CN104289822B - 大厚度结构待焊工件及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大厚度结构待焊工件及其焊接方法，其中，该待焊工件的引入端和引出端被设置为榫头形结构，该焊接方法包括：将待焊工件的引入端和引出端设置成榫头形结构；获取与所述榫头形结构的引入端相匹配的榫槽形结构的引入块，制造与所述榫头形结构的引出端相匹配的榫槽形结构的引出块；将榫槽形结构的引入块装配到所述待焊工件的引入端，将榫槽形结构的引出块装配到所述待焊工件的引出端；在真空环境下，对装配完的待焊工件进行焊接，得到带有焊缝的工件。本发明实施例有利于实现焊接应力和变形的调控，提高了工艺的稳定性，使得焊接效果和焊缝质量更好。

Description

大厚度结构待焊工件及其焊接方法

技术领域

本发明涉及大厚度结构的焊接方法技术领域，特别涉及一种大厚度结构待焊工件及其焊接方法。

背景技术

在大多数工程实践的过程中，对于大厚度材料结构一般都需要通过整体化焊接的方式制造，一般焊接的厚度在30～150mm，主要采用自动氩弧焊、潜弧焊、电子束焊接的方法进行焊接。对于大厚度材料结构，为了获得更好的焊接质量，一般选用电子束焊接方法，为了保证缝成形和内部质量，一般在焊缝的起束流端和收束流端装配同厚度同材质的引入块(引弧块)和引出块(收弧块)，并利用不锈钢夹具固定和氩弧焊点焊的方法将其固定到工件的两端，具体的焊接方法和工装形式如图1和2所示。采用电子束点焊、封焊、焊接等完成大厚度材料结构的焊接，通过机加的方法将引入块和引出块去除，排除电流上升(起束流端)和下降(收束流端)阶段的参数波动的影响。这种工艺方法广泛应用于航空、航天、船舶、海洋探测、电力系统等领域基体承力构件和大型燃机组件的焊接制造。

然而，上述方法中夹具材料物理特性与焊接材料存在差异，固定约束较弱；另外，常规电子束焊接热输入大，存在形状不均匀的钉形焊缝特征，因此，导致焊接应力变形较大，易造成外形尺寸超差等问题，使得批量化生产的稳定性比较差，生产效率低，零件成本高。

发明内容

本发明实施例提供了一种大厚度结构待焊工件，以达到提供工艺稳定性和降低成本的目的，该待焊工件的引入端和引出端被设置为榫头形结构。

在一个实施例中，引入端和引出端的榫头角度为30度到80度，榫头宽度为10mm到15mm，榫头长度为5mm到20mm。

本发明实施例提供了一种大厚度结构待焊工件的焊接方法，以达到提供工艺稳定性和降低成本的目的，该方法包括：

将待焊工件的引入端和引出端设置成榫头形结构；

获取与所述榫头形结构的引入端相匹配的榫槽形结构的引入块，制造与所述榫头形结构的引出端相匹配的榫槽形结构的引出块；

将榫槽形结构的引入块装配到所述待焊工件的引入端，将榫槽形结构的引出块装配到所述待焊工件的引出端；

在真空环境下，对装配完的待焊工件进行焊接，得到带有焊缝的工件。

在一个实施例中，所述引入端和引出端的榫头角度为30度到80度，榫头宽度为10mm到15mm，榫头长度为5mm到20mm。

在一个实施例中，在真空环境下，对装配完的待焊工件进行焊接，包括：

将装配完的待焊工件置入真空环境中；

采用电子束扫描搅拌焊接方法，对准待焊工件的焊缝位置进行焊接。

在一个实施例中，对准待焊工件的焊缝位置进行焊接，包括：

将焊缝位置分为N段，其中，N为正整数；

对分为N段的焊缝，采用先焊两端再焊中间、先焊冷端再焊热端的方式进行分段定位焊接。

在一个实施例中，N大于等于5。

在一个实施例中，在将榫槽形结构的引入块装配到所述待焊工件的引入端，将榫槽形结构的引出块装配到所述待焊工件的引出端之前，上述方法还包括：

对所述待焊工件、引入块和引出块进行化学清洗或机械打磨，去除表面的氧化膜。

在一个实施例中，在将榫槽形结构的引入块装配到所述待焊工件的引入端，将榫槽形结构的引出块装配到所述待焊工件的引出端的过程中，保证引入块与引出端、引出块与引出端之间的配合间隙小于等于0.1mm，阶差小于0.2mm。

