CN110788464A - 一种大厚度结构钢筒体的电子束焊接方法 - Google Patents

一种大厚度结构钢筒体的电子束焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种大厚度结构钢筒体的电子束焊接方法，包括：对工件的前端框、筒体和后端框进行预处理，得到预处理后的前端框、筒体和后端框；采用焊接工装将所述预处理后的前端框、筒体和后端框对接装配在一起，生成待焊工件；将所述待焊工件装配至电子束焊机上，生成待焊组件；将所述待焊组件放置于预设真空度的真空室内；在所述真空室内，采用经验证的电子束焊接参数对所述待焊组件进行真空电子束焊接，得到焊接完成工件；其中，所述电子束流的大小是根据焊接过程变更的。本发明实施例有利于产品的质量可控性及稳定性。

Description

一种大厚度结构钢筒体的电子束焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别是一种大厚度结构钢筒体的电子束焊接方法。
背景技术
某水下助推结构筒体采用20#钢作为原材料，筒体设计结构如附图1，由中间筒体和两端堵盖组成，直径812mm，焊缝的对接厚度16mm，背面锁底厚度3mm。
由于产品结构所限，电子束焊接时，必须控制好焊缝熔深，确保焊缝焊透，同时又不击穿锁底，避免伤到筒体内部零件，焊缝需进行X光无损探伤，满足GJB1718A-2005《电子束焊接》I级焊接标准。由于产品直径大、厚度大，焊接时易产生气孔、未焊透缺陷，同时，大厚度的焊缝在焊接过程中热输入较大，造成热积累对后焊部分焊缝的影响较大，极易造成后焊部分的焊缝穿透锁底。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术中大厚度的焊缝在焊接过程中热输入较大，造成热积累对后焊部分焊缝的影响较大，极易造成后焊部分的焊缝穿透锁底，提供了一种大厚度结构钢筒体的电子束焊接方法。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种大厚度结构钢筒体的电子束焊接方法，包括：
对工件的前端框、筒体和后端框进行预处理，得到预处理后的前端框、筒体和后端框；
采用焊接工装将所述预处理后的前端框、筒体和后端框对接装配在一起，生成待焊工件；
将所述待焊工件装配至电子束焊机上，生成待焊组件；
将所述待焊组件放置于预设真空度的真空室内；
在所述真空室内，采用经验证的电子束焊接参数对所述待焊组件进行真空电子束焊接，得到焊接完成工件；其中，所述电子束流的大小是根据焊接过程变更的。
优选地，所述对工件的前端框、筒体、后端框进行预处理，得到预处理后的前端框、筒体和后端框的步骤，包括：
对所述工件进行退磁处理，得到退磁工件；
采用砂布带分别打磨所述退磁工件的前端框、筒体和后端框的待焊部位；
采用无水酒精清洁各所述待焊部位，得到所述预处理后的前端框、筒体和后端框。
优选地，所述退磁工件的焊缝处的磁通量小于等于1×10-4T。
优选地，所述预设真空度为7×10-4mbar。
优选地，所述预处理后的前端框和后端框均为对接厚度为16mm和锁底厚度为3mm的对接锁底接头，所述预处理后的筒体的对接厚度为16mm，在对接装配完成之后，所述预处理后的前端框、筒体和后端框之间的对接阶差小于等于0.3mm，对接间隙小于等于0.2mm。
优选地，所述采用经验证的电子束焊接参数对所述待焊组件进行真空电子束焊接的步骤，包括：
在采用所述电子束焊接时，依次采用定位焊、深熔焊和修饰焊对所述待焊组件进行真空电子束焊接。
优选地，所述定位焊的电子束流为Ib 30mA，所述深熔焊的电子束流以Ib117mA焊接285°，所述修饰焊的电子束流为Ib 50mA。
优选地，在采用所述电子束进行焊接时，所述电子束采用摆动扫描的形式进行焊接，摆动扫描所形成的扫描轨迹以椭圆形扫描轨迹为重复单元，由多个椭圆形扫描轨迹排列而成；
其中，所述椭圆形扫描轨迹的长轴位于焊缝之上，所述椭圆形扫描轨迹的短轴与所述焊缝相互垂直。
优选地，所述椭圆形扫描轨迹的短轴长度为2mm，所述椭圆形扫描轨迹的短轴长度为1mm，扫描频率为800Hz。
优选地，在所述采用经验证的电子束焊接参数对所述待焊组件进行真空电子束焊接，得到焊接完成工件的步骤之后，还包括：
在所述待焊组件焊接完成之后，检查所述待焊组件的焊缝外观成型状态；
在所述焊缝的外观成型状态符合预设条件时，将所述焊接完成工件从所述真空室内取出；
