CN116587692A - 一种用于生产特厚钢板的多层复合坯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生产特厚钢板的多层复合坯及其制备方法，复合坯包括上坯、中间坯、下坯；所述上坯和下坯的待复合面为斜面，所述中间坯的两侧面均为斜面，并且上坯的斜面、下坯的斜面与中间坯两侧的斜面均相互平行。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：通过优化和改善多层特厚复合坯结构，并采用“锐三角”扫描封焊技术，可以得到封焊良好的多层特厚复合坯。在后续的轧制复合时，可有效的增大待复合界面的机械结合力，避免复合界面的分层和未结合缺陷，保证复合界面的结合率。

Description

一种用于生产特厚钢板的多层复合坯及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料加工技术领域，具体涉及一种用于生产特厚钢板的多层复合坯及其制备方法。

背景技术

随着国家工程结构、设备、装备等大型化发展趋势，特厚钢板，尤其是特厚模具钢板的需求日趋紧迫，其需求领域包括大型工业生产、大型工程建设、关键零部件生产、汽车家电制备等。可以说，其生产工业水平已经成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，也是一个国家的工业产品保持国际竞争力的重要保证之一。

例如模具行业在近些年得到了不断的扩张，模具钢需求量急速增加，但国产和进口产品的价格波动陷入了两极分化的状态。一方面国产低端模具材料陷入了恶性价格战，以宝武钢铁P20和东北特钢718为例，在4年间两者售价分别下调了14％和16％，在原材料价格上涨的大环境下该产品价格对企业的销售造成巨大的经济压力；另一方面中高端产品却严重依赖进口，以德国葛利兹1.2738、瑞典一胜百718HH和日本大同特殊钢NAK80、P20等进口产品为例，其价格分别为国内同类产品的2到7倍，利润丰厚。

上述现象表明一方面低端产品因市场准入门槛较低，产品价格受介入厂商增加的影响陷入了恶性竞争，致使企业盈利持续走低，另一方面超厚、大截面特厚钢板短缺，如大型家电、大规格汽车保险杠预硬化塑料模具钢，由于种种原因在国内无法实现长期稳定的控制生产，导致出现进口产品大量占有高端模具市场的现象。随着工程结构等领域装备大型化发展，特厚钢板已经成为了我国高端制造业的“掐脖子”材料。

近年来，为了充分利用其优良的内部质量和高成材率等特点，产生了一种利用焊接复合法生产特厚板的新途径。它是将两块或多块连铸坯表面清理后，叠放在一起，在真空环境中利用电子束对铸坯周边进行焊接密封，最后将复合好的板坯作为原料组进行轧制的一种特厚板生产工艺。其中，如何保证复合坯待复合界面的真空有效性，受到众多科技工作者的广泛关注，大多从优化真空电子束封焊工艺方面开展相关的研究工作。

如鞍钢股份有限公司申请的名为“一种特厚板坯的真空电子束焊接方法”的专利，专利号为ZL201910939732.X，授权号为CN110681972B，提供一种应用于特厚板坯的真空电子束焊接方法，用于解决特厚板坯由于焊接工件厚度大、焊缝长而产生的焊接接头应力集中严重和焊接变形过大等问题。

如鞍钢股份有限公司申请的名为“一种轧制复合板用复合坯的真空电子束封焊方法”的专利，专利号为ZL201910940487.4，授权号为CN110681973B，采用真空电子束焊接技术对方形复合坯进行密封焊接，通过对焊接位置、次顺和参数的优化设计和调节，可以有效的针对方形复合坯进行密封焊接并降低焊缝的应力集中和焊接变形程度。

但是，其复合坯结构仍为多层长方体紧密叠放的传统结构，优化的封焊工艺仅有助于保持其待复合界面的真空有效性，而针对多层特厚复合坯在轧制过程中，面临的变形弹力大、复合界面易形成未结合等缺陷，并无增益改进效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于生产特厚钢板的多层复合坯及其制备方法，通过优化和改善多层特厚复合坯结构，并采用“锐角等腰三角形”扫描和上下层交替封焊技术，可以得到封焊良好的多层特厚复合坯。在后续的轧制复合时，可有效的增大待复合界面的机械结合力，避免复合界面的分层和未结合缺陷，保证复合界面的结合率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种用于生产特厚钢板的多层复合坯，包括上坯、中间坯、下坯；所述上坯和下坯的待复合面为斜面，所述中间坯的两侧面均为斜面，并且上坯的斜面、下坯的斜面与中间坯两侧的斜面均相互平行。