在一个实施例中，在对装配完的待焊工件进行焊接，得到焊接工件之后，上述方法还包括：采用机加的方法去除工件两端的引入端、引入块、引出端和引出块。

在本发明实施例中，将待焊工件的引入端和引出端都设置成了榫头形结构，然后通过将与榫头形结构相匹配的榫槽形结构与之配合，基于榫头与榫槽的自锁原理，使得工件可以自动实现锁紧定位装配，而无需采用现有技术中的工装夹具进行定位装配，减小了夹具约束力弱或者是过约束及变形的影响，本发明的方式有利于实现焊接应力和变形的调控，提高了工艺的稳定性，使得焊接效果和焊缝质量更好。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是现有技术中大厚度结构待焊工件的定位装配示意图；

图2是现有技术中大厚度结构待焊工件的焊接示意图；

图3是本发明实施例的大厚度结构待焊工件的立体结构示意图；

图4是本发明实施例的大厚度结构待焊工件的平面结构示意图；

图5是本发明实施例的对大厚度结构待焊工件进行焊接的方法流程图；

图6是本发明实施例的分段定位焊示意图；

图7是本发明实施例的榫槽立体结构示意图；

图8是本发明实施例的榫槽平面结构示意图；

图9是本发明实施例的待焊工件的装配示意图；

图10是本发明实施例的电子束扫描搅拌电子流向示意图；

图11是本发明实施例的电子束扫描搅拌示意图；

图12是本发明实施例的榫头结构及参数示意图；

图13是本发明实施例的榫槽结构及参数示意图；

图14是本发明实施例的焊缝剖面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本例中，提供了一种大厚度结构待焊工件，所谓的大厚度结构就是焊接厚度大于等于30mm的结构，如图3和图4所示，待焊工件的引入端和引出端设置是榫头形结构，在图3和图4中，L3、L4、θ等是表征榫头尺寸的物理量，分别表示榫头宽度、榫头长度和榫头角度，这些参数可以根据焊缝长度L1、工件半宽L2确定，例如：L3可以选定为10mm～15mm，L4可以选定为5mm～20mm，θ可以选定为30度～80度。

基于上述大厚度结构待焊工件，在本例中，还提供了一种对大厚度结构待焊工件进行焊接的方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤501：将待焊工件的引入端和引出端设置成榫头形结构；

步骤502：获取与所述榫头形结构的引入端相匹配的榫槽形结构的引入块，制造与所述榫头形结构的引出端相匹配的榫槽形结构的引出块；

步骤503：将榫槽形结构的引入块装配到所述待焊工件的引入端，将榫槽形结构的引出块装配到所述待焊工件的引出端；

步骤504：在真空环境下，对装配完的待焊工件进行焊接，得到带有焊缝的工件。

在本例中，将待焊工件的引入端和引出端都设置成了榫头形结构，然后通过将与榫头形结构相匹配的榫槽形结构与之配合，基于榫头与榫槽的自锁原理，使得工件可以自动实现锁紧定位装配，而无需采用现有技术中的工装夹具进行定位装配，减小了夹具约束力弱或者是过约束及变形的影响，本发明的方式有利于实现焊接应力和变形的调控，提高了工艺的稳定性，使得焊接效果和焊缝质量更好。

具体实施时，上述引入端和引出端的榫头角度可以选取为30度到80度，榫头宽度可以选取为10mm到15mm，榫头长度可以选取为5mm到20mm，然而值得注意的是，上述宽度、长度和角度等设定仅是为了更好地说明本发明，在实际运用中，还可以根据需要选定其它的宽度、长度和角度，本申请对此不做限定。

考虑到焊缝改善焊缝成形效果和成形质量，在本例中，选择通过电子束扫描搅拌焊接方法进行焊接。

为了降低焊接变形，考虑减少焊接热输入，可以采用分段、对称定位焊的方式来取代传统的点焊和封焊，具体的，将焊缝位置分为N段，其中，N为正整数；对分为N段的焊缝，采用先焊两端再焊中间、先焊冷端再焊热端的方式进行分段定位焊接。如图6所示，分段定位焊每段间隙长度为10到30mm，每段焊缝宽度为5到15mm，熔深为1/6H到1/2H，根据焊缝长短，确定分段的定位焊的段数，例如将其分为5段，采用先焊两端再焊中间，先焊冷端再焊热端的方式，可以有效避免由于后续焊接热应力而导致的焊缝变形、撕裂的问题，从而降低了焊接变形的可能性，如图6所示，就可以按照1→2→3→4→5的顺序进行焊接。

