CN105880815A - 一种管板角接接头辅助焊接装置及焊接方法 - Google Patents

一种管板角接接头辅助焊接装置及焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种管板角接接头辅助焊接装置及焊接方法。所述辅助焊接装置包括金属板和金属管、工艺筋；所述金属板上开有供金属管端部穿过的孔，该孔的侧壁均为K型坡口；所述金属管的端部穿过金属板上的孔，且金属管的端面与金属板的正面共面；所述工艺筋固定在金属板的正面，且与金属管的端面接触；所述金属管的外壁与金属板的孔壁之间具有间隙。所述焊接方法先内侧焊至坡口深度的2/3—4/5，再翻面焊接外侧焊缝至全部填满，最后完成内侧剩余焊接。本发明可以控制管板的焊接变形，拥有良好焊缝外观及内部质量，以适用于类似轨道交通等领域类似零部件的焊接。

Description

一种管板角接接头辅助焊接装置及焊接方法
技术领域
本发明涉及一种管板角接接头辅助焊接装置及焊接方法，属于管板焊接技术领域。
背景技术
对于厚度为10mm—25mm的中厚金属板焊接，不管是对接接头还是T型接头，多采用K型坡口焊接，以达到双面焊双面成型的目的，尤其管板对接的K型焊缝通过采用工装或压金属板压紧的方式，可以较容易减小其变形，其焊接方式有埋弧焊、MAG焊(熔化极活性气体保护焊)等多种焊接方法，但对于管板角接的K型坡口焊接方法还未曾涉及。
管板角接的K型焊缝的难点在于焊接变形和内部缺陷，尤其对于有垂直度和平面度要求的零部件，更应该控制焊接变形。引起焊接变形的主要原因是焊接过程中的热输入不均匀引起焊接残余应力。影响焊接残余应力和变形的因素有两点：
一是焊缝及其周围不均匀加热的范围和程度，即产生热变形的范围和程度；
二是焊件本身的刚度及受到周围拘束的程度，即阻止焊缝及其周围加热所产生热变形的程度。
由于此类焊缝均为关键焊缝，焊后需要进行磁粉探伤和超声波探伤，容易发现内部含有气孔、裂纹、夹渣、位熔合等缺陷，给返修带来不便，影响焊接零部件质量稳定性，这些缺陷产生的主要原因有：焊前预热温度不合适，焊前打磨清理不干净，层间温度控制不够，焊接参数不合适等。
中国专利申请CN102513713A公开了一种不锈钢复合金属板制压力容器壳体与***式不锈钢接金属管的焊接方法，其包括如下步骤：
a)、在不锈钢复合金属板制压力容器壳体上开设不锈钢接金属管的金属管孔，将金属管孔壁加工成K型或单V型的一次坡口；
b)、在一次坡口面上用高铬镍不锈钢焊条堆焊一定厚度的过渡隔离层，形成二次坡口；
c)、将堆焊后的不锈钢复合金属板制压力容器壳体进行消除应力热处理；
d)、根据复合金属板上的不锈钢复层的材质用同材质的不锈钢焊条焊接不锈钢接金属管与不锈钢复合金属板堆焊层间的角接接头。由于先在不锈钢复合金属板基层侧的一次坡口上用高铬镍焊条堆焊一定厚度的过渡隔离层，然后用不锈钢焊条焊接角接接头，将碳钢或低合金钢成分过渡为不锈钢成分，焊缝塑性由小到大的过渡，避免了裂纹的发生，使用性能可靠。
然而该种焊接只是针对异种钢或不锈钢壳体与不锈钢接金属管之间的焊接，同时还要在不锈钢壳体开设的K型或V型坡口上堆焊过渡熔敷隔离层，再进行管板的焊接，由于增加了过渡层，导致应力不均匀，容易产生裂纹，必须通过热处理消除焊接残余应力，工艺施工难度较大，更重要的是无法彻底根除异种材料焊接产生裂纹的隐患，只适用于金属板厚较薄的壳体与接金属管的焊接，对10—25mm的中厚金属板碳钢材质的管板焊接并不适用。
发明内容
为实现管板角接的K型坡口焊接，并具有良好的焊接外观效果(重点保证金属管子与金属板的垂直度及金属管子端部与金属板子的平面度)及内部质量(无裂纹、气孔、夹渣、未焊透、未熔合)，本发明旨在提供一种管板角接接头辅助焊接装置及焊接方法，该焊接方法首先要解决的问题是如何控制中厚金属板厚度的管板角接接头K型坡口焊接变形，从而可以控制焊接变形，拥有良好焊缝外观及内部质量，以适用于类似轨道交通等领域类似零部件的焊接。进一步要解决的问题是如何减少焊接时的翻面次数，进而降低劳动强度，提高工作效率。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种管板角接接头辅助焊接装置，包括金属板和金属管，其结构特点是，还包括工艺筋；所述金属板上开有供金属管端部穿过的孔，该孔的侧壁均为K型坡口；所述金属管的端部穿过金属板上的孔，且金属管的端面与金属板的正面共面；所述工艺筋固定在金属板的正面，且与金属管的端面接触；所述金属管的外壁与金属板的孔壁之间具有间隙。
