CN103252557B - 一种实现中厚板打底焊不清根的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现中厚板打底焊不清根的焊接方法，包括打底焊接与填充焊接，所述打底焊接采用双面双弧不对称焊，所述填充焊接采用双面双弧对称焊接，其中，两焊板根部之间的装配间隙为4至6毫米，焊枪角度70至85°，焊枪摆动时侧壁停留时间为0.3至0.6秒，打底焊接的焊枪摆幅5毫米以上。该方法适合于厚度大于20毫米的中厚板立焊，可以实现打底焊不清根，从而简化传统中厚板焊接工艺、提高生产效率，而且焊后工件基本没有变形。此外，该方法还易于实现中厚板的机器人自动化焊接。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种适用于实现中厚板打底焊不清根的焊接方法，属于焊接技术领域。
背景技术
中厚板焊接在船舶、矿山机械、高压力容器、海洋工程和重型机械等领域的应用非常广泛，尤其在船舶行业，中厚板焊缝就占70%以上。目前中厚板焊接采用的焊接方法主要是人工焊和半自动焊。传统单弧焊接工艺为：正面预热→正面焊接→反面气刨清根→打磨坡口→磁粉探伤→反面预热→反面焊接→后热。采用单电弧对中厚板进行焊接产生的焊接应力大，使焊接工件容易产生较大的应力变形，且变形后的校正非常困难。在实际焊接过程中，为了减少焊接变形，一般需要调整焊接顺序：当正面坡口填充完成三分之一后，背面进行碳弧气刨清根，然后进行背面坡口的填充焊接，当背面坡口填充完三分之二后，转到正面坡口施焊直至焊满，最后再完成背面坡口剩余部分的填充焊接。可以看出传统中厚板焊接工艺非常复杂，由于焊接过程中需要碳弧气刨清根以及为了减小焊接变形需要来回翻转工件或者移动焊枪以实现焊接顺序的调整，很难实现自动焊接。众所周知，智能化和自动化是焊接发展的必然趋势。针对目前中厚板焊接工艺复杂，焊接效率低下的生产现状，探索一种新的焊接方法，从而简化中厚板焊接工艺、提高其焊接生产率及有利于实现中厚板的自动化、智能化焊接是非常必要的。
经过现有技术的文献检索发现，中国专利申请号：201110136841.1名为“一种适用于厚板焊接的设备及方法”的专利提供了一种减少厚板焊接变形的方法，该专利采用自动焊或CO2气体保护焊，焊接时将钢板立起，两边交替焊或同时焊，先在一面焊满坡口的2/3，翻身清根后再焊另一面坡口，边焊边观察变形情况，出现微量变形时翻身焊另一面余下的1/3，焊满后再翻身焊另一面，观察变形情况。采用以上方法钢板拼接焊后平面度在±4毫米左右。焊后整体变形量小且焊接质量可控。可以看出该方法对于中厚板焊接依然不能消除最复杂的清根工艺，此外，其对于焊接变形量的控制需要人工观察工件的变形情况来确定翻身的时机，人为影响的因素比较大，不利于自动化焊接的实现。
另外，还有其它一些文献也公开了中厚板（半）自动化焊接的方法，分为打底焊与填充焊两个步骤，其中打底焊较为核心与关键。然而，现有的这些工艺均不是非常理想，打底焊焊缝根部未熔合，从而会影响到抗拉性能以及焊缝根部的冲击韧性。因此，有必要对现有中厚板的焊接方法进行改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现有中厚板焊接方法工艺复杂、效率低下且不适于实现机器人自动化焊接的缺点，提供一种实现中厚板打底焊不清根的焊接方法。
本发明所采用的技术手段是：一种实现中厚板打底焊不清根的焊接方法，包括打底焊接与填充焊接，所述打底焊接采用双面双弧不对称焊，所述填充焊接采用双面双弧对称焊接，其中，两焊板根部之间的装配间隙为4至6毫米，焊枪角度70至85°，焊枪摆动时侧壁停留时间为0.3至0.6秒，打底焊接的焊枪摆幅在5毫米以上。
优选的，所述打底焊接时，正面电弧和背面电弧之间的弧间距为20至40毫米。
优选的，焊枪焊接速度为4至6毫米/秒。
优选的，焊枪采用三角形摆动方式。
优选的，焊枪摆动频率1至1.5赫兹。
优选的，焊枪摆长4至6毫米。
优选的，所述打底焊接与填充焊接均采用熔化极活性气体保护电弧焊。
本发明克服了现有中厚板焊接方法工艺复杂、效率低下且不适合于实现机器人自动化焊接的缺点。打底焊采用双面双MAG不对称焊接免除了打底焊需要清根的焊接工序。填充焊采用双面双MAG对称焊接，极大地减小了中厚板焊接变形严重、变形后校正困难的问题。该发明实现了中厚板的打底焊不清根焊接、简化了传统中厚板焊接工艺、提高了焊接生产效率、焊后工件基本没有变形。此外，该方法还易于实现中厚板的机器人自动化焊接。
