CN101456098A - 等离子焊焊接容器筒体环缝的方法 - Google Patents

Abstract

一种等离子焊焊接容器筒体环缝的方法，本发明在等离子焊机头上加装了瞄准焊道的激光头(18)，在焊缝的正面设有上大保护罩(19)，焊缝的背面设有下大保护罩(4)；上、大保护罩装在焊道正面的等离子焊炬上，下大保护罩放置在容器筒体内的一个可以自动对准焊接位置的工装上；焊缝采用新“Y”型坡口，达到自动连续完成容器筒体环焊缝的焊接。本发明适用于锆、镍、钛、不锈钢及其合金、复合板材料制作容器筒体环型焊缝的焊接，且具有焊接质量好、焊接效率高并节省保护气体和减轻操作人员的劳动强度的显著优点。

Description

等离子焊焊接容器筒体环缝的方法

技术领域

本发明涉及一种等离子焊焊接容器筒体环缝的方法，主要用于容器筒体环缝的焊接，属于金属容器制造领域。

背景技术

等离子焊接系统以电极与工件间的压缩电弧(转移弧)、电极与喷嘴间的压缩电弧(非转移弧)或两种电弧同时加热金属，从而使两件金属获得结合的弧焊方法。

等离子焊接的特点是能量集中，温度高，焊接速度快；电弧挺直，稳定性好，可焊接更细、更薄的工件；弧长变化对焊缝成形影响比较小；电弧与工件不接触，焊缝没有夹钨的危险；焊接热输入小，焊接质量高。

按焊缝成形原理，等离子弧焊有下列三种基本方法：穿透型等离子弧焊(即穿孔型等离子弧焊接)；熔透型等离子弧焊；微束等离子弧焊。

穿透型等离子弧焊的原理是等离子焊的弧柱和弧焰同时加热工件，利用等离子弧穿透工件厚度，形成贯穿工件的小孔；在小孔前沿的熔化金属沿着等离子弧柱流到小孔后面并逐渐凝固成焊缝。

等离子焊可用于碳钢、不锈钢、耐热钢、钛合金、锆合金、镍基合金等材料的焊接，由于等离子焊接系统造价较高，所以一般只用于不锈钢、钛合金、锆合金、镍基合金等稀贵金属材料的焊接。特别是用于锆及锆合金、镍及镍基合金的焊接。

锆、镍、钛及其合金和不锈钢具有较强的耐腐蚀性能，广泛用于化工耐腐蚀设备的制造，但锆的化学性能属于非常活泼的金属，锆及锆合金对环境中的氧、氮、氢等都有很强的亲和力。特别是在高温下，锆容易与上述气体发生化学反应，与氢在200℃可生成氢化锆(ZrH₂)，在大约315℃的氢气氛中，锆会吸收氢而导致氢脆；与氧在300℃可生成氧化锆(ZrO₃)，在550℃及以上，与空气中的氧反应生成多孔的脆性氧化膜，在700℃以上，锆吸收氧而使材料严重脆化；与氮在600℃时，锆就会吸收氮生成氮化锆(ZrN)。镍、钛及其合金和不锈钢虽然化学性能不属于活泼金属，但在高温下也易与环境中的氧和氢发生反应。

由于等离子焊接的能量集中，温度高。因此，对被焊金属表面应进行保护，特别是对锆和锆合金保护的要求更加严格。镍、钛及其合金和不锈钢也要很好的保护。

现有的保护方式有：

1.采用真空环境中焊接，对于小型工件可以，对于大型工件，保护环境的要求和造价很高，特别是对大型容器的制造就更无法实施。

2.采用在等离子焊炬上和焊缝的背面都设一个保护罩，在保护罩内通保护气体，在焊接过程中，跟着焊炬的移动，拖动焊缝背面的保护罩保护焊缝。但这种方法，只适合对平直的纵焊缝的焊接，不适合容器筒体环缝的焊接。且等离子焊炬上装设的保护罩较小、结构太简单，无冷却实施，易造成焊缝表面的缺陷。