本发明的辅助焊接装置可以使中厚金属板与金属管的角接焊接质量得到了控制，焊缝经磁粉探伤和超声波探伤达到了EN 15085《轨道车辆及其部件的焊接》中CPB级焊缝质量要求，焊接变形得到了很好的控制。
本发明所述的金属管的端面与金属板的正面共面是指在肉眼看来为一个平面，金属管端面与金属板近似在同一平面上，避免了校正等工序，提高了工作效率。
根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：
优选地，所述金属管为金属圆管，金属板上开圆孔；优选金属管外壁与金属板的圆孔内壁之间的环形间隙为2mm-3mm；优选K型坡口为环状K型对称坡口。
优选地，所述工艺筋有两条；优选工艺筋的长度大于金属板孔的最大径向尺寸至少100mm；更优选工艺筋的长度大于金属板孔的最大径向尺寸100mm-150mm。
在本发明中，所述金属板厚t1为10mm-25mm，金属管壁厚t2为10mm—50mm。
优选地，所述K型坡口的正反面坡口角度α均为45°—50°。
为了方便分段焊接，所述K型坡口的根部具有钝边；优选该钝边的长度c为1mm-2mm。
一种管板角接接头焊接方法，其包括如下步骤：
S1、在金属板上开孔，并在孔内壁上加工K型坡口；
S2、将金属板的正面通过工艺筋垫起，并固定金属板和工艺筋；
S3、将金属管穿过金属板的孔，在金属管外壁与孔内壁之间设有间隙，且保证金属管端面与金属板的正面共面；
S4、固定工艺筋和金属管，在金属管与金属板接触的外侧部分的V型坡口处点焊多段打底焊缝，并预热金属管与金属板接触的内侧部分的V型坡口以及周边母材；优选打底焊缝为三段，每段长度为15mm—20mm；
S5、对金属板的孔内侧K型坡口根部焊道打底焊接，使根部焊道熔透后，部分焊缝金属透过金属管与金属板接触的外侧部分的V型坡口，完成打底焊接；
S6、打底焊接后，清理焊缝表面的氧化皮，再进行填充层的焊接，焊至K型坡口深度的至少一半时，翻面去掉工艺筋，并对K型坡口的外侧V型坡口根部进行清根；
S7、清根完成后，对K型坡口的外侧V型坡口处焊缝及周边进行预热，再进行外侧多层多道焊接，直至外侧焊缝全部填满，最后完成K型坡口内侧剩余深度的焊接。
由此，内侧焊缝焊接时会产生向内侧弯曲的焊接变形，外侧焊接时会产生向外侧弯曲的焊接变形，两者相互抵消，从而控制焊接变形，拥有良好焊缝外观及内部质量。
所述K型坡口为圆环状；优选K型坡口的正反面坡口角度α均为45°—50°。
步骤S6中，焊至K型坡口深度的2/3—4/5时，翻面去掉工艺筋，步骤S7中，K型坡口内侧剩余深度为K型坡口深度的1/5—1/3。
焊接方式为MAG焊，保护气为含CO2的富氩保护气；优选Ar和CO2的体积分数之比为(80％—90％)：(10％—20％)；优选MAG焊的焊丝为实心焊丝，直径为1.2mm—1.6mm，气体流量为15L/min—20L/min，焊接电流为180-240A，焊接电压为28-32V，焊接速度为250mm/min—350mm/min，层间温度为50-100℃，步骤S4、S7中，预热温度为150℃-200℃。
本发明采用上述对称K型坡口焊接工艺焊接类似管板结构，可以使中厚金属板与金属圆管的角接焊接质量得到了控制，焊缝经磁粉探伤和超声波探伤达到了EN 15085《轨道车辆及其部件的焊接》中CPB级焊缝质量要求，焊接变形得到了很好的控制，金属圆管端部与钢板近似在同一平面上，避免了校正等工序，提高了工作效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用上述方法6KJ/cm—13KJ/cm热输入焊接完成的管板角接焊缝，金属圆管端部与钢板基本在同一平面，变形量小，同时金属圆管与钢板的垂直度也保持很好，经磁粉探伤和超声波探伤检测后，未见明显缺陷，符合EN15085中CPB级焊缝质量要求，无焊后校正或返修工序，大大提高了焊接效率。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构原理图；