对所述焊接完成工件进行X射线检测。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明提供的大厚度结构钢筒体的电子束焊接方法，通过对工件的前端框、筒体和后端框进行预处理，得到预处理后的前端框、筒体和后端框，采用焊接工装将预处理后的前端框、筒体和后端框对接装配在一起，生成待焊工件，将待焊工件装配至电子束焊机上，生成待焊组件，将待焊组件放置于预设真空度的真空室内，在真空室内，采用经验证的电子束焊接参数对待焊组件进行真空电子束焊接，得到焊接完成工件。本发明实施例有利于产品的质量可控性及稳定性。
附图说明
图1为现有技术中的助推结构筒体的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种大厚度结构钢筒体的电子束焊接方法的步骤流程图；
图3为本发明实施例提供的一种对接锁底接头熔合区的形貌的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种深熔焊时焊接束流的变化形式的示意图。
具体实施方式
在现有技术方案中，焊接大厚度20#钢的筒体，易产生气孔、焊缝未焊透或穿透锁底等焊接缺陷。20#钢虽然有较好的焊接性，但对于大厚度对接锁底形式的焊缝，熔池内部气体不容易逸出，易产生气孔缺陷。20#钢材料的导热性较差，大厚度的焊缝在焊接过程中热输入较大，造成热积累对后焊部分焊缝的影响较大，焊缝锁底厚度小，熔深允许的波动范围小，极易造成后焊部分的焊缝穿透锁底，导致筒体内部零件损伤。
本发明实施例的技术构思为：在整圈焊接过程中，通过改变焊接电子束流的大小，即改变焊接热输入的方式，使后焊接部位的线能量减小，从而达到控制焊缝熔深，使后焊接的焊缝不穿透锁底。
参照图2，示出了本发明实施例提供的一种大厚度结构钢筒体的电子束焊接方法的步骤流程图，如图2所示，该大厚度结构钢筒体的电子束焊接方法可以包括如下步骤：
步骤201：对工件的前端框、筒体和后端框进行预处理，得到预处理后的前端框、筒体和后端框。
在本发明实施例中，工件是指需要进行焊接的工件，工件可以包括前端框、筒体和后端框三个部件，本发明旨在对三个部件的焊缝进行焊接处理。
首先，可以对工件的前端框、筒体和后端框进行预处理，具体地，结合下述优选实施例进行详细描述。
在本发明的一种优选实施例中，上述步骤201可以包括：
子步骤S1：对所述工件进行退磁处理，得到退磁工件；
子步骤S2：采用砂布带分别打磨所述退磁工件的前端框、筒体和后端框的待焊部位；
子步骤S3：采用无水酒精清洁各所述待焊部位，得到所述预处理后的前端框、筒体和后端框。
在本发明实施例中，可以采用退磁器将工件进行退磁，使产品焊缝附近的磁通量密度小于等于1×10-4T，避免磁场对电子束流的影响，堵盘及拉杆工装采用铝合金材料。
然后，清理加工到尺寸精度的前端框、筒体、后端框，分别用砂布带打磨待焊部位，待焊部位表面打磨宽度不小于15mm，打磨至金属光泽，然后用无水酒精清洁待焊部位。
当然，预处理方式还可以包括其它方式，具体地，可以根据业务需求而定，本发明实施例对此不加以限制。
在对工件的前端框、筒体和后端框进行预处理，可以得到预处理后的前端框、筒体和后端框，预处理后的前端框和后端框均为对接厚度为16mm和锁底厚度为3mm的对接锁底接头，预处理后的筒体的对接厚度为16mm，在对接装配完成之后，预处理后的前端框、筒体和后端框之间的对接阶差小于等于0.3mm，对接间隙小于等于0.2mm。
对于对接锁底接头熔合区的形貌可以是如图3所示。
在得到预处理后的前端框、筒体和后端框之后，执行步骤202。
步骤202：采用焊接工装将所述预处理后的前端框、筒体和后端框对接装配在一起，生成待焊工件。
在本发明中，焊接工装可以为铝合金焊接工装，在得到预处理后的前端框、筒体和后端框之后，可以采用铝合金焊接工装将前端框、筒体、后端框对接装配在一起，进而可以生成待焊工件。
在采用焊接工装将预处理后的前端框、筒体和后端框对接装配在一起，生成待焊工件之后，执行步骤203。
步骤203：将所述待焊工件装配至电子束焊机上，生成待焊组件。
在生成待焊工件之后，可以将待焊工件装配至电子束焊机上，以生成待焊组件，进而，执行步骤204。
步骤204：将所述待焊组件放置于预设真空度的真空室内。
步骤205：在所述真空室内，采用经验证的电子束焊接参数对所述待焊组件进行真空电子束焊接，得到焊接完成工件。
