CN103894708B - 全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺，包括焊前准备步骤、打底焊步骤、热焊步骤、填充焊步骤和焊后热处理步骤。打底焊步骤采用一层两道方式，焊接时焊丝分别指向坡口的一个侧壁。热焊步骤采用一层一道方式，焊接时焊丝在坡口的间隙中来回摇动，焊丝摇动至指向坡口的侧壁时停留一段时间。填充焊步骤采用一层一道热丝方式，焊接时焊丝在坡口的间隙中来回摇动，焊丝摇动至指向坡口的侧壁时停留一段时间。该全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺具有较高的生产效率和较低的焊接填充量。生产效率比传统焊接提高2～3倍，焊接填充量减少60%，坡口根部间隙适应性可达2mm，低温‑40℃冲击韧性达到69J以上，焊接质量得到有效保障。

Description

全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，更具体地说，涉及一种适用于海洋工程设备的大厚板高强钢结构的全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊（TIG）工艺。
背景技术
大厚板高强钢结构在海洋工程装备中广泛应用，如石油钻井平台、风电安装船和抛石整平船桩腿窗户板，桩腿窗户板的材料为Q690或A514钢，最大板厚达80mm。海工装备桩腿用大厚板高强钢焊接制造存在以下问题：
1）大厚度构件全位置焊接主要采用手工电弧焊，多层多道焊，提高焊接质量和效率是首先要考虑的问题。
2）大型厚壁结构通常都采用高强度材料，其焊接性较差，需要焊前预热，工人劳动强度大，生产环境恶劣。
3）大型厚壁复杂结构的刚度大，焊后产生很高的残余应力并且去应力退火有困难，费用昂贵，一旦变形难以校正。
4）结构尺寸大导致自动化焊接应用困难，需要专门的装备。
为了解决大厚板焊接效率低下、焊接变形、焊接材料消耗量大等缺点，目前大厚板窄间隙焊接已逐步开始应用，如窄间隙埋弧焊、窄间隙熔化极活性气体保护电弧焊（MAG）等。
当从提高生产效率、节约焊材、全位置焊接的角度看，最合适的焊接方式是惰性气体钨极保护焊（TIG）。目前在窄间隙惰性气体钨极保护焊（TIG）方面，还没有很好的突破。
发明内容
本发明旨在提出一种窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊（TIG）工艺。
根据本发明的一实施例，提出一种全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺，包括：
焊前准备步骤，包括坡口加工过程、预处理过程、预热过程及坡口装配过程；
打底焊步骤，采用一层两道方式，一层两道包括左侧焊道和右侧焊道，焊接时焊丝分别指向坡口的一个侧壁；
热焊步骤，采用一层一道方式，焊接时焊丝在坡口的间隙中来回摇动，焊丝摇动至指向坡口的侧壁时停留一段时间；
填充焊步骤，采用一层一道热丝方式，焊接时焊丝在坡口的间隙中来回摇动，焊丝摇动至指向坡口的侧壁时停留一段时间；
焊后热处理步骤，焊接完成后保温一段时间，之后自然冷却至室温。
在一个实施例中，施加在焊丝上的电弧电流是脉冲电流，具有基值和峰值，峰值大于基值。
在一个实施例中，坡口加工过程获得的坡口呈梯形，斜边角度为1°～3°。预处理过程包括去除坡口及周围15～25mm范围内的铁锈和油污。预热过程包括预热至150℃～180℃。装配坡口过程中根部预留9～12mm的间隙。
在一个实施例中，打底焊中左侧焊道的焊接工艺参数为：基值电流130～150A、峰值电流220～250A、跟踪电压9.0～11.0V、焊接速度70～100mm/min、送丝速度80～100cm/min。
在一个实施例中，打底焊中右侧焊道的焊接工艺参数为：基值电流130～150A、峰值电流220～250A、跟踪电压9.0～11.0V、焊接速度70～100mm/min、送丝速度80～100cm/min。
在一个实施例中，热焊步骤的热焊焊道的焊接工艺参数为：基值电流130～150A、峰值电流220～250A、跟踪电压9.0～11.0V、焊接速度90～110mm/min、送丝速度40～60cm/min。
在一个实施例中，填充焊的焊接工艺参数为：基值电流120～160A、峰值电流210～280A、跟踪电压8.0～11.0V、焊接速度70～110mm/min、送丝速度80～150cm/min、热丝电流10～30A。
在一个实施例中，焊后热处理步骤中，在焊接完成后维持在270～300℃并保持2.0～4.0小时，之后自然冷却至室温。
在一个实施例中，全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺适用于Q690E钢制板材，板厚40～150mm。
在一个实施例中，使用直径1.2mm的实心焊丝，保护气体为高纯度Ar，一次保护气体流量12～18L/min，二次保护气体流量25～30L/min。
本发明的全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺具有较高的生产效率和较低的焊接填充量。生产效率比传统焊接提高2～3倍，焊接填充量减少60%，坡口根部间隙适应性可达2mm，低温-40℃冲击韧性达到69J以上，焊接质量得到有效保障。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1揭示了根据本发明的一实施例的全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺的流程图。