所述的斜面，在长度方向上，一端与另一端的高度差为d＝5～10mm。

所述复合坯原料为碳素结构钢，C含量为0.42wt％～0.55wt％。

最终生产钢板的厚度为300～350mm，轧制压缩比≥2。

多层复合坯为三层结构。

一种用于生产特厚钢板的多层复合坯的制备方法，该方法包括如下技术环节：

1)采用铣削设备对子坯表面进行机加处理，加工成所需规格长方体，铣削厚度≥5mm；

2)采用无润滑机加设备对子坯待复合表面进行精加工。其中，对两块子坯的一侧待复合面进行修磨，在长度方向上，将一短边沿厚度方向减薄厚度d＝5～10mm，与另一短边间形成一斜面；对中间坯上下表面进行修磨，在长度方向上，将一短边沿厚度方向减薄厚度d＝5～10mm，与另一短边间形成一斜面，且加工后的上下斜面平行；

3)将精加工后的子坯进行吊装组坯，三块子坯依次水平叠放，其中，单面精加工的子坯位于上下层，双面精加工的子坯位于中间层；在吊装组坯过程中，在每个复合界面的四角各添加厚度e为3～4mm的垫片，垫片材质与子坯相同，且垫片的六个表面经过修磨和处理，去除氧化层和油污；

4)采用真空电子束封焊，将复合坯送入真空室中，抽取真空后进行真空电子束封焊，其中，封焊顺序为先封焊短边再封焊长边，具体顺序为先封焊一侧下面短边，再封焊其对面侧上面短边，然后封焊其下面短边，最后封焊原侧面上面短边，长边封焊顺序与短边封焊顺序相同。真空电子束封焊时，离焦量为-2～-3mm，电子束焦点呈锐三角形路径进行扫描，锐三角形底边与封焊方向平行，且距离最下层坯料上表面下边a为1～1.5mm。锐三角形底边长b为3～4mm，高h为5～6mm，扫描频率f为80～100Hz。

所述子坯采用热轧钢板或连铸坯。

本发明设定d＝5～10mm，将待复合面由水平面加工成斜面，目的是增加待复合面的有效面积，在轧制应力和变形抗力不变的条件下，提高复合界面整体的机械咬合和冶金结合力，降低复合界面出现撕裂分层和未结合缺陷几率。若d过小，则复合界面的有效面积增大有限，对复合界面整体的机械咬合和冶金结合力影响较小；若d过大，则由于复合界面的斜度过大，易将轧制力传导至封焊接头，导致其轧制过程中出现封焊接头开裂失效缺陷。

本发明在组坯时，在每个复合界面的四角各添加厚度e为3～4mm的垫片，将待复合面由紧密贴合设计成存在一定间隙，目的是改变复合界面复合机制，在后续首道次轧制时，提高待复合面上下金属之间的冲击力，在轧制应力和变形抗力不变的条件下，增大复合界面整体的机械咬合力，进一步降低复合界面出现撕裂分层和未结合缺陷几率。若e过小，则复合界面上下金属之间的冲击力增大有限，对复合界面整体的机械咬合力影响较小；若e过大，则在轧制过程中，上层子坯易在轧辊作用下出现平移，进而出现封焊接头撕裂缺陷。

本发明的真空电子束封焊时，设定离焦量为-2～-3mm，目的是提高电子束向工件的穿透能力并获得良好的表面成形。在工件表面利用散焦进行预热并使表面成形呈圆滑过渡；电子束的焦点位置下移，提高了热输入向下的传导能力，提高了焊接熔深。若设定离焦量过小，则提升电子束穿透能力有限；若设定离焦量过大，则无法形成表面预热和优化成形的作用。