附图说明
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1a：本发明实施例中一种工装夹具结构主视图；
图1b：图1a的俯视图；
图2a、2b：30毫米工件正面、背面打底焊焊道形貌；
图3a、3b：50毫米工件正面、背面打底焊焊道形貌；
图4：打底焊显微组织；
图5a、5b：30毫米工件正面、背面焊缝整体形貌；
图6a、6b：50毫米工件正面、背面焊缝整体形貌。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明的一种实现中厚板打底焊不清根的焊接方法，从整体上而言，包括打底焊接与填充焊接两个步骤。其中，打底焊接采用双面双弧不对称焊，填充焊接采用双面双弧对称焊接，优选打底焊接与填充焊接均采用MAG焊（MetalActive Gas Welding，熔化极活性气体保护电弧焊）。
打底焊接时，正面电弧和背面电弧之间的弧间距为20至40毫米，两焊枪分别从坡口正面和背面以相同速度施焊；填充焊接时，两焊枪同时起弧，在焊接工件的对称位置以相同的速度进行焊接。两焊板根部之间的装配间隙为4至6毫米，焊枪角度为70至85°、焊接速度4至6毫米/秒、采用三角形摆动方式、侧壁停留时间0.3至0.6秒，摆动频率1至1.5赫兹，摆长4至6毫米，打底焊摆幅5毫米以上。该发明特别适合于厚度大于20毫米的中厚板立焊，可以实现中厚板的不清根焊接、简化传统中厚板焊接工艺、提高生产效率、焊后工件基本没有焊接变形。此外，以现有方法对比，由于打底焊和填充焊均采用MAG焊，该方法更易于实现中厚板的机器人自动化焊接。
本发明依靠工装夹具的辅助作用实现焊接过程。所述的工装夹具的设计如附图1所示。立焊对工装夹具水平度要求比较高，该夹具可以通过与地面接触的垫块1上面的螺杆2调整工作台面板3的水平位置以保证工作台水平度；工作台面板3的长条状的槽孔30设计使得夹具块4能够在其上调整位置，进而可以实现对不同板厚(20至180毫米)的焊接工件5进行夹持，能够提供外部约束减小焊接过程中的应力变形；工作台面板3上的垫块6将工件5抬高，可以保证进行工件底端坡口焊接时焊枪的可达性。
对于本发明而言，焊接参数的选择至关重要，以下将分别对各参数的选择过程进行详细解释。
所述的装配间隙的调整。现有文献中往往采用2至3毫米的装配间隙，然而发明人通过将装配间隙提高至4至6毫米，发现更有利于实现打底焊接的熔透，效果远远优于现有技术。相反，通过大量实验表明，现有技术中的较小的装配间隙，会导致打底焊接未熔透。
所述的焊枪角度的调整。中厚板多层多道焊对每一焊道成形的平整度都有较高的要求。焊枪的角度对焊道成形有非常大的影响，角度过大或者过小都容易形成焊瘤，都得不到平整的焊道成形。本发明中焊枪角度在70至85°之间，可以得到表面平整、成形良好的焊道。
所述的打底焊前后电弧弧间距的确定。弧间距对打底焊焊缝质量有至关重要的影响，弧间距过小，则两电弧之间的电磁场干扰会很强从而引起断弧；弧间距过大，则正面焊形成的背面焊道不能在背面焊枪惰性气体的有效保护范围之内，背面焊道暴露在空气中受到氧化产生缺陷。合理的前后弧间距应使正面焊在背面形成的焊道完全在背面焊枪的惰性气体有效保护范围之内。本发明中打底焊时前后电弧之间的弧间距在20至40毫米之间。
所述的摆动方式的选择。根部未熔透和侧壁未熔合是中厚板焊接容易出现的两类主要缺陷。焊枪的摆动方式有梯形摆动、双梯形摆动、三角形摆动等很多摆动方式，同一种摆动方式还有摆动停留和摆动未停留的区别。本发明中采用可以设置停留时间的三角形摆动方式。
所述的侧壁停留时间的设定。为了避免侧壁未熔合缺陷的产生，焊接过程中需要电弧能量分布在侧壁母材部分多一点，当焊枪摆动到侧壁位置时，需要设置停留时间。本发明中侧壁停留时间为0.3至0.6秒，结合三角形摆动方式可以保证良好的侧壁熔合。
所述的其它摆动参数(包括摆动频率、摆长、摆幅)的设置。摆动参数会影响到电弧的能量分布，合理的摆动参数是获得良好焊缝成形的关键。本发明中摆动频率为1至1.5赫兹，焊接速度为4至6毫米/秒，摆长为4至6毫米。摆幅过大则单一焊道需要填充的面积增大，在送丝速度不变的情况下会出现熔融金属液不能填满的情况从而引起焊接缺陷，另外摆幅过大保护气体的保护效果不佳，会引起气孔缺陷。摆幅过小则焊道余高较高，影响多层多道后续焊道的填充焊接。配合之前的装配间隙，本发明的打底焊的摆幅选择为5毫米以上，而填充焊的摆幅不做过多限制。