3.容器筒体环缝的焊接，筒体需要支承筒体的电动滚轮架带动筒体旋转，才能进行焊缝的焊接。但由于筒体的圆度误差、筒体与筒体的对接误差和焊接坡口的形式以及焊接坡口的误差，在焊接过程中筒体容易左右窜动，焊接过程无法控制，焊道难于保护，导致焊缝中容易产生气孔、未熔透等缺陷，甚至熔池塌陷使焊接中途中止。大型筒体环焊缝的焊接难以实现。

4.穿透型等离子弧焊的等离子弧柱的穿透金属厚度一般在8mm以下，对于小于穿透厚度的金属板材，其对接坡口一般加工成“I”型；对于大于一次焊透厚度(8mm)的金属板材，一般采用“Y”坡口。

但，传统的“Y”型坡口，由于在加工过程中，钝边高度不容易准确测量，会导致局部地方钝边高度超标，即使钝边高度不超标，筒体在旋转过程中会产生纵向窜动，一般情况下人们认为等离子弧很窄，没有宽度，但实际上等离子弧是有一定宽度，所以在焊接过程中会熔掉非钝边坡口上的材料，导致焊接厚度的增加。所以一旦筒体发生窜动，焊炬不能及时跟随移动时就会产生弧柱偏移焊道，从而使焊接厚度增加，产生未焊透、气孔等缺陷，甚至使焊接过程中断。

发明内容

本发明方法正是为了克服上述现有等离子焊存在的缺陷和不足而提供一种保证已焊焊缝和热影响区能有效得到保护，焊接质量好、焊接效率高并节省保护气体和减轻操作人员的劳动强度的等离子焊焊接容器筒体环缝的方法。

本发明方法是通过如下技术方案来实现的。

本发明方法是在等离子焊机头上加装了瞄准焊道的激光头，在已焊焊缝的正面设有上大保护罩，焊缝的背面设有下大保护罩，在容器筒体内设有能使下大保护罩随时对准焊缝的工装，容器筒体对接环缝采用新“Y”型坡口，达到自动连续完成容器筒体环焊缝的焊接。

本发明所述的在等离子焊机头上加装了瞄准焊道的激光头，是将激光头设于等离子焊炬的前方，装在等离子焊机头上，激光束对准要焊接的焊道，并时时跟踪因筒体转动而产生窜动的焊道，当焊道位置发生偏移时，利用在等离子焊机头上的左右移动微调开关，调节等离子焊炬的位置，使等离子焊炬的等离子弧柱始终对准焊道。

本发明所述的上、下大保护罩结构相同，保护罩座为盘形以固定大保护罩，在大保护罩的四周装有防火材料的保护罩挡板，在大保护罩内设有保护气体管和循环冷却水盘管，保护气体管上开有出气孔，在大保护罩的上方设置不锈钢丝网，使保护气体均匀地喷到已焊的焊缝及其热影响区；工作时，冷却水盘管接通循环冷却水，保护气体管接通保护气体，进行已焊焊缝的降温和保护；上、下大保护罩的宽度应超过焊缝加影响区的宽度60mm以上，长度应能保证焊缝在保护罩内冷却到不能和空气发生反应的温度以下，对于锆钢和锆合金，保护罩的长度应超过金属壁温200℃以外；焊缝正面的上大保护罩的一端用开合铜螺母固定在等离子焊炬上，另一端用钢丝绳吊在等离子焊机头上，焊缝背面的下大保护罩设于被焊筒体内，保护罩要紧靠筒体，保证焊缝和热影响区能有效保护。