在生成待焊组件之后，可以将待焊组件送进真空室，抽真空，真空度达到7×10- 4mbar后，用经验证的电子束焊接参数对筒体组件进行真空电子束焊接，焊接过程焊接电子束流变化。
其中，电子束焊接一次包括定位焊、深熔焊、修饰焊。在筒体的整圈深熔焊接过程中，热输入大，热积累对后焊部分的焊缝影响较大，焊接电子束流变化。定位焊和修饰焊的热输入较小，电子束流不变。图4中，按照瞬时针转焊接，从-20°至-15°为工件空转阶段；从-15°至0°为深熔焊电子束流上升(起弧)阶段；从0°至285°为深熔焊大束流焊接阶段；从285°至360°为深熔焊小束流焊接阶段；从360°至375°为深熔焊电子束流下降(收弧)阶段。
在0°至285°的区域，采用大束流焊接，热输入大，由于材料的导热性差，散热慢，未焊部分热累积加大，此时对285°至360°的部分采取降束流的措施，减小热输入。本发明即通过理论分析和实验验证来选择最佳的焊接束流。采用表1所用的焊接参数，可以得到满足焊缝要求的合格焊缝。
表1：
Figure BDA0002236305170000061
需要说明的是：在深熔焊时，0°至285°的区域，焊接束流117A，285°至360°的部分，焊接束流109A。
而深熔焊的焊接束流可以如下述表2所示：
表2：
Figure BDA0002236305170000062
例如，参照图4，示出了本发明实施例提供的一种深熔焊时焊接束流的变化形式的示意图，如图4所示，A：-20°，开始转动→B：-15°，开始起弧→C：0°，开始大束流焊接→D：开始小束流。
电子束焊接方法中，利用电子束进行定位焊、深熔焊、修饰焊时，电子束可以采用摆动扫描的形式进行焊接，摆动扫描所形成的扫描轨迹以椭圆形扫描轨迹为重复单元，由多个椭圆形扫描轨迹排列而成，其中，椭圆形扫描轨迹的长轴在焊缝上，椭圆形扫描轨迹的短轴与焊缝垂直。
优选的是，的电子束焊接方法中，椭圆形扫描轨迹的短轴长度为1mm，椭圆形扫描轨迹的短轴长度为2mm，扫描频率为800Hz。
利用电子束对任一段进行焊接时，通过电磁线圈使电子束产生摆动扫描，使电子束焊缝适当加宽，防止因电子束的束流直径小，产生焊缝焊偏，同时还起到对焊缝熔池的搅拌避免气孔、夹杂等缺陷。
扫描形式为：利用x轴和y轴构建一个经过焊缝、且垂直电子束流的平面(即焊缝表面)，其中，x轴平行于焊缝，x轴的方向与焊接方向相同，y轴垂直于焊缝，电子束以双余弦的形式进行扫描，即同时相对于x轴和y轴做余弦形式的摆动，且电子束相对于x轴的余弦摆动轨迹和相对于y轴余弦摆动轨迹的相差是89°，并且在x轴上的摆动幅值VX为2mm，在y轴上的摆动幅值VY为1mm，所合成出来的扫描图形的重复单元就是以焊缝中心一点为中心的椭圆形扫描轨迹，椭圆形扫描轨迹的长轴为VY摆动振幅的2倍，椭圆形扫描轨迹的短轴为VX摆动振幅的2倍，扫描频率(即在单位时间内椭圆形扫描轨迹的个数)为800Hz。
在本发明的另一优选实施例中，在上述步骤205之后，还可以包括：
步骤M1：在所述待焊组件焊接完成之后，检查所述待焊组件的焊缝外观成型状态；
步骤M2：在所述焊缝的外观成型状态符合预设条件时，将所述焊接完成工件从所述真空室内取出；
步骤M3：对所述焊接完成工件进行X射线检测。
在本发明实施例中，电子束焊接完成后，检查焊缝外观质量无目视可见缺陷后，真空室进气，将工件开出真空室并取下工件。
拆除工装后检查焊缝背面质量，以不穿透焊缝对接锁底面为自检合格。
对电子束焊缝内部质量进行X射线检测，要求焊缝质量符合GJB1718A-2005《电子束焊接》Ⅰ级标准。
本发明在某型助推结构筒体上实施，待焊处外径812mm，待焊处筒体为对接锁底结构，对接厚度16mm，锁底厚度3mm，材料为20#钢，助推结构筒体结构形式如附图1所示。具体方法如下：
焊接退磁：用退磁器将工件进行退磁，使产品焊缝附近的磁通量密度不大于1×10-4T，避免磁场对电子束流的影响；
筒体待焊部位清理：清理加工到尺寸精度的前端框、筒体、后端框，分别用砂布带打磨待焊部位，待焊部位打磨宽度不小于15mm，打磨至金属光泽，然后用无水酒精清洁待焊部位；
装配：采用铝合金焊接工装将前端框、筒体、后端框对接装配在一起，焊缝时对接阶差≤0.3mm，对接间隙≤0.2mm，将待焊工件吊装到电子束焊机的回转装置上；
焊接：将待焊组件送进真空室，抽真空，真空度达到7×10-4mbar后，选用表1电子束焊参数，依次进行电子束焊定位焊、深熔焊和修饰焊，焊接过程焊接电流变化，采用椭圆扫描方式；
