CN101704164A - 高能束流焊接熔深倍增方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高能束流焊接熔深倍增方法，包括以下步骤：首先测量第一构件和第二构件之间需要焊接的焊缝深度；然后判断上步测量的焊缝深度与设备熔透极限的比例关系，当焊缝厚度≤高能束流的熔透极限值时，直接进行全熔透焊；当焊缝深度在高能束流焊接设备的熔透极限值δ的(n-1)倍到小于n倍(n≥2)时，在熔深方向上进行不大于熔透极限值的n次分割，形成n层焊道；接着根据分割的层次设计坡口和楔块；该楔块可根据焊道层次和施焊先后依次填入坡口；最后根据焊道层次和位置填入楔块，在填入楔块后依次进行全熔透焊；从根部到顶部n层焊道形成的焊缝数为2⁰、2¹、2²、...、2^n-1。本发明提高了高能束流焊接设备熔透能力极限。

Description

高能束流焊接熔深倍增方法

技术领域

本发明属于大厚度和超大厚度焊接技术领域，特别是一种高能束流焊接熔深倍增方法。

背景技术

目前，厚壁构件的大厚度或超大厚度焊缝采用的焊接技术方法，主要是常规大坡口电弧焊接和常规电渣焊接方法，窄间隙电渣焊接方法，窄间隙电弧焊接包括钨极气体保护焊接(TIG)窄间隙焊接、熔化极气体保护(MIG、MAG)窄间隙焊接、埋弧窄间隙焊接等方法，一次熔透(深穿)的高能束流焊接包括等离子束流深穿焊接、激光束流深穿焊接、激光电弧复合深穿焊接和电子束流深穿焊接等方法。

焊接厚壁构件的大厚度或超大厚度焊缝，常规大坡口电弧焊接和常规电渣焊接方法，由于填充金属巨大，基本属于淘汰技术。如图1所示，单边坡口和双边坡口焊缝，采用多层多道焊接填充焊道，需要填充焊缝金属很多。

窄间隙电渣焊接方法和窄间隙电弧焊接方法，是目前厚壁构件大厚度或超大厚度焊缝的重要焊接方法；结合图2、图3，该方法通过改善所开坡口的尺寸和形状，会使焊缝填充金属随着所焊壁厚的增加而急剧减少；但是焊缝的层道数很多，焊接工作量大，焊接时间相对较长，焊缝质量保障也很难，另外还存在埋弧窄间隙焊接清渣困难和夹渣等其它问题。

一次熔透的高能束流焊接根据不同束流特性，在不开坡口、不填充金属或极少填充金属条件下，一般都可一次熔透相应的焊缝深度，例如激光可以一次熔透10～15mm钢焊缝，等离子可以一次熔透20～30mm铝合金焊缝，激光电弧复合焊接可以一次熔透35～50mm碳钢焊缝，电子束可以一次熔透200～250mm钢/不锈钢焊缝或400～500mm铝合金焊缝等，对于超出以上焊接方法的熔透极限时，这些焊接方法都不能单独解决厚度超限焊缝的熔透问题，使得厚度超限焊缝的焊接问题一般都采用窄间隙焊接方法完成。

总之，现有焊接技术在焊接厚壁构件的大厚度或超大厚度焊缝时，存在诸多缺陷，如常规大坡口电弧焊和常规电渣焊方法的焊接效率低、焊缝填充量大、焊缝质量稳定性差等，窄间隙焊接方法焊接效率也较低、侧壁熔透性差和焊缝质量稳定性差等，另外电渣焊和埋弧窄间隙焊清渣困难和夹渣等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高高能束流焊接设备熔透能力极限，扩大了高能束流焊接的应用范围，保证了大厚度、超大厚度焊缝质量和高能束流焊接特征的高能束流焊接熔深倍增方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种高能束流焊接熔深倍增方法，包括以下步骤：

步骤1、测量第一构件和第二构件之间待焊焊缝深度；

步骤2、判断步骤1中测量的待焊焊缝深度与当前高能束流焊接设备的熔透极限δ的比例关系，即当焊缝厚度≤熔透极限值δ时，直接进行全熔透焊；当焊缝深度在熔透极限值δ的(n-1)倍到小于n倍(n≥2)时，在熔深方向上进行不大于熔透极限值δ的n次分割，形成n层焊道；