本发明所述的容器筒体内设有能使下大保护罩随时对准焊缝的工装，是由下大保护罩、弹簧、保护罩座、输气或输水管、支座圈、轴承座轴承、三根支杆、重锤、输气或输水软管、支承轴组成；支杆与支座圈采用螺纹连接，每根支杆可根据容器筒体的内直径大小调节其长度，撑紧在筒体内壁上，重锤用两支螺栓锁紧在输气或输水管的下端，输气或输水管的上部焊有保护罩座，弹簧装在输气或输水管上由保护罩座支承，下大保护罩装在保护罩座上由弹簧支承并与筒体内壁紧密接触。输气或输水管穿过支承轴一端的孔，并用锁紧螺栓锁紧，支承轴的大端通过轴承与轴承座连接，轴承座焊接在支座圈上；在筒体发生旋转时下大保护罩在重锤的作用下始终保持对准焊接位置，保证已焊焊缝和热影响区能有效保护。输气或输水管在等离子焊时，管内不接通气和水，当在用亚弧焊焊接坡口部分时，管内通循环冷却水，冷却焊缝的背面和热影响区。

本发明所述的对接焊缝采用新“Y”型坡口，其结构为：当容器筒体的壁厚大于等离子弧柱一次焊透厚度8mm时，在超过8mm的一侧开设坡口，坡口角度为10°，坡口底部设4～6mm的平台，可允许焊道有一定的偏移量和当筒体产生窜动时有一定的时间对焊炬进行调整，将焊炬移到焊道中心。

在等离子焊机头上加装了瞄准焊道的激光头，在已焊焊缝的正面设有上大保护罩，焊缝的背面设有下大保护罩，在容器筒体内设有能使下大保护罩随时对准焊缝的工装，容器筒体对接环缝采用新“Y”型坡口，并采取合适的焊接参数，达到自动连续完成容器筒体环焊缝的焊接。

本发明的优点在于：克服了等离子焊焊接容器筒体环缝时，由于容器筒体转动而引起焊道的左右窜动，焊炬不能即时对准焊道和已焊焊缝难以保护的问题，特别适用于锆及锆合金、镍及镍基合金、钛及钛合金、不锈钢以及这些金属与碳钢的复合板材料制作容器筒体环型焊缝的焊接，且焊接质量好、焊接效率高并节省保护气体和减轻操作人员的劳动强度。

下面结合附图及实施示例进一步阐述本发明内容。

附图说明

图1为本发明等离子焊焊接容器筒体环缝的方法的正视图的剖视图；

图2为本发明等离子焊焊接容器筒体环缝的方法的轴向剖视图；

图3为本发明等离子焊焊接容器筒体环缝的方法的新“Y”型焊接坡口型式图；

图4为本发明等离子焊焊接容器筒体环缝的方法上、下大保护罩结构图。

具体实施方式

在等离子焊机头上加装了瞄准焊道的激光头，是将激光头18设于等离子焊炬17的前方，装在等离子焊机头上，激光束对准要焊接的焊道2，并时时跟踪因筒体转动而产生窜动的焊道，当焊道位置发生偏移时，利用在等离子焊机头上的左右移动微调开关，调节等离子焊炬17的位置，使等离子焊炬17的等离子弧柱始终对准焊道。

在焊道的正、反面装设焊缝上大保护罩19、下大保护罩4，上、下大保护罩其结构相同，在大保护罩的四周装有防火材料的保护罩挡板3，在大保护罩内设有保护气体管23和循环冷却水盘管24，保护气体管23上开有出气孔，在大保护罩的上方设置不锈钢钢丝网22，使保护气体均匀地喷到已焊的焊缝及其热影响区；工作时，冷却水盘管24接通循环冷却水，保护气体管23接通保护气体，进行已焊焊缝的降温和保护；上、下大保护罩的宽度应超过焊缝加影响区的宽度60mm以上，长度应能保证焊缝在保护罩内冷却到不能和空气发生反应的温度以下，对于锆钢和锆合金，保护罩的长度应超过金属壁温200℃以外；焊缝正面的上大保护罩19的一端用开合铜螺母20固定在等离子焊炬17上，另一端用钢丝绳21吊在等离子焊机头上，上大保护罩19的保护罩挡板3要紧靠筒体1，保证焊缝和热影响区能有效保护。

