄弧板使用。对于双U形坡口8（见图4（b）），其引弧板及点固焊位置与单U形坡口类似。 

图4为在不同坡口形式下退磁工作部位示意图。当工件3的板厚较小时，窄间隙焊接坡口通常采用单U形，如图4（a）所示；当工件9的板厚较大时，窄间隙焊接坡口可采用双U形，如图4（b）所示。对于单U形坡口2，退磁器线圈盒1的最佳放置部位为坡口2的正上方（即离坡口钝边11较远的一侧），且退磁器线圈盒1沿坡口2居中放置以保证退磁场均匀作用于坡口2两侧母材；对于双U形坡口8，则需从工件9的两侧表面分别进行退磁作业，如首先从图4（b）所示的双U形坡口8的上U形坡口侧进行退磁（此时，退磁器线圈盒1用实线表示，上U形坡口侧为退磁作业侧），然后再从图4（b）所示的双U形坡口8的下U形坡口侧进行退磁（此时，退磁器线圈盒1用虚线表示，下U形坡口侧为退磁作业侧），以获得最佳退磁效果。

图5给出了在有或无引弧板及点固焊工艺条件下坡口剩磁情况对比。这里，单U形坡口长度为300mm，母材为40mm厚690MPa级高强钢，机加工坡口间隙为13mm，钝边厚度为 4 mm，钝边间隙为1mm；脉冲退磁器电源输入电压为交流220V、工作电流10A，通过调节退磁电压使退磁器线圈中心最大磁场强度达到900Gs左右。通过在工件背面垫表面光滑平整的铁板来模拟加装两端引弧板，以及在两块工件钝边间隙处加装小铁块来模拟三点点固焊工艺，其中一个模拟点固焊点位于坡口长度中央、另外两个分别位于距离工件两端5mm（接近模拟引弧板）处。在此基础上，用特斯拉计沿坡口长度方向测量剩磁场强度，测量点位于坡口宽度中间、距离钝边上方0.5mm处。可见，窄间隙焊接坡口剩磁分布呈现两端大中间小的趋势，在采用引弧板及点固焊等焊前工艺后（见图5中“有”所示情形，即曲线B₁），坡口内剩磁明显下降，比未采用焊前工艺时（见图5中“无”所示情形，即曲线A₁）降低了一半左右，因而焊前引弧板及点固焊工艺能有效地改善坡口剩磁环境，从而可间接地减少后续退磁作业的次数，提高退磁效率。

图6给出了脉冲退磁法与交流退磁法的退磁效果对比。选择的两个试件坡口剩磁情况基本相同（交流退磁用试件坡口最大剩磁场强度为48Gs、脉冲退磁用试件坡口最大剩磁场强度为53Gs），退磁前采用直流熔化极气体保护焊工艺分别对试件进行三点点固焊处理，其脉冲退磁器参数、母材、坡口形状尺寸、三个点固焊点位置、剩磁强度测量方法与图5中的相同。然后，在退磁功率相同情况下，分别采用交流退磁器和脉冲退磁器对两试件坡口进行退磁，每个试件沿坡口长度方向各自经历3次（遍）退磁处理。可见，脉冲退磁后（见图5中“脉冲”所示情形，即曲线B₂）坡口剩磁强度小于0.5mT（即5Gs），达到了施焊要求；而采用交流退磁时，尽管退磁前该试件坡口的最大剩磁场强度比脉冲退磁用试件坡口的最大剩磁场强度要略小，交流退磁后（见图5中“交流”所示情形，即曲线A₂）的坡口剩磁强度仍大于1.0mT（即10Gs），为了保证良好的焊缝成形，还需要继续退磁。因此，脉冲退磁法的退磁效果明显优于交流退磁法，也就是说，脉冲退磁法的退磁效率更高。 

图7给出了脉冲退磁器在坡口不同部位作业时退磁效果对比。为寻找窄间隙焊接坡口最佳退磁部位，特选取两组剩磁情况较为接近的试件（正面退磁用试件坡口最大剩磁场强度为52Gs、反面退磁用试件坡口最大剩磁场强度为43Gs），分别从坡口正面（即离坡口钝边较远侧）和背面（坡口钝边侧）对单U形窄间隙坡口进行退磁处理，并比较退磁效果。其脉冲退磁器参数、母材、坡口形状尺寸、三点点固焊工艺、退磁次数、剩磁强度测量方法与图6中的相同。可见，从坡口正面进行退磁，能够有效地降低坡口底部剩磁强度，使之达到正常焊接要求（见曲线B₃表示的情形）；而从坡口反面进行退磁，则退磁效果较差，坡口底部剩磁强度还不能达到正常焊接要求（超过了1.5mT，见曲线A₃表示的情形），尤其是在坡口长度方向两端的起弧及收弧处对焊接电弧仍将会产生不良影响，需要进行进一步退磁处理。

从图5、图6和图7可以看出，最大剩余磁场强度一般出现在距离坡口端部30mm左右范围内。因此，在对坡口进行剩磁测量时应优选这样的范围，以避免因大范围测量而降低工作效率。