图2是图1的俯视图。
在图中
1-金属板，2-金属管；3-工艺筋；4-K型对称坡口；5-根部；A-金属板正面。
具体实施方式
以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
一种管板角接接头K型坡口MAG焊焊接方法，按以下步骤进行：
1)采用机加设备对中厚金属板(图1中金属板1)加工环状K型坡口，优选为K型对称坡口。K型对称坡口的正反面坡口角度α均为45°—50°，根部留有钝边c为1—2mm；
1)采用机加设备加工金属管，图1中金属管2，优选为金属圆管，金属圆管外径尺寸小于金属板子环状K型坡口内径2—3mm；
2)采用机加设备加工两条截面尺寸大于50×50mm，长度大于金属板子环状K型坡口100—150mm的工艺筋3；
3)将金属板1用2条工艺筋3垫起，点焊固定住工艺筋3和金属板1的正面；
4)将金属管2穿入金属板1，保证金属管2和金属板1在同一平面上，保证金属管2与金属板1的环形孔装配间隙b为2—3mm；
5)点焊固定住工艺筋3和金属管2，点焊固定住工艺筋3和金属管2，同时均匀分布点焊金属板1和金属管2外侧(靠近工艺筋的单V型坡口)三段长15—20mm长的环状打底焊缝；
6)预热金属板1与金属管2接触的内侧焊缝坡口(远离工艺筋的单V型坡口)及周边母材至150—200℃；
7)采用MAG焊(熔化极活性气体保护焊)实心焊丝进行K型坡口钢板内侧根部焊道的打底焊接，使根部焊道熔透后，部分焊缝金属透过坡口正面，完成打底焊接；
8)打底焊接后，待温度降至50℃—100℃左右，清理焊缝表面的氧化皮、飞溅后，再进行填充层的焊接，焊至坡口深度2/3—4/5时，翻面去掉工艺筋，并用车床对外侧坡口根部进行清根；
9)清根完成后，对外侧坡口处焊缝及周边进行预热至150—200℃，再用MAG焊进行外侧多层多道焊接，直至外侧焊缝全部填满，再用MAG焊完成内侧剩余的1/5—1/3深度的焊接。
本发明的工作原理：
这种先内侧焊至坡口深度的2/3—4/5，再翻面焊接外侧焊缝至全部填满，再完成内侧剩余焊接的方法，起到以下作用：
(1)内侧焊缝焊接时会产生向内侧弯曲的焊接变形，外侧焊接时会产生向外侧弯曲的焊接变形，两者相互抵消；
(2)内侧焊缝焊至坡口深度的2/3—4/5，而外侧焊缝打底、填充、盖面焊接一次全部完成，原因是内侧焊缝先焊接，焊接时引起的收缩量最大，后续逐道递减，只有外侧焊道更多才能抵消内侧焊缝焊接时产生的应力变形；
(3)这样操作简便，通过自制的2条工艺筋连接中厚金属板和金属圆管，约束了相互间的焊接变形，减少了焊接翻面次数，降低了劳动强度，提高了工作效率，最重要的是不需要焊接工装夹具，即可很好的控制了焊接变形，焊缝质量高，适用于轨道交通等领域类似部件的焊接。
MAG焊的保护气体为80％—90％Ar+10％—20％CO2(体积分数)。
本发明的焊丝为实心焊丝，直径为1.2—1.6mm，气体流量为15—20L/min，焊接电流为180-240A，焊接电压为28-32V，焊接速度为250—350mm/min，层间温度为50-100℃，预热温度为150-200℃。
本发明采用上述对称K型坡口焊接工艺焊接类似管板结构，可以使中厚金属板与金属圆管的角接焊接质量得到了控制，焊缝经磁粉探伤和超声波探伤达到了EN 15085《轨道车辆及其部件的焊接》中CPB级焊缝质量要求，焊接变形得到了很好的控制，金属圆管端部与钢板近似在同一平面上，避免了校正等工序，提高了工作效率。
本发明中，金属管2优选为金属圆管，图1中t1:10—25mm，t2:10—50mm，t3为截面尺寸大于50×50mm，长度大于金属板1的圆孔直径100—150mm。
以下以一个实例详细介绍本发明：
采用实心焊丝，富氩保护气体(80％Ar+20％CO2)，选用一块400mm(钢板纵向)×220mm(钢板横向)×25mm(厚)的Q345D低合金高强钢板，一个φ180mm(直径φA)×25mm(壁厚)×115mm(长度)的Q345D材质金属圆管以及2个90mm×90mm×300mm的Q235B材质工艺筋。用6KJ/cm—13KJ/cm的热输入焊接管板角接K型坡口焊缝。焊接前，钢板用机械加工的方法加工环形对称K型坡口，然后按图1中的方法组对，先对内侧待焊部位进行预热，然后焊接坡口至整个坡口深度的2/3—4/5，再用车床等机加设备将外侧坡口根部进行清根处理，打磨干净后将外侧焊缝一次焊满，再焊接内侧剩余部分。实心焊丝富氩气体MAG焊焊接参数如表1所示：
