CN113210803B - 一种厚板深熔二道双丝埋弧焊接方法 - Google Patents

一种厚板深熔二道双丝埋弧焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种厚板深熔二道双丝埋弧焊方法：焊接母材厚度：钢板厚度≥20mm；匹配焊接材料：前焊丝直径Φ3.2mm或4.0mm，后焊丝直径Φ4.0mm，烧结焊剂CHF101；适用于所有坡口；钝边11~13mm；焊接工艺：确定焊缝的截面面积S；用关系式预测焊接线能量E；确定前焊丝及后焊丝焊接参数；进行焊接：a、采用双丝先进行坡口较浅的小坡口面的焊接，且一道焊满；在无需清根下进行采用双丝对坡口较深的大坡口面焊接，其焊接参数确定的方式及工艺同于小面。本发明通过建立数学模型，既能保证在大钝边在焊接时熔深焊透，且得到满意的焊缝成形，又使试验周期相对短，试验料消耗少。

Description

一种厚板深熔二道双丝埋弧焊接方法
技术领域
本发明涉及一种双丝埋弧焊接方法，具体属于钢板厚度≥20mm及以上厚板的深熔二道双丝埋弧焊接方法；其特别适用于钢板厚度在20～35mm的二道双丝埋弧焊接。
背景技术
埋弧焊具有效率高易于自动化的优点，适于焊接规则焊缝，其中免清根、单侧一次焊满工艺具有更高效率，在螺旋焊管等领域应用较多。
随着各种工程不断大型化、管线输送能力提高，钢板厚度≥20mm的应用越来越多，为实现高效焊接，在一些特定场合，焊接钝边设计较大，即由现有技术的5～7mm增加至11～13mm。在大钝边情况下要想实现一次焊，其对焊接条件要求较高，其中最关键的是要实现深熔透。
一次焊成工艺焊接参数的选择非常重要，而焊接参数主要由焊接线能量决定，所以选择焊接线能量是焊缝一次成形的关键。如果焊接线能量过高，则会形成焊穿或焊缝余高过大，甚至因线能量过大而恶化焊接热影响区性能；如果焊接线能量过小，则会形成未焊透或未焊满；这些都是不能允许的焊接缺陷。决定焊接线能量的因素很多，包括焊接坡口的各参数如深度、角度、钝边量，以及焊缝余高及宽度等因素，因此需要建立焊接工艺模型，以推演优化上述各种参数，得到满意的焊缝成形。
大钝边坡口埋弧焊单侧焊缝一次成形需要深熔透，在焊接工艺不当时极易出现未焊透、未填满或焊缝过高的问题，这些均是焊接缺陷。焊缝未焊透及未填满时，焊缝有效承载截面不足，易导致失效。相反地，如果焊缝余高过大，则易在焊缝处产生较大的焊接应力及应力集中，也易产生焊件的失效或其它问题，或造成焊穿或线能量过大热影响区晶粒严重长大性能恶化。这些问题中，保证深熔焊透及预控线能量是要点。
对于厚板的双道埋弧焊，目前钝边一般不超过7mm，与其匹配的焊接参数显然难以焊透焊好钝边11～13mm的坡口，也不能通过简单增加焊接线能量解决。应研究开发新工艺在钝边处形成窄而深的焊缝是当前的必要。
线能量的制定是一个非常复杂的问题，以往对于一次成形的线能量往往要通过多次实验才能确定，其工序如下：坡口加工→焊接→焊缝探伤→试板解剖→磨样观察等过程。其存在的不足是每更改一次坡口尺寸，都需完成一次上述实验的循环，实验周期长，浪费大。
发明内容
本发明在于克服现有技术存在的不足，提供一种通过建立数学模型，既能保证在大钝边在焊接时熔深焊透，且得到满意的焊缝成形，试验周期相对短，试验料消耗少的厚板深熔二道双丝埋弧焊接方法。
实现上述目的的措施：
一种厚板深熔二道双丝埋弧焊方法，其特征在于：其步骤：
1)焊接母材厚度：钢板厚度≥20mm；
2)匹配焊接材料：前焊丝直径Φ3.2mm或4.0mm，后焊丝直径Φ4.0mm；焊剂为碱性烧结焊剂CHF101；
3)坡口形式：适用于所有坡口；钝边：11～13mm；
4)焊接工艺
A、确定焊缝的截面面积S，其按照以下公式(1)进行计算：
S＝1/2πc(a+btgα)+1/2π(a+btgα-K)(b+r) (1)