设定电子束焦点呈锐三角形路径进行扫描，其底边与封焊方向平行，且距离下边a为1～1.5mm。锐三角形底边长b为3～4mm，高h为5～6mm，扫描频率f为80～100Hz，且采用上下两层交叉的封焊顺序，目的是在组对间隙较大的情况下，实现上下两层金属的真空电子束焊接，形成良好的焊接接头。通常在真空电子束焊接中，工件的组对间隙需≤0.1mm，在本发明中e设定为3～4mm，采用常规的电子束焊接规范无法进行焊接连接。本发明在大组对间隙的多层复合坯封焊过程中，一方面采用锐三角扫描封焊方法，在保证焊缝热输入的同时，还对上方母材金属进行熔化，使其在重力作用下向下移动填充间隙，并最终形成良好的焊接接头。若a过大，则接头与下方母材金属易形成未熔合缺陷；若a过小，则接头上方母材金属熔化量较小，无法填充间隙并形成良好接头。若b过小，则接头位置的热输入过小，无法形成大熔深封焊接头；若b过大，则由于线能量过小，仍无法形成大熔深封焊接头。若h过小，则上方母材熔化金属量较小，无法有效填充间隙并形成良好接头；若h过大，则电子束能量密度降低，无法形成上方母材有效熔化。若f过大或过小，则无法保持接头上方母材金属充分熔化并保持流动性进行间隙填充。另外，本发明针对三层复合坯封焊，采用先焊短边，后焊长边，且上下接头交替焊接的顺序，具体顺序为先封焊一侧下面短边，再封焊其对面侧上面短边，然后封焊其下面短边，最后封焊原侧面上面短边，长边封焊顺序与短边封焊顺序相同。目的是进一步降低封焊接头处的应力集中，提高封焊接头的可靠性，在后续的加热和轧制过程中保持待结合面的真空有效性。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

一种用于生产特厚钢板的多层复合坯及其制备方法，通过优化和改善多层特厚复合坯结构，并采用“锐角三角形”扫描和上下层交替封焊技术，可以得到封焊良好的多层特厚复合坯。在后续的轧制复合时，可有效的增大待复合界面的机械结合力，避免复合界面的分层和未结合缺陷，保证复合界面的结合率。

附图说明

图1是本发明中未加工子坯长度方向的截面图。

图2是本发明中单面精加工子坯长度方向的截面图。

图3是本发明中双面精加工子坯长度方向的截面图。

图4是本发明中三层复合坯吊装组坯示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明具体实施例，对本发明的实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为示例，并非用于限制本发明。

本发明提供了一种新的多层特厚复合坯结构及其“锐三角”扫描真空电子束封焊制备技术，目的是改变待复合界面在轧制复合过程中的结合机制，提高复合界面之间的机械咬合力，避免待复合界面由于过大的变形抗力形成待复合界面的撕裂、未结合等缺陷，保证复合界面的结合率。工艺流程如下：

1)选取待复合的热轧钢板或连铸坯作为多层复合坯原料。

2)对多层复合坯原料进行粗加工。

3)对多层复合坯原料待复合表面进行精加工。

4)将精加工的多层复合坯原料进行吊装组坯。

5)将吊装组坯后的多层复合坯进行真空电子束封焊。

6)去除焊接头表面余高后待用。

本发明一种用于生产特厚钢板的多层复合坯的制备方法，其主要技术环节如下：

1)采用铣削设备对子坯表面进行机加处理，加工成所需规格长方体，铣削厚度≥5mm。

采用酒精等有机溶剂去除子坯表面油污，并采用高压空气进行吹扫，去除表面残留加工碎屑。

2)采用无润滑机加设备对子坯待复合表面进行精加工。其中，对两块子坯的一侧待复合面进行修磨，在长度方向上，将一短边沿厚度方向减薄厚度d＝5～10mm，与另一短边间形成一斜面；对中间坯上下表面进行修磨，在长度方向上，将一短边沿厚度方向减薄厚度d＝5～10mm，与另一短边间形成一斜面，且加工后的上下斜面平行。如图1所示。

完成子坯精加工后，采用高压氮气对待复合表面进行吹扫，去除表面残留加工碎屑。

3)将精加工后的子坯进行吊装组坯，三块子坯依次水平叠放，其中，单面精加工的子坯位于上下层，双面精加工的子坯位于中间层；在吊装组坯过程中，在每个复合界面的四角各添加厚度e为3～4mm的垫片，垫片材质与子坯相同，且六个表面经过修磨和处理，去除氧化层和油污。如图2所示。