焊缝背面的下大保护罩4放置容器筒体内，装在一个可以自动对准焊接位置的工装上，该工装是由下大保护罩4、弹簧5、保护罩座6、输气或输水管7、支座圈8、轴承座9轴承14、三根支杆10、重锤11、输气或输水软管13、支承轴15组成。支杆10与支座圈采用螺纹连接，每根支杆可根据容器筒体的内直径大小调节其长度，撑紧在筒体内壁上，重锤11用两支螺栓12锁紧在输气或输水管7的下端，输气或输水管7的上部焊有保护罩座6，弹簧5设在保护罩座6内，下大保护罩4装在保护罩座6内，由弹簧5支承并与筒体内壁紧密接触。输气或输水管7穿过支承轴15一端的孔，并用锁紧螺栓16锁紧，支承轴15的大端通过轴承14与轴承座9连接，轴承座9焊接在支座圈8上；在筒体发生旋转时下大保护罩4在重锤11的作用下始终保持对准焊接位置，下大保护罩4的保护罩挡板3要紧靠筒体表面，保证焊缝和热影响区能有效保护。

保证已焊焊缝和热影响区能有效保护。

根据板厚加工焊接坡口，对于小于穿透厚度8mm的金属板材，仍采用“I”型坡口；对于大于一次焊透厚度8mm的金属板材加工成的新“Y”型坡口。新“Y”型坡口，其结构为：当容器筒体1的壁厚B大于等离子弧柱一次焊透厚度8mm时，在超过8mm的一侧开设坡口，坡口角度为10°，坡口底部A设4～6mm的平台。此焊接坡口和传统的“Y”型坡口相比，容易测量，钝边高度容易控制，在焊接过程中允许弧柱偏移焊缝一定的偏移量，便于操作人员操作，在筒体产生窜动时有一定的时间对焊枪进行调整，将焊枪移到焊缝中心。焊接质量高，成形美观，焊接效率高。

实施例1、筒体内径为2000mm，板厚为14mm，材质为锆(Zr-60702)。

实施例2、筒体内径为2000mm，板厚为14mm，材质为不锈钢(304)。

因其板厚超过一次焊透厚度，因此，按本发明的新“Y”型坡口型式在对接边开设坡口，坡口的宽边设于筒体内壁(即倒新“Y”型)。在筒体下料和坡口加工过程中要严格控制长度和对角长度差，卷制成筒体后还要严格控制筒体圆度，两筒体组对时严格控制组对间隙和错边量。圆度超差太大，会影响焊接质量。

对此板厚的材料按规定做焊接评定，确定等离子焊的焊接工艺参数，如下表1、表2，并确定保护罩的尺寸。

表1 焊接工艺参数

 

	材料	厚度mm	电流A	电压V	速度cm/min	保护气体流量L/min	冷却水流量L/min	离子气L/min	喷嘴直径mm	钨极直径mm	内缩量mm
												实施例1	锆	14.3	270～290	29～32	22～25	45～55	44～50	7.8～8.5	3.0	3.2	1.8
实施例2	304	14	270～290	27～28	25～27	35～40	44～50	8.2～8.5	3.0	3.2	1.8

表2 上、下大保护罩尺寸

 

	长mm	宽mm	高mm	弧度
					实施例1	880	120	30	同筒体内外弧度
实施例2	380	80	30	同筒体内外弧度

将组对好的容器筒体吊装到电动焊接滚轮架上，将下大保护罩工装放在筒体1内，并用工装上的支杆10对将其工装调整固定在筒体内壁上，将下大保护罩4对准焊缝并使保护罩挡板3上端贴紧筒体内壁。将上大保护罩19安装在等离子焊炬上，另一端用钢丝绳21吊在等离子焊机头上，调整使大保护罩19对准焊缝，并使保护罩挡板3下端贴紧筒体外壁。