图2a和图2b揭示了根据本发明的一实施例的全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺中的坡口结构。
图3a和图3b揭示了根据本发明的一实施例的全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺中焊丝摇动过程和电弧电流变化的示意图。
具体实施方式
参考图1所示，图1揭示了根据本发明的一实施例的窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊（TIG）工艺的流程图。该全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺包括如下的步骤：
102.焊前准备步骤。包括坡口加工过程、预处理过程、预热过程及坡口装配过程。图2a和图2b揭示了根据本发明的一实施例的全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺中的坡口结构。图2a揭示了窗户板和其它部件的配合示意图。其中202表示窗户板、204表示半圆板、206表示齿条。图2b揭示了经过坡口加工后获得坡口结构。如图2a所示，坡口呈梯形，斜边角度为1°～3°，较佳的，如图2b所示，斜边角度在1.5°～2°。预处理过程包括去除坡口及周围15～25mm范围内的铁锈和油污。预热过程包括预热至150℃～180℃。装配坡口过程中根部预留9～12mm的间隙，在图2a中，该间隙处标记9～12mm。参考图2a，在装配坡口的过程中根部预留了9～12mm的间隙。
104.打底焊步骤。采用一层两道方式。一层两道包括左侧焊道和右侧焊道，焊接时焊丝分别指向坡口的一个侧壁。比如在左侧焊道是指向左侧侧壁，右侧焊道是指向右侧侧壁。打底焊步骤中焊丝不摇动，而是固定指向坡口的其中一个侧壁。施加在焊丝上的电弧电流是脉冲电流，具有基值和峰值，峰值大于基值。在一个实施例中，打底焊中左侧焊道的焊接工艺参数为：基值电流130～150A、峰值电流220～250A、跟踪电压9.0～11.0V、焊接速度70～100mm/min、送丝速度80～100cm/min。打底焊中右侧焊道的焊接工艺参数为：基值电流130～150A、峰值电流220～250A、跟踪电压9.0～11.0V、焊接速度70～100mm/min、送丝速度80～100cm/min。左侧焊道和右侧焊道在跟踪电压上略有不同，其它焊接工艺参数基本相同。
106.热焊步骤。热焊接时焊丝在坡口的间隙中来回摇动，焊丝摇动至指向坡口的侧壁时停留一段时间，以加大对于侧壁焊接的热输入。图3a揭示了焊丝摇动过程的示意图。热焊步骤中焊丝的摇动过程可按照图3a所示的方式。如图3a所示，焊丝在左、中央、右三个位置之间来回摇动。在左、右两个位置分别停留一段时间，在图中分别标示为T1（左停留时间）和T2（右停留时间）。焊丝在左、右两个位置时分别指向坡口的一侧侧壁，此时焊丝停留一段时间以使得侧壁获得更大的热输入。在焊丝的摇动过程中基本以匀速进行摇动。热焊过程中施加在焊丝上的电弧电流也是脉冲电流，具有基值和峰值，峰值大于基值。热焊步骤的热焊焊道的焊接工艺参数为：基值电流130～150A、峰值电流220～250A、跟踪电压9.0～11.0V、焊接速度90～110mm/min、送丝速度40～60cm/min。
108.填充焊步骤。采用一层一道热丝方式，焊接时焊丝在坡口的间隙中来回摇动，焊丝摇动至指向坡口的侧壁时停留一段时间，填充焊步骤中焊丝的摇动过程也可按照图3a所示的方式。焊丝在左、中央、右三个位置之间来回摇动。在左、右两个位置分别停留一段时间，在图中分别标示为T1（左停留时间）和T2（右停留时间）。焊丝在左、右两个位置时分别指向坡口的一侧侧壁，此时焊丝停留一段时间以使得侧壁获得更大的热输入。填充焊过程中施加在焊丝上的电弧电流也是脉冲电流，具有基值和峰值，峰值大于基值。此外，在填充焊的过程中为了提高熔敷效率还采取了热丝工艺，使用热丝电流对焊丝进行预热。填充焊的焊接工艺参数为：基值电流120～160A、峰值电流210～280A、跟踪电压8.0～11.0V、焊接速度70～110mm/min、送丝速度80～150cm/min、热丝电流10～30A。
图3b揭示了电弧电流变化的示意图。如图3b所示，电弧电流是脉冲带电流，具有基值和峰值，峰值大于基值。图3b所示的电弧电流的示意图可适用于打底焊、热焊和填充焊的过程，只需要根据实际需求设置不同的基值、峰值和时间间隔即可。
110.焊后热处理步骤。焊接完成后保温一段时间，之后自然冷却至室温。焊后热处理步骤中，在焊接完成后维持在270～300℃并保持2.0～4.0小时，之后自然冷却至室温。
本发明使用直径1.2mm的实心焊丝，保护气体为高纯度Ar，一次保护气体流量12～18L/min，二次保护气体流量25～30L/min。此处所称的高纯度Ar，是指在一般工艺条件下所能获得的纯Ar保护气体。该全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺，适用于Q690E钢制板材，板厚40～150mm。
下面介绍一个采用窄间隙热丝TIG焊工艺的实例。
焊接400ft桩腿窗户板，材质为高强钢Q690E，板厚40mm，坡口角度2°，坡口形式参考图2a和2b，采用Φ1.2mm高强钢实心焊丝，一次保护气体流量15L/min，二次保护气体流量30L/min，保护气体为高纯度Ar（一般工艺条件下的100%Ar）。