本发明在打底焊接中采用双面双MAG不对称焊接免除了打底焊需要清根的焊接工序。填充焊采用双面双MAG对称焊接，极大地减小了中厚板焊接变形严重、变形后校正困难的问题。而各焊接参数的独创性的采用，更是保证焊接质量的关键。
【实施例】
焊接工件分别为厚度为30毫米和50毫米的Q345试板，坡口为45度X型坡口，焊接方向从下向上。
30毫米的试板装配间隙固定在4毫米；50毫米的试板装配间隙固定在6毫米。装配过程中要保证左右坡口的对中，尽量不要出现错边、扭曲等装配误差，否则会影响焊接质量。焊枪角度为80°，打底焊前后电弧弧间距为30毫米，填充焊时两电弧间距为0毫米，摆动方式选用三角形摆动，当焊枪摆动到侧壁时，设置侧壁停留时间，停留时间为0.4秒，摆动频率为1.5Hz，摆长为6毫米，焊接速度为6毫米/秒，送丝速度为380毫米/分钟。30毫米的试板的打底焊的摆幅为5毫米，50毫米的试板的打底焊的摆幅为7毫米，30毫米的试板的填充焊道的摆幅为4毫米，50毫米的试板的填充焊道的摆幅为6毫米。
两把MAG焊枪分别安装在两FANUC机器人的第六轴上，焊接工件在工装夹具上装配完毕后，主从机器人分别从工件的正反两面以相同的焊接速度施焊，焊接电源为林肯电源。
从图2和图3可以看到，无论是对于厚度为30毫米还是50毫米的焊接试板，采用双面双MAG不对称打底焊接，坡口正面和背面都能够得到表面平整的焊道，焊道与侧壁的熔合情况良好。
对于中厚板焊接而言，根部未熔透和侧壁未熔合是两类主要的缺陷，为了检验本发明焊接方法的根部熔透情况和侧壁熔合情况，对焊接工件取样进行了低倍金相组织的分析。图4的金相组织放大倍数为10倍，从图中可以看出采用本发明的焊接方法及焊接工艺可以实现良好的打底焊根部熔透和侧壁熔合。因而，本发明消除了现有技术中打底焊焊缝根部未熔合的情况，从而能够改善成品的抗拉性能以及焊缝根部的冲击韧性等。
从图5和图6可以看出，板厚分别为30毫米、50毫米的试板，采用该发明的焊接方法和焊接工艺焊接后焊缝整体成形良好。为了进一步检测打底焊熔透和侧壁熔合情况，采用超声探伤和X射线对焊接工件进行检测，超声探伤和X射线检测结果表明焊缝质量良好，能够满足检测要求。对焊缝、熔合线、热影响区分别取样对抗拉强度、冲击韧性、侧弯性能、硬度进行检测，检测结果均达到验收标准。
本发明通过采用独创的打底焊接工艺，消除现有技术中打底焊根部未熔合的缺陷，因而能够获得更加优良的抗拉强度、冲击韧性、侧弯性能、硬度等工艺参数。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，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 (7)
1.一种实现中厚板打底焊不清根的焊接方法，包括打底焊接与填充焊接，所述打底焊接采用双面双弧不对称焊，所述填充焊接采用双面双弧对称焊接，其中，两焊板根部之间的装配间隙为4至6毫米，焊枪角度70至85°，焊枪摆动时侧壁停留时间为0.3至0.6秒，打底焊接的焊枪摆幅5毫米以上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述打底焊接时，正面电弧和背面电弧之间的弧间距为20至40毫米。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：焊枪焊接速度为4至6毫米/秒。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：焊枪采用三角形摆动方式。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：焊枪摆动频率1至1.5赫兹。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：焊枪摆长4至6毫米。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述打底焊接与填充焊接均采用熔化极活性气体保护电弧焊。
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