CN103551711B - 一种中厚板对接单道单面焊双面成形高效焊接方法 - Google Patents

一种中厚板对接单道单面焊双面成形高效焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中厚板对接单道单面焊双面成形高效焊接方法，包括以下步骤：（1）将待焊接的工件连接部位制作成单面焊接坡口，（2）以熔化极气体保护焊接和非熔化极气体保护焊接引出两个电弧进行复合，实现中厚板材对接的双电弧复合热源打底焊接，（3）在双电弧复合热源打底焊接电弧引燃后，在其后一定距离L再以熔化极气体保护焊进行大熔敷量填丝盖面，（4）通过多热源复合实现中厚板对接一次性单面填充焊接完成。本发明所述的一种中厚板对接单道单面焊双面成形高效焊接方法，提高焊接效率，减小焊接变形，减小残余应力，提高焊接接头的质量，以实现自动化的双电弧复合热源打底焊接和多丝多电弧熔化极气体保护焊相组合的高效焊接方法。

Description

一种中厚板对接单道单面焊双面成形高效焊接方法
技术领域
本发明涉及材料工程焊接技术领域，一种中厚板材对接焊缝焊接的双电弧复合热源打底焊接和多丝多电弧填丝大熔敷量高效填充焊接相组合的高效新型焊接方法。
背景技术
目前，由于船舶制造、海洋工程、压力容器、重型机械等行业设备的大型化及重型化，特别是大型金属结构的用量高速增加，使得中厚板对接焊的应用越来越普遍，这造成焊接工作量的大幅增加，再加上焊接生产劳动力成本的增加，因此对焊接生产效率提出了越来越高的要求，高效焊接技术已成为目前制造业最为关心的关键技术之一。
目前已知的各类产品之需要焊透的、中厚板材对接的焊缝，采用的焊接工艺主要有：
(1)先将一面焊缝焊好后，将工件翻转，再用碳弧气刨在其另一面作清根工作或刨出坡口，再焊接另一面焊缝的方法，其缺点是焊接效率非常低、焊接周期长，焊接变形及应力很大，焊接质量也受到很大影响；
(2)将焊缝背面粘贴陶瓷衬垫或加其他强制成形的辅助设施，然后使用熔化极气体保护焊或埋弧焊进行单面的多层多道焊接方法，其缺点是背面的陶瓷衬垫等强制成型的辅助设备对焊缝的成形质量有较大的影响，且不同的工况条件下对陶瓷衬垫的要求不同，其焊接生产效率偏低，不能实现自动化焊接[非专利文献1]；
(3)先使用钨极氩弧焊接(TIG)电弧熔化焊接材料(焊丝)的方法进行打底焊接，然后采用熔化极气体保护焊(MIG/MAG)进行填充及盖面焊接，此工艺受制于钨极氩弧焊的焊接速度较低的限制，其焊接生产效率较低[非专利文献2]；
(4)目前已有TIG-MIG双电弧焊接报道，其焊接过程TIG在前，MIG在后，TIG作用在于预热板材并促进MIG熔滴过渡，从而减小飞溅，增加焊接稳定性，无法实现单面焊双面成形[非专利文献3]。
由于上述行业中的大型金属结构中繁重焊接生产量的增加，要求实现更高效率的焊接方法，现常用的焊接方法存在着工件翻转，碳弧气刨清根；焊缝背面粘贴陶瓷衬垫；焊接速度较低、焊接效率很低、焊工劳动强度较大、焊接成本较高等弊端，因此，急需一种高效的新型焊接方法。
非专利文献1：张建强，施雨湘，杜学铭，陶质衬垫单面焊接工艺研究[J]，武汉水运工程学院学报，1993，17(2)：228-233。
非专利文献2：刘殿宝，张广军，吴林，大厚板双面双TIG电弧打底焊熔池成形特性[J]，焊接学报，2012，33(3)：37-40。