步骤3、根据焊缝分割的焊道层次设计坡口和待填充楔块；该楔块可根据焊道层次和焊接顺序依次填入坡口；

步骤4、根据焊道层次和位置填入楔块，若是环形楔块需要进行对称剖分后填充，在焊道中填入楔块后依次进行全熔透焊；从根部到顶部n层焊道形成的焊缝数为2⁰、2¹、2²、...、2^n-1。

当步骤2中的n＝2时，在熔深方向上进行不大于熔透极限δ的2次分割，形成2层焊道；步骤3中所设计的坡口为V形坡口3，该坡口的焊缝交叉点到第一构件和第二构件焊缝底部的厚度小于或等于高能束流的熔透极限δ；v形坡口坡壁与竖直方向的夹角θ的大小由所选高能束流深穿焊接方法及其熔深确定，θ的取值范围为0°＜θ≤15°；步骤4进行全熔透焊时首先对第一构件和第二构件的根部焊道进行全熔透焊，然后将与坡口形状完全相同的V形楔块填充在V形坡口位置，形成第一焊道和第二焊道，最后对第一焊道和第二焊道进行全熔透焊。

当步骤2中的n＝3时，在熔深方向上进行不大于熔透极限δ的3次分割，形成3层焊道；

步骤3中所设计的坡口为折线坡口6，该坡口的焊缝交叉点Y1到第一构件1和第二构件2焊缝底部的厚度小于或等于高能束流的熔透极限δ，折线坡口6中部焊道坡壁Y₁Y₃与竖直方向的夹角为α，α的大小由所选高能束流深穿焊接方法及其熔深确定，α的取值范围为0°＜α≤15°；该坡口顶部焊道坡壁Y₃Y₅与竖直方向的夹角β略大于α，一般为α＜β≤15°；

所设计楔块包括中间部分楔块、左楔块、右楔块，中间部分楔块的底部为三角形，该三角形与第二层焊道相吻合，中间部分楔块的上部为长方形，长方形的顶面高度与构件的焊缝顶面齐平；左楔块、右楔块位于中间楔块上部的两侧，并与坡口焊缝顶面相吻合；步骤4进行全熔透焊时，首先对第一构件和第二构件的根部焊道进行全熔透焊，然后安装中间部分楔块，并对中间部分楔块与坡口形成的两侧焊缝进行焊接；接着安装左楔块和右楔块，并对形成的四条焊缝进行焊接。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：提高了高能束流焊接设备熔透能力极限，扩大了高能束流焊接的应用范围，提高了大厚度、超大厚度焊缝的质量和焊缝质量稳定性，提高了焊接效率。

附图说明

图1是本发明采用常规方法焊接厚壁焊缝的X型和V型坡口示意图。

图2是本发明采用窄间隙焊接方法的焊缝坡口示意图。

图3是本发明采用窄间隙焊接方法的焊缝层道数示意图。

图4是本发明一层焊道可全熔透的焊缝截面(厚度≤δ)示意图。

图5是本发明的二层焊道可全熔透的焊缝截面(δ≤厚度≤2δ)示意图。

图6是本发明的二层焊道可全熔透的焊缝中第二层焊道焊缝根部要求示意图。

图7是本发明的三层焊道的全熔透焊缝的坡口形状示意图。

图8是本发明的三层焊道的全熔透焊缝的楔块形状、组合方式和焊接位置示意图。

图9是本发明的每层焊道的坡壁与竖直方向夹角的关系示意图。

图10是本发明壁厚600mm的筒体与封头待焊位置示意图。

图11是本发明壁厚600mm的筒体与封头焊缝结构设计示意图。

图12是本发明壁厚600mm的筒体与封头根部焊道焊接示意图。

图13是本发明壁厚600mm的筒体与封头中部焊道焊接和中部楔块匹配示意图。

图14是本发明壁厚600mm的筒体与封头顶部焊道焊接和顶部楔块匹配示意图。

具体实施方式

本发明的高能束流焊接熔深倍增方法是基于楔块匹配的高能束流(电子束、激光束等)焊接熔深倍增技术，将全焊缝分为二次及二次以上熔透，利用高能束流一次熔透焊缝的能力首先获得一次基本熔深--根部焊道，在根部焊道以上再利用楔块匹配坡口同时作为填充材料，多次利用高能束流熔透能力或极限熔透能力，进行折线熔透焊接，形成熔深倍增的整体全熔透焊缝的技术方法，这种方法也可称为高能束流的多层多道焊接方法。本方法具体包括以下步骤：