调节滚轮的运转速度，将滚轮面线速度调到焊接工艺参数焊接速度。滚轮架的启动要和等离子焊接的启动协调。

接通保护气体和冷却水，按照焊接工艺设置焊接参数进行焊接。

在焊接过程中等离子焊接的主要影响因素为焊接电流，焊接速度，喷嘴离工件的距离，等离子气及流量，引弧及收弧。

焊接电流：焊接电流是根据板厚或熔透要求来选定。焊接电流过小，难于形成小孔效应，焊接电流增大，等离子弧穿透能力增大，但电流过大会造成熔池金属因小孔直径过大而坠落，难以形成合格焊缝，甚至引起双弧，损伤喷嘴并破坏焊接过程的稳定性。因此，为了获得稳定的小孔焊接过程，焊接电流只能在某一个合适的范围内选择，而且这个范围与离子气的流量有关。

焊接速度：焊接速度应根据等离子气流量及焊接电流来选择。其它条件一定时，如果焊接速度增大，焊接热输入减小，小孔直径随之减小，直至消失，失去小孔效应。如果焊接速度太低，母材过热，小孔扩大，熔池金属容易坠落，甚至造成焊缝凹陷、熔池泄漏现象。因此，焊接速度、离子气流量及焊接电流等这三个工艺参数应相互匹配。

喷嘴离工件的距离：喷嘴离工件的距离过大，熔透能力降低；距离过小，易造成喷嘴被飞溅物堵塞，破坏喷嘴正常工作。喷嘴离工件的距离一般取3～8mm。

等离于气流量：离子气流量决定了等离子流力和熔透能力。等离子气的流量越大，熔透能力越大。但等离子气流量过大会使小孔直径过大而不能保证焊缝成形。因此，应根据喷嘴直径、等离子气的种类、焊接电流及焊接速度选择适当的离子气流量。保护气体流量应根据焊接电流及等离子气流量来选择。在一定的离子气流量下，保护气体流量太大，会导致气流的紊乱，影响电弧稳定性和保护效果。而保护气体流量太小，保护效果也不好，因此，保护气体流量应与等离子气流量保持适当的比例。

引弧及收弧：穿孔法焊接厚板时，引弧及熄弧处容易产生气孔、下凹等缺陷。对于环缝，不便加引弧板和收弧板，应采取焊接电流和离子气递增和递减的办法在工件上起弧，完成引弧建立小孔并利用电流和离子气流量衰减法来收弧闭合小孔。

在焊接过程中如遇板厚发生变化或组对间隙变化时，可以通过调整焊接电流，焊接速度，等离子气流量等三个参数来控制焊接质量。如板厚加大时可以加大焊接电流、降低焊接速度、加大等离子气流量，板厚减小或间隙大时可以减小焊接电流、加大焊接速度、减小等离子气流量。在操作过程中可以调整其中一个或一个以上的参数来控制焊接质量，为了方便操作应尽量减少调整参数的数量，只调整一个参数，由于焊接速度的改变是通过滚轮架速度来改变的，所以其速度变化有一定的滞后，所以应以电流调节为主，焊接速度和等离子气流量调节为辅。

在焊接过程中等离子弧将会穿透整个工件厚度，形成一个贯穿工件的小孔，此小孔直径的大小和稳定性将直接影响焊接质量和焊缝成形，小孔可以通过穿孔背面露出的尾焰间接观察判断，尾焰太短说明形成的小孔太小，尾焰太长则说明小孔太大，如尾焰闪烁则说明小孔不稳定。根据尾焰情况调节焊接参数。

在等离子焊时，输气或输水管7内不通气和水，当在用亚弧焊焊接坡口部分时，通过输气或输水软管13接通循环冷却水，冷却焊缝的背面和热影响区。

这样就可以顺利完成整条环缝的焊接。

Claims (5)

1、一种等离子焊焊接容器筒体环缝的方法，其特征在于，在等离子焊机头上加装了瞄准焊道的激光头〔18〕，在已焊焊缝的正面设有上大保护罩〔19〕，焊缝的背面设有下大保护罩〔4〕，在容器筒体〔1〕内设有能使下大保护罩〔4〕随时对准焊缝的工装，容器筒体对接环缝采用新“Y”型坡口，达到自动连续完成容器筒体环焊缝的焊接。