非专利文献3：杨涛，张生虎，高洪明等，TIG-MIG复合焊电弧特性机理分析[J]，焊接学报，2012，33(7)：25-28。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种中厚板对接单道单面焊双面成形高效焊接方法，用以解决现有的中厚板对接焊接方法，焊接效率很低、焊工劳动强度较大、焊接成本较高的缺点。本发明采用的技术手段如下：
一种中厚板对接单道单面焊双面成形高效焊接方法，包括以下工艺步骤：
(1)将待焊接的工件连接部位制作成单面焊接坡口，
(2)以熔化极气体保护焊接和非熔化极气体保护焊接引出两个电弧进行复合，实现中厚板材对接的双电弧复合热源打底焊接，
(3)在双电弧复合热源打底焊接电弧引燃后，在其后一定距离L再以熔化极气体保护焊进行大熔敷量填丝盖面，其中70mm＜L＜200mm，
(4)通过多热源复合实现中厚板对接一次性单面填充焊接完成。
作为优选所述的焊接坡口为单面焊接坡口；焊接前对所述的焊接坡口及其上、下两侧表面30mm范围内进行打磨，并用丙酮清洗焊接坡口及其上、下两侧表面。
作为优选所述的双电弧复合热源打底焊接，其前电弧采用熔化极气体保护焊接的直流反极性接，其后电弧采用非熔化极气体保护焊接的直流正极性接，即熔化极气体保护焊接在前，非熔化极气体保护焊接在后；熔化极气体保护焊焊机的焊枪和非熔化极气体保护焊焊机的焊枪轴心线夹角α在0-90°之间变化，轴心线的尖端距离，即熔化极气体保护焊焊机的焊枪和非熔化极气体保护焊焊机的焊枪电极之间的距离为0-80mm；
其焊接工艺规范为：焊接坡口夹角：20°-60°、焊接坡口间隙：0-3mm、焊接坡口的钝边尺寸：0-3mm。
作为优选所述的双电弧复合热源打底焊接的工艺规范包括熔化极气体保护焊接的工艺规范和非熔化极气体保护焊接的工艺规范；
熔化极气体保护焊接的工艺规范：混合气气体流量：15L/min-30L/min、焊接电流：250A-400A、电弧电压：24V-32V、焊丝直径：Φ1.2mm-1.6mm、焊丝伸出长度：20mm-40mm、焊接速度：50cm/min-90cm/min；
非熔化极气体保护焊为钨极氩弧焊，钨极氩弧焊的工艺规范：氩气气体流量：5L/min-20L/min、焊接电流：50A-200A、电弧电压：8V-30V、钨极直径：Φ2.4mm-3.2mm、焊接速度：50cm/min-90cm/min。
作为优选步骤(3)所述的熔化极气体保护焊为多丝多电弧熔化极气体保护焊，通过多丝多电弧熔化极气体保护焊枪和冷填丝焊枪进行大熔敷量填丝盖面；
所述的多丝多电弧熔化极气体保护焊，其前丝的焊接工艺规范：混合气气体流量：15L/min-30L/min、焊接电流：340A-500A、电弧电压：30V-43V、焊丝直径：Φ1.2mm-1.6mm、焊丝伸出长度：20mm-40mm、焊接速度：50cm/min-80cm/min；
其后丝的焊接工艺规范：混合气气体流量：15L/min-30L/min、焊接电流：300A-480A、电弧电压：32V-46V、焊丝直径：Φ1.2mm-1.6mm、焊丝伸出长度：20mm-35mm、焊接速度：50cm/min-80cm/min；
冷填丝的工艺规范为：焊丝直径：Φ1.2mm-1.6mm、填丝速度：5m/min-20m/min。
与现有技术比较，本发明所述的一种中厚板对接单道单面焊双面成形高效焊接方法具有以下优点：