步骤1、测量第一构件1和第二构件2之间待焊焊缝深度；

步骤2、判断步骤1中测量的待焊焊缝深度与当前高能束流焊接设备的熔透极限δ的比例关系，即当焊缝厚度≤熔透极限值δ时，可直接进行全熔透焊；当焊缝深度在熔透极限值δ的(n-1)倍到小于n倍(n≥2)时，在熔深方向上进行不大于熔透极限值δ的n次分割，形成n层焊道；

步骤3、根据焊缝分割的焊道层次设计坡口和待填充楔块；该楔块可根据焊道层次和焊接顺序依次填入坡口；坡口的坡壁与竖直方向的夹角θ随着分割层次的增加而依次增大。

步骤4、根据焊道层次和位置填入楔块，非封闭楔块可直接填充在焊道，封闭楔块(环形楔块)在填充时先对该楔块进行对称剖分后填充，在填入楔块后依次进行全熔透焊；从根部到顶部n层焊道形成的焊缝数为2⁰、2¹、2²、...、2^n-1。

结合图4，当焊缝厚度≤高能束流的熔透极限值δ时，第一构件1和第二构件2之间只有一条焊缝；在进行全熔透焊时，不用填入楔块即可直接对该条焊缝进行全熔透焊。

结合图5、图6，当上述n＝2时，在熔深方向上进行不大于熔透极限δ的2次分割，形成2层焊道；所设计的坡口为V形坡口3，该坡口的焊缝交叉点Y1到第一构件1和第二构件2焊缝底部的厚度小于或等于高能束流的熔透极限δ；V形坡口3坡壁与竖直方向的夹角θ的大小由所选高能束流深穿焊接方法及其熔深确定，θ的取值范围为0°＜θ≤15°；在进行全熔透焊时首先对第一构件1和第二构件2的根部焊道1-1进行全熔透焊，然后将与坡口形状完全相同的V形楔块8填充在坡口3位置，形成第二层焊道的第一条焊缝2-1和第二条焊缝2-2，最后对第二层焊道的第一条焊缝2-1和第二条焊缝2-2进行全熔透焊。第二层焊道的第一条焊缝2-1和第二条焊缝2-2的焊缝根部可穿过焊缝交叉点Y1，这样可以保证是焊缝全熔透。

结合图7、图8，当上述n＝3时，在熔深方向上进行不大于熔透极限δ的3次分割，形成3层焊道；所设计的坡口为折线坡口6，该坡口的焊缝交叉点Y1到第一构件1和第二构件2焊缝底部的厚度小于或等于高能束流的熔透极限δ，折线坡口6的中部焊道坡壁Y₁Y₃与竖直方向的夹角为α，α的大小由所选高能束流深穿焊接方法及其熔深确定，α的取值范围为0°＜α≤15°；该坡口顶部焊道坡壁Y₃Y₅与竖直方向的夹角β略大于α，一般为α＜β≤15°；

所设计楔块包括中间部分楔块7、左楔块4、右楔块5，中间部分楔块7的底部为三角形，该三角形与第二层焊道相吻合，中间部分楔块7的上部为长方形，长方形的顶面高度与第一构件1、第二构件2的焊缝顶面齐平；左楔块4、右楔块5位于中间楔块7上部的两侧，并与折线坡口6焊缝顶面相吻合。

进行全熔透焊时，首先对第一构件1和第二构件2的根部焊道1-1进行全熔透焊，然后安装中间楔块7，中间楔块7与第一构件1、第二构件2之间形成第二层焊道的第一条焊缝2-1和第二层焊道的第二条焊缝2-2，并对中间楔块7与折线坡口6形成的两侧焊缝进行焊接；接着安装左楔块4、右楔块5，此时左楔块4与第一构件1形成第三层焊道的第一条焊缝3-1，左楔块4与中间楔块7形成第三层焊道的第二条焊缝3-2，右楔块5与中间楔块7形成第三层焊道的第三条焊缝3-3，右楔块5与第二构件2形成第三层焊道的第四条焊缝3-4，并对形成的四条焊缝进行高能束流焊接。