焊前准备步骤：按照图2a和2b加工坡口，装配时根部预留间隙10mm。焊前去除坡口及周围20mm范围内的铁锈、油污。焊前预热到180℃。
打底焊步骤：采用一层两道方式进行打底焊。打底焊分左侧焊道和右侧焊道进行，打底焊过程中焊丝不摇动。
热焊步骤，在打底焊之后进行热焊步骤，热焊过程中焊丝摇动。
打底焊和热焊的工艺参数如表1所示。
表1打底焊和热焊的焊接工艺参数
填充焊步骤，采用一层一道热丝的方式进行填充焊。填充焊焊丝摇动角度±35°，左右停留时间0.5s，其他焊接工艺参数如表2所示。
表2填充焊工艺参数
焊后热处理步骤，焊后维持温度在280°并保温2小时后，自然冷却至室温。
针对400ft桩腿窗户板高强钢Q690E全位置窄间隙热丝TIG焊接，焊接过程稳定，焊缝成形良好，焊后无损探伤MT、UT均合格，有效保证桩腿窗户板的焊接质量。宏观金相无任何缺陷，根部、侧壁均熔合良好。力学性能测试结果表明焊缝低温冲击韧性可达250J@-40℃，熔合线可达158J@-40℃，满足69J@-40℃低温冲击韧性要求。焊缝共32层，焊缝金属填充面积仅为手工焊条电弧焊的2/5。
本发明的全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺具有较高的生产效率和较低的焊接填充量。生产效率比传统焊接提高2～3倍，焊接填充量减少60%，坡口根部间隙适应性可达2mm，低温-40℃冲击韧性达到69J以上，焊接质量得到有效保障。
上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可对上述实施例做出种种修改或变化而不脱离本发明的发明思想，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (9)

1.一种全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺，其特征在于，包括：
焊前准备步骤，包括坡口加工过程、预处理过程、预热过程及坡口装配过程；
打底焊步骤，采用一层两道方式，所述一层两道包括左侧焊道和右侧焊道，焊接时焊丝分别指向坡口的一个侧壁；
热焊步骤，采用一层一道方式，焊接时焊丝在坡口的间隙中来回摇动，焊丝摇动至指向坡口的侧壁时停留一段时间；
填充焊步骤，采用一层一道热丝方式，焊接时焊丝在坡口的间隙中来回摇动，焊丝摇动至指向坡口的侧壁时停留一段时间；
焊后热处理步骤，焊接完成后保温一段时间，之后自然冷却至室温；
所述全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺适用于Q690E钢制板材，板厚40～150mm。
2.如权利要求1所述的全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺，其特征在于，施加在焊丝上的电弧电流是脉冲电流，具有基值和峰值，峰值大于基值。
3.如权利要求2所述的全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺，其特征在于，
所述坡口加工过程获得的坡口呈梯形，斜边角度为1°～3°；
所述预处理过程包括去除坡口及周围15～25mm范围内的铁锈和油污；
所述预热过程包括预热至150℃～180℃；
所述坡口装配过程中根部预留9～12mm的间隙。
4.如权利要求2所述的全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺，其特征在于，所述打底焊中左侧焊道的焊接工艺参数为：基值电流130～150A、峰值电流220～250A、跟踪电压9.0～11.0V、焊接速度70～100mm/min、送丝速度80～100cm/min。
5.如权利要求2所述的全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺，其特征在于，所述打底焊中右侧焊道的焊接工艺参数为：基值电流130～150A、峰值电流220～250A、跟踪电压9.0～11.0V、焊接速度70～100mm/min、送丝速度80～100cm/min。
6.如权利要求2所述的全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺，其特征在于，所述热焊步骤的热焊焊道的焊接工艺参数为：基值电流130～150A、峰值电流220～250A、跟踪电压9.0～11.0V、焊接速度90～110mm/min、送丝速度40～60cm/min。
7.如权利要求2所述的全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺，其特征在于，所述填充焊的焊接工艺参数为：基值电流120～160A、峰值电流210～280A、跟踪电压8.0～11.0V、焊接速度70～110mm/min、送丝速度80～150cm/min、热丝电流10～30A。
8.如权利要求1或2所述的全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺，其特征在于，焊后热处理步骤中，在焊接完成后维持在270～300℃并保持2.0～4.0小时，之后自然冷却至室温。
9.如权利要求1或2所述的全位置窄间隙热丝惰性气体钨极保护焊工艺，其特征在于，使用直径1.2mm的实心焊丝，保护气体为高纯度Ar，一次保护气体流量12～18L/min，二次保护气体流量25～30L/min。
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