式中：
c—表示一侧的设定焊缝余高，单位为mm；
a—表示设定的搭边量，单位为mm；
b—表示设定的坡口深度，单位为mm；
α—表示设定的单侧坡口角度，单位为弧度，按3.14*单侧坡口角度/180°计算；
K—表示设定的焊缝伞檐宽度，单位为mm；
r—表示设定的熔化深度，单位为mm；
B、根据以下近似关系式(2)预测焊接线能量E
E/E0＝S/S0 (2)
式中：
E—表示焊接线能量，单位为KJ/cm；
E0—表示基准焊接线能量，其值通过实验得到，单位为KJ/cm；
S—为公式(1)计算的焊缝的截面面积，单位为mm2；
S0—为基准焊缝截面面积，为E0的焊接条件，用公式(1)计算，单位为mm2；
C、确定前焊丝及后焊丝焊接参数：
E＝E前丝+E后丝＝(I前丝*V前丝+I后丝*V后丝)*60/m (3)
式中：
E—表示焊接线能量，单位为KJ/cm；
I—表示焊接电流，单位为A；前丝电流取850～1100A,后丝电流取600～850A，且控制前焊丝的电流密度J不低于80A/mm2；
V—表示焊接电压，单位为v；前丝电压取33～34V，后丝电压取36～37V；
m—表示焊接速度，单位为cm/min，在E、I及V确定后通过式(3)计算而得，注：大坡口面及小坡口面的焊接速度相同；
5)进行焊接
a、采用双丝先进行坡口较浅的小坡口面的焊接，且一道焊满；
b、小坡口面焊接结束后，在无需清根的情况下采用双丝进行坡口较深的大坡口面的焊接，其焊接参数确定的方式及工艺同于小面。
其在于：所述钢板的厚度在20～35mm的反面焊接时不需要清根。
其在于：设定焊缝余高c的值在2.0～2.5mm，设定搭边量a的取值在5.0～7.0mm，设定坡口深度b的取值在5.0～9.0mm，设定单侧坡口角度α的取值按3.14*单侧坡口角度/180°计算，设定焊缝伞檐宽度k的取值在2.0～4.0mm，设定的坡口熔化深度r的取值：小坡口面在1/2d～2/3d，大坡口面在(1/2d+1)～3/4d，d为钝边。
本发明与现有技术相比，通过建立数学模型，既能保证在大钝边在焊接时熔深焊透，且得到满意的焊缝成形，试验周期短，与常规试验的焊缝吻合度高，并使试验料消耗至少降20％。
附图说明
图1为本发明焊缝结构示意图；
图2为本发明焊接后焊缝示意图。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
E0值的获得：采用钢板厚度为20mm的X90钢进行双丝埋弧焊试验：
其步骤：
1)焊接母材厚度：采用厚度为20mm的X90钢
2)匹配焊接材料：前焊丝直径Φ3.2mm，后焊丝直径Φ4.0mm；焊剂为碱性烧结焊剂CHF101；
3)坡口形式：坡口形式双Y型坡口；钝边：12mm，单侧坡口角度为35°；
4)焊接工艺
设定焊缝余高c的取值为2.5mm，设定搭边量a的取值为6.0mm，设定坡口深度b的取值为5.0mm，设定单侧坡口角度α的取值经按3.14*单侧坡口角度/180°＝3.14*35゜/180°计算为0.61，设定焊缝伞檐宽度K的取值为2.5mm，设定熔化深度r的取值：大坡口面按照1/2d+1计算为7.0mm，小坡口面按照1/2d计算为6.0mm；
经按照上述焊接工艺设定的焊缝参数进行焊接后，获得的E0值为34KJ/cm；
所设定的大坡口面具体焊接参数如表1；
基准焊接参数见表2；
计算基准焊缝截面面积S0：
根据上述所设定的有关参数代入公式进行计算，即
S0＝1/2πc(a+btgα)+1/2π(a+btgα-K)(b+r)，经计算基准焊缝截面面积S0为144mm2；
其具体焊接工艺