出真空室：电子束焊接完成后，检查焊缝外观成型良好，无目视可见缺陷后，真空室进气，将工件开出真空室并取下工件；
自检：拆除工装后检查焊缝背面质量，以不穿透焊缝对接锁底面为自检合格；
无损检测：完成焊接，对电子束焊缝内部质量进行X射线检测，要求焊缝质量符合GJB 1718A-2005《电子束焊接》Ⅰ级标准；焊接完成。
本发明实施例提供的大厚度结构钢筒体的电子束焊接方法，通过对工件的前端框、筒体和后端框进行预处理，得到预处理后的前端框、筒体和后端框，采用焊接工装将预处理后的前端框、筒体和后端框对接装配在一起，生成待焊工件，将待焊工件装配至电子束焊机上，生成待焊组件，将待焊组件放置于预设真空度的真空室内，在真空室内，采用经验证的电子束焊接参数对待焊组件进行真空电子束焊接，得到焊接完成工件。本发明实施例有利于产品的质量可控性及稳定性。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种大厚度结构钢筒体的电子束焊接方法，其特征在于，包括：
对工件的前端框、筒体和后端框进行预处理，得到预处理后的前端框、筒体和后端框；
采用焊接工装将所述预处理后的前端框、筒体和后端框对接装配在一起，生成待焊工件；
将所述待焊工件装配至电子束焊机上，生成待焊组件；
将所述待焊组件放置于预设真空度的真空室内；
在所述真空室内，采用经验证的电子束焊接参数对所述待焊组件进行真空电子束焊接，得到焊接完成工件；其中，所述电子束流的大小是根据焊接过程变更的。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述对工件的前端框、筒体、后端框进行预处理，得到预处理后的前端框、筒体和后端框的步骤，包括：
对所述工件进行退磁处理，得到退磁工件；
采用砂布带分别打磨所述退磁工件的前端框、筒体和后端框的待焊部位；
采用无水酒精清洁各所述待焊部位，得到所述预处理后的前端框、筒体和后端框。
3.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，所述退磁工件的焊缝处的磁通量小于等于1×10-4T。
4.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述预设真空度为7×10-4mbar。
5.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述预处理后的前端框和后端框均为对接厚度为16mm和锁底厚度为3mm的对接锁底接头，所述预处理后的筒体的对接厚度为16mm，在对接装配完成之后，所述预处理后的前端框、筒体和后端框之间的对接阶差小于等于0.3mm，对接间隙小于等于0.2mm。
6.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述采用经验证的电子束焊接参数对所述待焊组件进行真空电子束焊接的步骤，包括：
在采用所述电子束焊接时，依次采用定位焊、深熔焊和修饰焊对所述待焊组件进行真空电子束焊接。
7.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，所述定位焊的电子束流为Ib 30mA，所述深熔焊的电子束流以Ib 117mA焊接285°，所述修饰焊的电子束流为Ib 50mA。
8.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，在采用所述电子束进行焊接时，所述电子束采用摆动扫描的形式进行焊接，摆动扫描所形成的扫描轨迹以椭圆形扫描轨迹为重复单元，由多个椭圆形扫描轨迹排列而成；
其中，所述椭圆形扫描轨迹的长轴位于焊缝之上，所述椭圆形扫描轨迹的短轴与所述焊缝相互垂直。
9.根据权利要求8所述的焊接方法，其特征在于，所述椭圆形扫描轨迹的短轴长度为2mm，所述椭圆形扫描轨迹的短轴长度为1mm，扫描频率为800Hz。
10.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，在所述采用经验证的电子束焊接参数对所述待焊组件进行真空电子束焊接，得到焊接完成工件的步骤之后，还包括：
在所述待焊组件焊接完成之后，检查所述待焊组件的焊缝外观成型状态；
在所述焊缝的外观成型状态符合预设条件时，将所述焊接完成工件从所述真空室内取出；
对所述焊接完成工件进行X射线检测。
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