1、所述的一种中厚板对接单道单面焊双面成形高效焊接方法，实行多电弧的气体保护焊接，保证焊接质量，减少焊接变形，降低接头应力；
2、所述的一种中厚板对接单道单面焊双面成形高效焊接方法，单面坡口可以较小，节省焊接填充材料，较通用的中厚板对接焊工艺提高焊接生产效率2-3倍，缩短工程建造周期；
3、所述的一种中厚板对接单道单面焊双面成形高效焊接方法，采用焊接机器人控制的电弧行走轨迹，可以实现柔性化、曲面的高效焊接。
所述的一种中厚板对接单道单面焊双面成形高效焊接方法在对接接头的单面焊接坡口制作方面，为了提高熔化极气体保护焊的熔敷效率采用了大的焊丝干伸长，一方面焊枪无需进入坡口底部，焊接坡口尺寸较常规通用的焊接坡口减小，焊接坡口为单侧10-30°；另一方面大大减少焊缝填充金属使用量，节省焊接材料的消耗，降低焊接成本，属于低成本、低能耗的高效焊接方法。
所述的双电弧复合热源打底焊接，是利用熔化极气体保护焊和非熔化极气体保护焊的双电弧之间的电磁相互作用使得熔化极气体保护焊的电弧放电和熔滴过渡位置稳定在焊接熔池的前边界处，使得熔化极气体保护焊电弧的热量尽可能多的传递到焊缝底部的钝边处，起到预热钝边的作用，且使得电弧热量分配均衡，不会使熔池温度过高，其流动性变大出现焊缝背面熔透过大的焊瘤现象。熔化极气体保护焊和非熔化极气体保护焊的双电弧打底焊接时，双电弧之间电磁力的相互作用电弧压力降低，使得焊接熔池自由状态的合力达到较大范围的动态平衡。因此，能保证熔化极气体保护焊和非熔化极气体保护焊的双电弧打底焊接时背面熔透成形均匀，且连续、稳定。
所述的多丝多电弧熔化极气体保护焊的大熔敷量高效焊接技术是在多电弧熔化极气体保护焊的焊接等离子体中合理的填加热填丝或冷填丝的方法来提高填充熔敷量以及实现高效焊接。在焊接电弧方面是利用多电弧之间的耦合效果，通过电弧之间的电、磁、力等相互作用，使得电弧的燃烧位置、多电弧等离子体相互作用、多电弧热量分布等发生变化，来控制焊接电弧、熔滴过渡及熔池金属的热量均衡分配，以实现高效焊接。同时，通过改变常用的熔化极气体保护焊的电源极性、加大焊丝干伸长的长度、改变保护气体的混合气比例等因素来得到高效、稳定的旋转射流过渡以及大电流稳定的射流过渡等大熔敷量的高效过渡方式。实现大参数条件下的无飞溅、大熔敷量的高速高效填充焊接。
本发明所述的一种中厚板对接单道单面焊双面成形高效焊接方法，因为取消传统焊接方法中的工件翻转、碳弧气刨清根或背面粘贴陶瓷衬垫的工序，所以能够在焊接过程全程采用焊接机器人进行控制，在板材的一面可以实现熔化极气体保护焊和非熔化极气体保护焊双电弧打底焊接与多丝多电弧熔化极气体保护焊的大熔敷量高效填充一次性焊接完成，可实现柔性化曲面的高速高效焊接；提高焊接效率，减小焊接变形，减小残余应力，提高焊接接头的质量，以实现自动化的双电弧复合热源打底焊接和多丝多电弧熔化极气体保护焊相组合的高效新型焊接方法。
附图说明
图1是中厚板对接焊示意图。
图2是中厚板对接焊坡口示意图。
其中：1、工件Ⅰ，2、焊接坡口，3、熔化极气体保护焊焊机的焊枪，4、工件Ⅱ，5、钝边，6、非熔化极气体保护焊焊机的焊枪，7、多丝多电弧熔化极气体保护焊枪，8、冷填丝焊枪。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种中厚板对接单道单面焊双面成形高效焊接方法，包括以下工艺步骤：
(1)将待焊接的工件连接部位制作成单面焊接坡口2，