2、根据权利要求1所述的一种等离子焊焊接容器筒体环缝的方法，其特征在于，所述的在等离子焊机头上加装了瞄准焊道的激光头(18)，是将激光头〔18〕设于等离子焊炬〔17〕的前方，装在等离子焊机头上，激光束对准要焊接的焊道〔2〕，并时时跟踪因筒体转动而产生窜动的焊道，当焊道位置发生偏移时，利用在等离子焊机头上的左右移动微调开关，调节等离子焊炬〔17〕的位置，使等离子焊炬〔17〕的等离子弧柱始终对准焊道。

3、根据权利要求1所述的一种等离子焊焊接容器筒体环缝的方法，其特征在于，所述的上、下大保护罩〔19〕、〔4〕结构相同，保护罩座〔6〕为盘形以固定大保护罩，在大保护罩的四周装有防火材料的保护罩挡板〔3〕，在大保护罩内设有保护气体管〔23〕和循环冷却水盘管〔24〕，保护气体管〔23〕上开有出气孔，在大保护罩的上方设置不锈钢丝网〔22〕，使保护气体均匀地喷到已焊的焊缝及其热影响区；工作时，冷却水盘管〔24〕接通循环冷却水，保护气体管〔23〕接通保护气体，进行已焊焊缝的降温和保护；上、下大保护罩的宽度应超过焊缝加影响区的宽度60mm以上，长度应能保证焊缝在保护罩内冷却到不能和空气发生反应的温度以下，对于锆钢和锆合金，保护罩的长度应超过金属壁温200℃以外；焊缝正面的上大保护罩〔19〕的一端用开合铜螺母〔20〕固定在等离子焊炬〔17〕上，另一端用钢丝绳〔21〕吊在等离子焊机头上，焊缝背面的下大保护罩〔4〕设于被焊筒体内，保护罩要紧靠筒体，保证焊缝和热影响区能有效保护。

4、根据权利要求1所述的一种等离子焊焊接容器筒体环缝的方法，其特征在于，所述的容器筒体内设有能使下大保护罩随时对准焊缝的工装，是由下大保护罩〔4〕、弹簧〔5〕、保护罩座〔6〕、输气或输水管〔7〕、支座圈〔8〕、轴承座〔9〕轴承〔14〕、三根支杆〔10〕、重锤〔11〕、输气或输水软管〔13〕、支承轴〔15〕组成；支杆〔10〕与支座圈采用螺纹连接，每根支杆可根据容器筒体的内直径大小调节其长度，撑紧在筒体内壁上，重锤〔11〕用两支螺栓〔12〕锁紧在输气或输水管〔7〕的下端，输气或输水管〔7〕的上部焊有保护罩座〔6〕，弹簧〔5〕装在输气或输水管〔7〕上由保护罩座〔6〕支承，下大保护罩〔4〕装在保护罩座〔6〕上由弹簧〔5〕支承并与筒体内壁紧密接触。输气或输水管〔7〕穿过支承轴〔15〕一端的孔，并用锁紧螺栓〔16〕锁紧，支承轴〔15〕的大端通过轴承〔14〕与轴承座〔9〕连接，轴承座〔9〕焊接在支座圈〔8〕上；在筒体发生旋转时下大保护罩〔4〕在重锤〔11〕的作用下始终保持对准焊接位置，保证已焊焊缝和热影响区能有效保护。输气或输水管〔7〕在等离子焊时，管内不接通气和水，当在用亚弧焊焊接坡口部分时，管内通循环冷却水，冷却焊缝的背面和热影响区。

5、根据权利要求1所述的一种等离子焊焊接容器筒体环缝的方法，其特征在于，所述的对接焊缝采用新“Y”型坡口，其结构为：当容器筒体〔1〕的壁厚〔B〕大于等离子弧柱一次焊透厚度8mm时，在超过8mm的一侧开设坡口，坡口角度为10°，坡口底部〔A〕设4～6mm的平台，可允许焊道有一定的偏移量和当筒体产生窜动时有一定的时间对焊炬进行调整，将焊炬移到焊道中心。

Images