高能束流在焊接第二层焊道的第一条焊缝2-1和第二条焊缝2-2时，其焊缝根部可穿过焊缝交叉点Y1，这样可以保证是焊缝全熔透。同理，第三层焊道的第一条焊缝3-1与第三层焊道的第二条焊缝3-2的焊缝根部也可穿过焊缝交叉点Y2，第三层焊道的第三条焊缝3-3与第三层焊道的第四条焊缝3-4的焊缝根部也可穿过焊缝交叉点Y3。

结合图9，依据待焊构件焊缝厚度要求、高能束流焊接设备的极限穿深δ等条件，可将焊缝厚度分割为不大于设备焊接极限穿深δ的多层厚度叠加，针对每层厚度在焊缝熔深的具体位置，设计适当的楔块形状，如图6中楔块8和图8中左楔块4、右楔块5和中间楔块7。

填充环形楔块时，在填充时需要先对该楔块进行对称剖分。因为多层焊缝根部焊道完成焊接后，已形成封闭焊缝，填充楔块的内径小于多层焊缝的外经，环形楔块无法直接填充，所以需将楔块进行剖分后分段填充，一般可以将圆环楔块剖分为对称两半(180°对称分布)，若楔块直径较大可剖分为三等分120°对称分布或者四等分90°对称分布；在环形焊道填充剖分的楔块后，楔块剖分处形成对接缝，需要高能束流焊接对接缝完成剖分环形楔块的环形成形。

O₁O₂是焊缝中心线，从根部焊道往上，中心线O₁O₂与根部焊道坡壁O₁Y₁的夹角θ₁＝0，中心线O₁O₂与中部焊道坡壁Y₁Y₃的夹角α，中心线O₁O₂与顶部焊道坡壁(焊缝高度2/3处及以上的坡壁)Y₃Y₅的夹角β，依次扩大坡壁与竖直方向的夹角θ(0＝θ₁＜α＜β)，从而形成折线焊缝。从根部往上顺序采用三层多道高能束流焊接，可以满足焊缝深度超过高能束流的熔透极限δ二倍到三倍之间的构件全透焊接要求，其焊缝熔深达到倍增的目的。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明：

对象为重大装备的超大型液压圆柱型筒体零件，超大厚度的筒体和封头待焊部位是600mm厚度的环焊缝，实施例采用高能电子束流深穿透焊接方式完成全部焊道.上述筒体为第一构件1，封头为第二构件2.

筒体和封头结构如图10示，选用材料为低合金高强钢，筒体外径3200mm，筒体内径2000mm，其壁厚600mm。

目前国内电子束焊机熔透极限δ＝200～250mm，对于本实施例的筒体和封头焊缝深度达到600mm，若采用电子束焊接，不可能一次完成焊接。为了解决电子束焊机熔透极限δ的不足，设计三次折线楔块结构焊接方案，如图11所示，整个焊缝由三层焊道和三个楔块4、7、5组成：根部焊道层仅有1条焊缝、中部焊道层有左右2条焊缝、顶部焊道层需要焊接4条焊缝。

结合图12，筒体和封头根部焊道穿深为180～220mm左右，稍小于电子束焊机的熔透极限δ。

结合图13，依据筒体和封头中部焊道和顶部焊道位置坡口形式，焊缝中心线与根部焊道坡壁的夹角θ₁＝0，与中部焊道坡壁的夹角α，与顶部焊道坡壁的夹角β，满足0＝θ₁＜α＜β，如θ₁＝0°、α＝5°、β＝8°，偏摆角从根部依次增大，形成折线坡口，并设计相应的环形楔块。中部焊道采用电子束焊接筒体和中间楔块7的之间形成的第二层焊道(中部焊道)的第一条焊缝2-1以及封头和中间楔块7的第二层焊道(中部焊道)的第二条焊缝2-2共左右两条斜焊缝，焊缝2-1和焊缝2-2的熔深控制小于熔透极限δ，熔深在200mm左右。中间楔块7直径较大，可剖分为三等分120°对称分布，安装在中部焊道坡口采用高能电子束焊接中部对接缝，中间楔块7的顶部采用类似小型楔块完成楔块环形成形。