焊接工艺参数设定值分别为：前丝焊接电流I为700A，电压为33v，焊接速度为80cm/min，电流密度J为87A/mm2，焊接线能量为34KJ/cm；后丝焊接电流I为620A，电压为36v，焊接速度为80cm/min，电流密度J为87A/mm2，焊接线能量为34KJ/cm：小坡口面设定为26KJ/cm，大坡口面设定为34KJ/cm；
进行焊接
a、采用双丝先进行小坡口面的焊接，且一道焊满；前焊丝采用直流反接，后焊丝采用交流；
b、小坡口面焊接结束后，在无需清根的情况下采用双焊丝进行大坡口面的焊接，其焊接参数确定的方式及工艺同于小坡口面；
经按照上述焊接工艺设定的焊缝参数进行焊接后，获得的E0值为34KJ/cm。
表1获取E0值时大坡口面焊接工艺参数
Figure BDA0003053763410000051
表2获取基准E0及S0时的焊接参数
Figure BDA0003053763410000052
注：表中α是经公式3.14*单侧坡口角度/180°计算而得。
说明：基准焊接线能量E0,基准焊缝截面面积S0的获取也可以采用其它钢板厚度进行；以下各实施例均采用其E0及S0值为基准值，并获取E值及相关焊接参数。
以下各实施例均按照下述步骤进行
1)焊接母材厚度：钢板厚度≥20mm；
2)匹配焊接材料：前焊丝直径Φ3.2mm或4.0mm，后焊丝直径Φ4.0mm；焊剂为碱性烧结焊剂CHF101；
3)坡口形式：适用于所有坡口；钝边：11～13mm；
4)焊接工艺
A、确定焊缝的截面面积S，其按照以下公式(1)进行计算：
S＝1/2πc(a+btgα)+1/2π(a+btgα-K)(b+r) (1)
式中：
c—表示一侧的设定焊缝余高，单位为mm；
a—表示设定的搭边量，单位为mm；
b—表示设定的坡口深度，单位为mm；
α—表示设定的单侧坡口角度，单位为弧度，按3.14*单侧坡口角度/180°计算；
K—表示设定的焊缝伞檐宽度，单位为mm；其取值在2～4mm；
r—表示设定的熔化深度，单位为mm；其取值：对于小坡口面在1/2d～2/3d、大坡口面在(1/2d+1)～3/4d，d为钝边；
B、根据以下近似关系式(2)测算焊接线能量E
E/E0＝S/S0 (2)
式中：
E—表示焊接线能量，单位为KJ/cm；
E0—表示基准焊接线能量，其为34KJ/cm；
S—为公式(1)计算的焊缝的截面面积，单位为mm2；
S0—为基准焊缝截面面积，其为144mm2；
C、确定前焊丝及后焊丝焊接参数：
E＝E前丝+E后丝＝(I前丝*V前丝+I后丝*V后丝)*60/m (3)
式中：
E—表示焊接线能量，单位为KJ/cm；
I—表示焊接电流，单位为A；前丝电流取850～1100A,后丝电流取600～850A，且控制前焊丝的电流密度J不低于80A/mm2；
V—表示焊接电压，单位为v；前丝电压取33～34V，后丝电压取36～37V；
m—表示焊接速度，单位为cm/min，在E、I及V确定后通过式(3)计算而得，注：大坡口面及小坡口面的焊接速度相同；
5)进行焊接
a、采用双丝先进行坡口a、采用双丝先进行坡口较浅的小坡口面的焊接)，且一道焊满；
b、小坡口面焊接结束后，在无需清根的情况下进行坡口较深的大坡口面的焊接，其焊接参数确定的方式及工艺同于小面。
所述钢板的厚度在20～35mm的反面焊接时不需要清根。
设定焊缝余高c的取值在2.0～2.5mm，设定搭边量a的取值在5.0～7.0mm，设定坡口深度b的取值在5.0～9.0mm，设定单侧坡口角度α的取值按3.14*单侧坡口角度/180°计算，设定焊缝伞檐宽度K的取值在2.1～4.0mm，设定熔化深度r其取值：对于小坡口面在1/2d～2/3d、大坡口面在(1/2d+1)～3/4d，d为钝边。
根据上述方法，设定各实施例参数，经公式(2)计算所得焊接线能量E如表3。
表3本发明各实施例单侧焊缝参数及线能量计算值列表
Figure BDA0003053763410000071