4)采用真空电子束封焊，将复合坯送入真空室中，抽取真空后进行真空电子束封焊，其中，封焊顺序为先封焊短边，后封焊长边，具体顺序为先封焊一侧下面短边，再封焊其对面侧上面短边，然后封焊其下面短边，最后封焊原侧面上面短边，长边封焊顺序与短边封焊顺序相同。真空电子束封焊时，离焦量为-2～-3mm，电子束焦点呈锐三角形路径进行扫描，锐三角形底边与封焊方向平行，且距离最下层坯料上表面下边a为1～1.5mm。锐三角形底边长b为3～4mm，高h为5～6mm，扫描频率f为80～100Hz。

5)在封焊结束后，采用角磨对封焊接头表面进行处理，使封焊接头表面呈圆滑过渡，去除余高和流泪等非规则表面成形。

本发明实施例与对比例的复合坯基本信息见表1；实施例与对比例复合坯封焊信息见表2；实施例与对比例复合坯轧制结果见表3。

表1三层复合坯基本信息

编号	Cwt％	子坯规格	铣削厚度	d	e
						实施例1	0.43	250mm×2100mm×3200mm	6	8	3.7
实施例2	0.45	242mm×2150mm×3220mm	6	7	3.5
						实施例3	0.49	235mm×2020mm×3180mm	5	6	3.3
实施例4	0.53	280mm×2210mm×3320mm	7	9	3.9
						对比例1	0.46	240mm×2120mm×3250mm	5	0	0
对比例2	0.52	270mm×2250mm×3300mm	7	0	0

表2三层复合坯封焊信息

编号	离焦量	a	b	h	f
						实施例1	-2.6	1.3	3.6	5.7	94
实施例2	-2.4	1.2	3.4	5.5	88
						实施例3	-2.2	1.1	3.2	5.2	85
实施例4	-2.8	1.4	3.8	5.9	96
						对比例1	0	-	-	-	-
对比例2	0	-	-	-	-

表3三层复合坯轧制复合结果

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种用于生产特厚钢板的多层复合坯，包括上坯、中间坯、下坯；其特征在于，所述上坯和下坯的待复合面为斜面，所述中间坯的两侧面均为斜面，并且上坯的斜面、下坯的斜面与中间坯两侧的斜面均相互平行。

2.根据权利要求1所述的一种用于生产特厚钢板的多层复合坯，其特征在于，所述的斜面，在复合坯料长度方向上，一端与另一端的高度差为d=5～10mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于生产特厚钢板的多层复合坯，其特征在于，所述复合坯原料为碳素结构钢，C含量为0.42wt%～0.55wt%。

4.根据权利要求1所述的一种用于生产特厚钢板的多层复合坯，其特征在于，最终生产钢板的厚度为300～350mm，轧制压缩比≥2。

5.根据权利要求1-4其中任意一项所述的一种用于生产特厚钢板的多层复合坯，其特征在于，多层复合坯为三层结构。

6.一种如权利要求1-5其中任意一项所述的用于生产特厚钢板的多层复合坯的制备方法，其特征在于，该方法包括如下技术环节：

1）对子坯表面进行铣削处理，铣削厚度≥5mm；

2）对两块子坯的一侧待复合面进行修磨，在长度方向上，将一短边沿厚度方向减薄厚度d = 5～10mm，与另一短边间形成一斜面；对中间坯上下表面进行修磨，在长度方向上，将一短边沿厚度方向减薄厚度d = 5～10mm，与另一短边间形成一斜面，且加工后的上下斜面平行；

3）将精加工后的子坯进行吊装组坯，在吊装组坯过程中，在每个复合界面的四角各添加厚度e为3～4mm的垫片，垫片材质与子坯相同；

4）采用真空电子束封焊，真空电子束封焊时，离焦量为-2～-3mm，电子束焦点呈锐三角形路径进行扫描，锐三角形底边与封焊方向平行，且距离最下层坯料上表面a为1～1.5mm；锐三角形底边长b为3～4mm，高h为5～6mm，扫描频率f为80～100Hz。

7.根据权利要求6所述的一种用于生产特厚钢板的多层复合坯的制备方法，其特征在于，所述子坯采用热轧钢板或连铸坯。

8.根据权利要求6所述的一种用于生产特厚钢板的多层复合坯的制备方法，其特征在于，三层结构复合坯的封焊顺序是：先封焊一侧下面短边；再封焊相对侧上面短边，继续封焊该相对侧下面短边；最后封焊原一侧上面短边；长边封焊顺序与短边封焊顺序相同。