结合图14，在顶部焊道，筒体、封头和楔块4、7、5一起，一共组成第三层焊道(顶部焊道)的四条电子束焊缝3-1、3-2、3-3、3-4，焊缝熔深在不同区域可以存在差别，都得控制小于熔透极限δ，熔深在200mm左右。顶部楔块4、5直径较大，可剖分为三等分120°对称分布，安装在顶部焊道坡口采用高能电子束焊接对接缝，完成楔块环形成形。

Claims (4)

1.一种高能束流焊接熔深倍增方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、测量第一构件[1]和第二构件[2]之间待焊焊缝深度；

步骤2、判断步骤1中测量的待焊焊缝深度与当前高能束流焊接设备的熔透极限δ的比例关系，即当焊缝厚度≤熔透极限值δ时，直接进行全熔透焊；当焊缝深度在熔透极限值δ的(n-1)倍到小于n倍(n≥2)时，在熔深方向上进行不大于熔透极限值δ的n次分割，形成n层焊道；

步骤3、根据焊缝分割的焊道层次设计坡口和待填充楔块；该楔块可根据焊道层次和焊接顺序依次填入坡口；

步骤4、根据焊道层次和位置填入楔块，在焊道中填入楔块后依次进行全熔透焊；从根部到顶部n层焊道形成的焊缝数为2⁰、2¹、2²、…、2^n-1。

2.根据权利要求1所述的高能束流焊接熔深倍增方法，其特征在于，步骤3中坡口的坡壁与竖直方向的夹角θ随着分割层次的增加而依次增大。

3.根据权利要求1所述的高能束流焊接熔深倍增方法，其特征在于，步骤2中的n＝2时，在熔深方向上进行不大于熔透极限δ的2次分割，形成2层焊道；步骤3中所设计的坡口为V形坡口[3]，该坡口的焊缝交叉点[Y1]到第一构件[1]和第二构件[2]焊缝底部的厚度小于或等于高能束流的熔透极限δ；V形坡口[3]坡壁与竖直方向的夹角θ的大小由所选高能束流深穿焊接方法及其熔深确定，θ的取值范围为0°＜θ≤15°；步骤4进行全熔透焊时首先对第一构件[1]和第二构件[2]的根部焊道[1-1]进行全熔透焊，然后将与坡口形状完全相同的V形楔块[8]填充在V形坡口[3]位置，形成第一焊道[2-1]和第二焊道[2-2]，最后对第一焊道[2-1]和第二焊道[2-2]进行全熔透焊。

4.根据权利要求1或2所述的高能束流焊接熔深倍增方法，其特征在于，步骤2中的n＝3时，在熔深方向上进行不大于熔透极限δ的3次分割，形成3层焊道；

步骤3中所设计的坡口为折线坡口[6]，该坡口的焊缝交叉点[Y1]到第一构件[1]和第二构件[2]焊缝底部的厚度小于或等于高能束流的熔透极限δ，折线坡口[6]的中部焊道坡壁[Y₁Y₃]与竖直方向的夹角为α，α的大小由所选高能束流深穿焊接方法及其熔深确定，α的取值范围为0°＜α≤15°；该坡口顶部焊道坡壁[Y₃Y₅]与竖直方向的夹角β略大于α，一般为α＜β≤15°；

所设计的楔块包括中间部分楔块[7]、左楔块[4]、右楔块[5]，中间部分楔块[7]的底部为三角形，该三角形与第二层焊道相吻合，中间部分楔块[7]的上部为长方形，长方形的顶面高度与构件[1、2]的焊缝顶面齐平；左楔块[4]、右楔块[5]位于中间楔块[7]上部的两侧，并与坡口[6]焊缝顶面相吻合；

步骤4进行全熔透焊时，首先对第一构件[1]和第二构件[2]的根部焊道[1-1]进行全熔透焊，然后安装中间部分楔块[7]，并对中间部分楔块[7]与坡口[6]形成的两侧焊缝进行焊接；接着安装左楔块[4]和右楔块[5]，并对形成的四条焊缝进行焊接。

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