(2)以熔化极气体保护焊接和非熔化极气体保护焊接引出两个电弧进行复合，实现中厚板材对接的双电弧复合热源打底焊接，
(3)在双电弧复合热源打底焊接电弧引燃后，在其后一定距离L再以熔化极气体保护焊进行大熔敷量填丝盖面，其中70mm＜L＜200mm，
(4)通过多热源复合实现中厚板对接一次性单面填充焊接完成。
所述的焊接坡口2为单面焊接坡口；焊接前对所述的焊接坡口2及其上、下两侧表面30mm范围内进行打磨，并用丙酮清洗焊接坡口2及其上、下两侧表面。
所述的双电弧复合热源打底焊接，其前电弧采用熔化极气体保护焊接的直流反极性接，其后电弧采用非熔化极气体保护焊接的直流正极性接，即熔化极气体保护焊接在前，非熔化极气体保护焊接在后；熔化极气体保护焊焊机的焊枪3和非熔化极气体保护焊焊机的焊枪6轴心线夹角α在0-90°之间变化，轴心线的尖端距离，即熔化极气体保护焊焊机的焊枪3和非熔化极气体保护焊焊机的焊枪6电极之间的距离为0-80mm；
其焊接工艺规范为：焊接坡口2夹角：20°-60°、焊接坡口2间隙：0-3mm、焊接坡口2的钝边5尺寸：0-3mm。
所述的双电弧复合热源打底焊接的工艺规范包括熔化极气体保护焊接的工艺规范和非熔化极气体保护焊接的工艺规范；
熔化极气体保护焊接的工艺规范：混合气气体流量：15L/min-30L/min、焊接电流：250A-400A、电弧电压：24V-32V、焊丝直径：Φ1.2mm-1.6mm、焊丝伸出长度：20mm-40mm、焊接速度：50cm/min-90cm/min；
非熔化极气体保护焊为钨极氩弧焊，钨极氩弧焊的工艺规范：氩气气体流量：5L/min-20L/min、焊接电流：50A-200A、电弧电压：8V-30V、钨极直径：Φ2.4mm-3.2mm、焊接速度：50cm/min-90cm/min。
步骤(3)所述的熔化极气体保护焊为多丝多电弧熔化极气体保护焊，通过多丝多电弧熔化极气体保护焊枪7和冷填丝焊枪8进行大熔敷量填丝盖面；
所述的多丝多电弧熔化极气体保护焊，其前丝的焊接工艺规范：混合气气体流量：15L/min-30L/min、焊接电流：340A-500A、电弧电压：30V-43V、焊丝直径：Φ1.2mm-1.6mm、焊丝伸出长度：20mm-40mm、焊接速度：50cm/min-80cm/min；
其后丝的焊接工艺规范：混合气气体流量：15L/min-30L/min、焊接电流：300A-480A、电弧电压：32V-46V、焊丝直径：Φ1.2mm-1.6mm、焊丝伸出长度：20mm-35mm、焊接速度：50cm/min-80cm/min；
冷填丝的工艺规范为：焊丝直径：Φ1.2mm-1.6mm、填丝速度：5m/min-20m/min。
实施例1，如图1和图2所示，以板厚为16mm的Q235-B板材对接焊缝为例，对接焊缝焊接工艺如下：
(1)在工件Ⅰ1和工件Ⅱ4上加工成单面焊接坡口2，其尖部钝边5为0.7-1.5mm，工件Ⅰ1和工件Ⅱ4组装后构成的夹角为30°，采用点焊定位，定位后的工件Ⅰ1和工件Ⅱ4之间的间隙为0.5mm-1.5mm。
(2)焊接前，对单面焊接坡口2及其两侧表面30mm范围内进行打磨，并用丙酮清洗焊接坡口及坡口两侧表面。