在实施的过程中，在将榫槽形结构的引入块装配到所述待焊工件的引入端，将榫槽形结构的引出块装配到所述待焊工件的引出端之前，还可以包括：对待焊工件、引入块和引出块进行化学清洗或机械打磨，去除表面的氧化膜，从而保证焊接的效果。在焊接完成后，就可以采用机加的方法去除工件两端的引入端、引入块、引出端和引出块，从而得到所需的工件。

下面结合一个具体实施例进行说明，然而值得注意的是，该具体实施例仅是为了更好地说明本发明，并不构成对本发明的不当限定。

考虑到目前在航空、船舶、电力系统领域，大厚度构件主要采用传统的引入/引出块和夹具装配定位及焊接方法制造，结构设计简单，易于实现，然而受到零件结构形式的限制，在批量化生产的需求，传统的方法还存在以下几个问题：

1)设计制造辅助工艺块(即，引入/引出块)、焊接夹具及工件，配合位置的平行度、垂直度、间隙、阶差等尺寸精度要求高，工作量大；

2)采用引入/引出块、工件及夹具的配合面间组装式装配，仅采用夹具约束、结构无自约束，使得装配调整的工作量大；

3)夹具与工件材料的热物理参数存在差异，导致了对工件夹紧定位的约束力不强，不利于焊接变形及应力的控制；

4)这种多接触面的组装式定位装配，易造成焊接间隙、阶差等超差，影响工艺稳定性和焊接质量；

5)常规的电子束焊接的工序较多，热输入较大，焊接应力变形较大；

6)焊缝形貌以钉形为主，平行段较短，不利于缺陷及变形控制。

为了解决上述问题，在本例中提供了一种大厚度结构件的电子束焊接快速装配及焊接方法，该例中的电子束焊接装配是基于自锁原理的，通过设计带榫槽形式的引入/引出块及带榫头形式的工件结构，将其锁紧定位装配，摒弃了传统的工装夹具、氩弧焊点焊等定位装配，进一步的，基于降低焊接热输入的考虑，采取分段、对称的定位焊取代传统的点焊和封焊工序，采用扫描搅拌电子束焊接改善焊缝成形和质量。这种装配方法结构设计新颖，减小了夹具拘束力弱、过渡约束及变形等影响，有利于焊接应力和变形的调控，保证了焊接间隙、阶差等装配精度，提高了工艺的稳定性。同时，简化了焊接工艺，提高了焊接质量，有利于批量生产。具体包括：

步骤1：在工件焊接位置的引入/引出端，设计制造如图3和图4所示的榫头形结构，其中L3、L4、θ等是表征榫头尺寸的物理量，分别表示榫头宽度、榫头长度和榫头角度，这些参数可以根据焊缝长度L1、工件半宽L2确定，例如：L3推荐选取10～15mm，L4推荐选取5～20mm，θ推荐选取30～80度，H表示工件的厚度；

步骤2：与工件榫头结构相匹配，在引入/引出块上如图7和图8所示的加工榫槽结构，其中，L5是L3的2倍。引入/引出块与工件榫头结构等厚，配合间隙≤0.10mm，阶差≤0.2mm。L6为引入/引出块长度，可以选取40～60mm，L7为引入/引出块宽度，可以选取40～60mm。

步骤3：对工件及引入/引出块进行化学清洗或机械打磨等表面清理，去除表面氧化膜；

步骤4：通过榫头和榫槽结构，如图9的方式将引入/引出块装配到工件两端，保证配合间隙≤0.10mm，阶差≤0.2mm，然后将其放入真空室准备焊接；

步骤5：为了降低焊接变形的可能性，可以减少焊接热输入，在本例中采取分段、对称定位焊方式进行焊接。如图6所示，分段定位焊每段焊缝长度可以设定为10～30mm,每段焊缝宽度可以设定为5～15mm，熔深为1/6H～1/2H；根据焊缝长短，确定分段定位焊的段数，一般选取至少5段以上，间隔20～50mm，如图7所示，对称定位焊的顺序为1→2→3→4→5，即：先焊两端，再焊中间，先冷端再热端。通过分段定位焊的方式不仅起到了定位作用，而且保证了足够的强度，避免了由于后续焊接热应力而导致的焊缝变形、撕裂，从而降低了焊接变形的问题。