Figure BDA0003053763410000081
注：α是经公式3.14*单侧坡口角度/180°计算而得；焊缝截面积S是经公式(1)计算所得；将各实施例焊接能量经公式(3)分解为前焊丝及后焊丝的焊接电流、电压及速度如表4；
表4本发明各实施例焊接工艺参数列表
Figure BDA0003053763410000082
注：表中焊接速度是经公式(3)计算而得。
表5本发明各实施例单侧焊缝参数及焊接线能量实际值
Figure BDA0003053763410000083
Figure BDA0003053763410000091
按表4中的焊接参数进行焊接，焊缝成形较好，焊缝窄而深，且焊缝余高、焊缝宽度及正反面焊缝的重叠量等均合适；通过表5可以看出，在与3表相同条件下经过实际焊接，其得到的线能量焊接实际值与表3重合性好。这证明本发明是完全可行的，为缩短试验周期，以及大大降低试验焊接材料奠定了基础。
上述实施例仅为最佳例举，并非为本发明技术方案的限定。

Claims (3)

1.一种厚板深熔二道双丝埋弧焊方法，其特征在于：其步骤：
1）焊接母材厚度：钢板厚度≥20mm；
2）匹配焊接材料：前焊丝直径Φ3.2mm或4.0mm，后焊丝直径Φ4.0mm；焊剂为碱性烧结焊剂CHF101；
3）坡口形式：适用于所有坡口；钝边d：11~13mm；
4）焊接工艺
A、确定焊缝的截面面积S，其按照以下公式（1）进行计算：
S=1/2πc (a+btgα)+1/2π(a+btgα-k)(b+r) （1）
式中：
c—表示一侧的设定焊缝余高，单位为 mm；
a—表示设定的搭边量，单位为 mm；
b—表示设定的坡口深度，单位为 mm；
α—表示设定的单侧坡口角度，单位为弧度，按3.14*单侧坡口角度/180°计算；
k—表示设定的焊缝伞檐宽度，单位为 mm；
r—表示设定的坡口熔化深度，单位为 mm；
B、根据以下近似关系式（2）预测焊接线能量E
E/E0=S/S0 （2）
式中：
E—表示焊接线能量，单位为kJ/cm；
E0—表示基准焊接线能量，其值通过试验得到，单位为kJ/cm；
S—为公式（1）计算的焊缝的截面面积，单位为 mm2；
S0—为基准焊缝截面面积，为E0的焊接条件，用公式（1）计算获得，单位为 mm2；
C、确定前焊丝及后焊丝焊接参数：E=E前丝+E后丝=(I前丝*V前丝+I后丝*V后丝)*60/m (3)
式中：
E—表示焊接线能量，单位为J/cm；
I—表示焊接电流，单位为A；前焊丝电流取850~1100A,后焊丝电流取600~850A，且控制前焊丝的电流密度J不低于80 A/mm2；
V—表示焊接电压，单位为v；前焊丝电压取33~34V，后焊丝电压取36~37V；
m—表示焊接速度，单位为cm/min，在E、I及V确定后通过式(3)计算而得，注：大小面的焊接速度相同；
5)进行焊接
a、采用双丝先进行坡口较浅的小坡口面的焊接，且一道焊满；
b、小坡口面焊接结束后，在无需清跟的情况下进行坡口较深的大坡口面的焊接，其焊接参数确定的方式及工艺同于小坡口面。
2.如权利要求1所述的一种厚板深熔二道双丝埋弧焊方法，其特征在于：所述钢板的厚度在20~35mm的反面焊接时不需要清根。
3.如权利要求1所述的一种厚板深熔二道双丝埋弧焊方法，其特征在于：设定焊缝余高c的值在2.0~2.5 mm，设定搭边量a的取值在5.0~7.0 mm，设定坡口深度b的取值在5.0~9.0mm，设定单侧坡口角度α的取值按3.14*单侧坡口角度/180°计算，设定焊缝伞檐宽度k的取值在2.0~4.0 mm，设定的坡口熔化深度r的取值：小坡口面在1/2d~2/3 d，大坡口面在（1/2d +1)~3/4 d，d为钝边。
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