(3)将熔化极气体保护焊机和钨极氩弧焊机上的各自的焊枪以一定的角度α和一定的距离h复合在一起，其中α角度为30°-40°，h长度为20mm-25mm，固定在焊接机器人的手臂上，进行双电弧复合热源的打底焊接，打底焊接采用熔化极气体保护焊电弧在前，直流反极性接，焊丝直径为Φ1.2mm，混合气气体流量15L/min-25L/min，焊接电流300A-330A，电弧电压28V-32V，焊接速度70cm/min-80cm/min；钨极氩弧焊电弧在后，直流正极性接，钨极直径为Φ3.2mm，氩气气体流量5L/min-15L/min，焊接电流100A-150A，电弧电压14V-16V，焊接速度70cm/min-80cm/min。焊后背面焊缝成形熔透大小适当，且连续、稳定、均匀，焊缝正反两侧不用做任何处理即可进行后续的填充焊接。
(4)双电弧复合热源打底焊接后，直接进行多丝多电弧熔化极气体保护焊，多丝多电弧填丝大熔敷量一次性填充完成的高效焊接，填充焊接采用双丝熔化极气体保护焊加冷填丝技术，双丝熔化极焊接采用直流正极性接，
所述多丝多电弧熔化极气体保护焊，前丝焊接电流360A，电弧电压34V；后丝焊接电流320A，电弧电压36V；填充焊丝直径为Φ1.2mm的焊丝，焊丝伸出长度25mm-35mm，保护气体流量15L/min-20L/min；冷填丝的焊丝直径为Φ1.2mm，填丝速度为8m/min-10m/min，焊接速度50cm/min-60cm/min，一道将焊接坡口填充完成。
实施案2，如图1和图2所示，以板厚为34mm的Q235-B板材对接焊缝为例，对接焊缝焊接工艺如下：
(1)在工件Ⅰ1和工件Ⅱ4上加工成单面焊接坡口2，其尖部钝边5为0.5mm-1.0mm，工件Ⅰ1和工件Ⅱ4组装后构成的夹角为50°，采用点焊定位，定位后的工件Ⅰ1和工件Ⅱ4之间的间隙为0.8mm-1.8mm。
(2)焊接前，对单面焊接坡口2及其两侧表面30mm范围内进行打磨，并用丙酮清洗焊接坡口及坡口两侧表面。
(3)将熔化极气体保护焊机和钨极氩弧焊机上的各自的焊枪以一定的角度β和一定的距离d复合在一起，其中β角度为30°-40°，d长度为20mm-25mm，固定在焊接机器人的手臂上，进行双电弧复合热源的打底焊接，打底焊接采用熔化极气体保护焊电弧在前，直流反极性接，焊丝直径为Φ1.2mm，混合气气体流量15L/min-25L/min，焊接电流320A-360A，电弧电压28V-32V，焊接速度60cm/min-70cm/min；钨极氩弧焊电弧在后，直流正极性接，钨极直径为Φ3.2mm，氩气气体流量5L/min-15L/min，焊接电流150A-200A，电弧电压24V-28V，焊接速度60cm/min-70cm/min。焊后背面焊缝成形熔透大小适当，且连续、稳定、均匀，焊缝正反两侧不用做任何处理即可进行后续的填充焊接。
(4)双电弧复合热源打底焊接后，直接进行多丝多电弧熔化极气体保护焊，多丝多电弧填丝大熔敷量一次性填充完成的高效焊接，填充焊接采用双丝熔化极气体保护焊加双丝冷填丝技术，双丝熔化极焊接采用直流正极性接，
所述多丝多电弧熔化极气体保护焊，前丝焊接电流460A，电弧电压44V；后丝焊接电流440A，电弧电压48V；焊丝直径为Φ1.2mm的焊丝，焊丝伸出长度25mm-40mm，保护气体流量15L/min-20L/min；冷填丝的焊丝直径为Φ1.2mm，填丝速度为12m/min-15m/min，焊接速度45cm/min-55cm/min，一道将焊接坡口填充完成。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种中厚板对接单道单面焊双面成形高效焊接方法，其特征在于包括以下工艺步骤：