表1热输入6KJ/cm—13KJ/cm实心焊丝富氩气体保护MAG焊焊接工艺参数
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种管板角接接头辅助焊接装置，包括金属板（1）和金属管（2），其特征在于，还包括工艺筋（3）；所述金属板（1）上开有供金属管（2）端部穿过的孔，该孔的侧壁均为K型坡口（4）；所述金属管（2）的端部穿过金属板（1）上的孔，且金属管（2）的端面与金属板（1）的正面（A）共面；所述工艺筋（3）固定在金属板（1）的正面（A），且与金属管（2）的端面接触；所述金属管（2）的外壁与金属板的孔壁之间具有间隙。
2.根据权利要求1所述的管板角接接头辅助焊接装置，其特征在于，所述金属管（2）为金属圆管，金属板（1）上开圆孔；优选金属管（2）外壁与金属板的圆孔内壁之间的环形间隙为2mm-3mm；优选K型坡口（4）为环状K型对称坡口。
3.根据权利要求1所述的管板角接接头辅助焊接装置，其特征在于，所述工艺筋（3）有两条；优选工艺筋的长度大于金属板（1）孔的最大径向尺寸至少100mm；更优选工艺筋的长度大于金属板（1）孔的最大径向尺寸100mm-150mm。
4.根据权利要求1-3之一所述的管板角接接头辅助焊接装置，其特征在于，所述金属板（1）厚10mm-25mm，金属管（2）壁厚10mm-50mm。
5.根据权利要求1-3之一所述的管板角接接头辅助焊接装置，其特征在于，所述K型坡口（4）的正反面坡口角度α均为45°—50°。
6.根据权利要求1-3之一所述的管板角接接头辅助焊接装置，其特征在于，所述K型坡口（4）的根部（5）具有钝边；优选该钝边的长度c为1mm-2mm。
7.一种管板角接接头焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在金属板（1）上开孔，并在孔内壁上加工K型坡口（4）；
S2、将金属板（1）的正面通过工艺筋（3）垫起，并固定金属板（1）和工艺筋（3）；
S3、将金属管（2）穿过金属板（1）的孔，在金属管（2）外壁与孔内壁之间设有间隙，且保证金属管（2）端面与金属板（1）的正面共面；
S4、固定工艺筋（3）和金属管（2），在金属管（2）与金属板（1）接触的外侧部分的V型坡口处点焊多段打底焊缝，并预热金属管（2）与金属板（1）接触的内侧部分的V型坡口以及周边母材；
S5、对金属板（1）的孔内侧K型坡口根部焊道打底焊接，使根部焊道熔透后，部分焊缝金属透过金属管（2）与金属板（1）接触的外侧部分的V型坡口，完成打底焊接；
S6、打底焊接后，清理焊缝表面的氧化皮，再进行填充层的焊接，焊至K型坡口深度的至少一半时，翻面去掉工艺筋，并对K型坡口的外侧V型坡口根部进行清根；
S7、清根完成后，对K型坡口的外侧V型坡口处焊缝及周边进行预热，再进行外侧多层多道焊接，直至外侧焊缝全部填满，最后完成K型坡口内侧剩余深度的焊接。
8.根据权利要求7所述的管板角接接头焊接方法，其特征在于，所述K型坡口为圆环状；优选K型坡口的正反面坡口角度α均为45°—50°。
9.根据权利要求7所述的管板角接接头焊接方法，其特征在于，步骤S6中，焊至K型坡口深度的2/3—4/5时，翻面去掉工艺筋，步骤S7中，K型坡口内侧剩余深度为K型坡口深度的1/5—1/3。
10.根据权利要求7-9之一所述的管板角接接头焊接方法，其特征在于，焊接方式为MAG焊，保护气为含CO2的富氩保护气；优选Ar和CO2的体积分数之比为（80%—90%）：（10%—20%）；优选MAG焊的焊丝为实心焊丝，直径为1.2mm—1.6mm，气体流量为15 L/min—20L/min，焊接电流为180-240A，焊接电压为28-32V，焊接速度为250 mm/min—350mm/min，层间温度为50-100℃，步骤S4、S7中，预热温度为150℃-200℃。
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