(1)将待焊接的工件连接部位制作成单面焊接坡口(2)，
(2)以熔化极气体保护焊接和非熔化极气体保护焊接引出两个电弧进行复合，实现中厚板材对接的双电弧复合热源打底焊接，
(3)在双电弧复合热源打底焊接电弧引燃后，在其后一定距离L再以熔化极气体保护焊进行大熔敷量填丝盖面，其中70mm＜L＜200mm，
(4)通过多热源复合实现中厚板对接一次性单面填充焊接完成；
步骤(3)所述的熔化极气体保护焊为多丝多电弧熔化极气体保护焊，通过多丝多电弧熔化极气体保护焊枪(7)和冷填丝焊枪(8)进行大熔敷量填丝盖面；
所述的多丝多电弧熔化极气体保护焊，其前丝的焊接工艺规范：混合气气体流量：15L/min-30L/min、焊接电流：340A-500A、电弧电压：30V-43V、焊丝直径：Φ1.2mm-1.6mm、焊丝伸出长度：20mm-40mm、焊接速度：50cm/min-80cm/min；
其后丝的焊接工艺规范：混合气气体流量：15L/min-30L/min、焊接电流：300A-480A、电弧电压：32V-46V、焊丝直径：Φ1.2mm-1.6mm、焊丝伸出长度：20mm-35mm、焊接速度：50cm/min-80cm/min；
冷填丝的工艺规范为：焊丝直径：Φ1.2mm-1.6mm、填丝速度：5m/min-20m/min。
2.根据权利要求1所述的一种中厚板对接单道单面焊双面成形高效焊接方法，其特征在于：所述的焊接坡口(2)为单面焊接坡口；焊接前对所述的焊接坡口(2)及其上、下两侧表面30mm范围内进行打磨，并用丙酮清洗焊接坡口(2)及其上、下两侧表面。
3.根据权利要求1所述的一种中厚板对接单道单面焊双面成形高效焊接方法，其特征在于：所述的双电弧复合热源打底焊接，其前电弧采用熔化极气体保护焊接的直流反极性接，其后电弧采用非熔化极气体保护焊接的直流正极性接，即熔化极气体保护焊接在前，非熔化极气体保护焊接在后；熔化极气体保护焊焊机的焊枪(3)和非熔化极气体保护焊焊机的焊枪(6)轴心线夹角α在0-90°之间变化，轴心线的尖端距离，即熔化极气体保护焊焊机的焊枪(3)和非熔化极气体保护焊焊机的焊枪(6)电极之间的距离为0-80mm；
其焊接工艺规范为：焊接坡口(2)夹角：20°-60°、焊接坡口(2)间隙：0-3mm、焊接坡口(2)的钝边(5)尺寸：0-3mm。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种中厚板对接单道单面焊双面成形高效焊接方法，其特征在于：所述的双电弧复合热源打底焊接的工艺规范包括熔化极气体保护焊接的工艺规范和非熔化极气体保护焊接的工艺规范；
熔化极气体保护焊接的工艺规范：混合气气体流量：15L/min-30L/min、焊接电流：250A-400A、电弧电压：24V-32V、焊丝直径：Φ1.2mm-1.6mm、焊丝伸出长度：20mm-40mm、焊接速度：50cm/min-90cm/min；
非熔化极气体保护焊为钨极氩弧焊，钨极氩弧焊的工艺规范：氩气气体流量：5L/min-20L/min、焊接电流：50A-200A、电弧电压：8V-30V、钨极直径：Φ2.4mm-3.2mm、焊接速度：50cm/min-90cm/min。
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