步骤6：在本例中，采用电子束扫描搅拌焊接方法进行焊接，如图10和11所示，在焊接过程中利用扫描线圈的磁场控制和磁力效应，实现电子束的高速、动态偏摆扫描运动，增加对熔池金属的搅拌作用，提高了能量输入的均匀性和稳定性，有利于改善焊缝的形貌，获得平行焊缝。在图10和11中，1表示线圈，2表示电子束，3表示偏摆运动，4表示扫描轨迹，5表示熔池，6表示匙孔，7表示熔池搅拌。具体的，选取的扫描参数可以是：扫描轨迹形式推荐采用圆形、椭圆形，幅值设定在0.1～3mm范围内，频率推荐选取100～1000Hz；在选取好扫描参数后就可以调整加速电压、束流、聚焦电流及焊接速度等主工艺参数，启动扫描参数，进行扫描搅拌焊接。

在本例中，引入了榫头和榫槽形式的自锁结构，加强了焊接位置的定位、装配、约束，提高了焊接装配的精度，降低了焊接间隙等误差，通过自锁结构装配结构，减少了焊接工装夹具，降低了成本和费用，便于实现无模、快速响应制造，进一步的，简化了焊接工艺，降低了焊接热输入，降低了焊接应力，减小了变形的可能性，采用扫描搅拌焊接方法，提高了工艺的稳定性，提高了焊接质量，便于批量生产。

下面结合一个具体实施例进行说明，在本例中以大厚度钛合金电子束平板对接作为实施例，具体实现过程包括：

步骤1：采用如图12所示的50mm厚度的焊接试板加工榫头形结构。

步骤2：与榫头相匹配，在引入/引出块上加工如图13所示的榫槽。

步骤3：采用钢丝刷机械打磨进行焊接位置表面清理。

步骤4：将引入/引出块的榫槽与试板的榫头定位装配。

步骤5：将焊接结构放入真空室中，抽真空至5x10^-2Pa以下，对中焊缝。

步骤6：将加速电压加至150kV，调整聚焦电流至2491mA，采用8mm/s焊速、30mA束流进行分段定位焊。每段焊缝长度25mm，焊缝宽度6mm，分5段焊接，焊接顺序为如图6所示的1→2→3→4→5。

步骤7：设置圆形扫描轨迹，幅值为0.4mm，频率200Hz,调整束流至65mA，聚焦电流2471mA等主工艺参数，采用8mm/s焊速进行扫描搅拌焊接。

步骤8：完成焊接后，关闭高压。真空室放气，打开真空室，取出焊接工件。

步骤9：进行X光探伤检查，焊缝质量满足HB/Z 198-2011标准Ⅰ级，无超标气孔等缺陷；试板焊接变形小于0.5mm。切取焊接接头试样效果如图14所示，焊缝熔深50mm，熔宽7mm。

从以上的描述中，可以看出，本发明实施例实现了如下技术效果：将待焊工件的引入端和引出端都设置成了榫头形结构，然后通过将与榫头形结构相匹配的榫槽形结构与之配合，基于榫头与榫槽的自锁原理，使得工件可以自动实现锁紧定位装配，而无需采用现有技术中的工装夹具进行定位装配，减小了夹具约束力弱或者是过约束及变形的影响，本发明的方式有利于实现焊接应力和变形的调控，提高了工艺的稳定性，使得焊接效果和焊缝质量更好。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种对大厚度结构待焊工件进行焊接的方法，其特征在于，包括：

将待焊工件的引入端和引出端设置成榫头形结构，其中，所述待焊工件的焊接厚度大于等于30mm；

获取与所述榫头形结构的引入端相匹配的榫槽形结构的引入块，制造与所述榫头形结构的引出端相匹配的榫槽形结构的引出块，所述引入端为焊缝的起束流端，所述引出端为焊缝的收束流端；

将榫槽形结构的引入块装配到所述待焊工件的引入端，将榫槽形结构的引出块装配到所述待焊工件的引出端；

在真空环境下，对装配完的待焊工件进行焊接，得到带有焊缝的工件；

其中，对装配完的待焊工件进行焊接，包括：采用分段、对称定位焊的方式对所述待焊工件进行焊接，其中，分段定位焊每段间隔长度为10mm到30mm，每段焊缝宽度为5mm到15mm，熔深为1/6H到1/2H。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述引入端和引出端的榫头角度为30度到80度，榫头宽度为10mm到15mm，榫头长度为5mm到20mm。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在真空环境下，对装配完的待焊工件进行焊接，包括：

将装配完的待焊工件置入真空环境中；

采用电子束扫描搅拌焊接方法，对准待焊工件的焊缝位置进行焊接。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，对准待焊工件的焊缝位置进行焊接，包括：

将焊缝位置分为N段，其中，N为正整数；

对分为N段的焊缝，采用先焊两端再焊中间、先焊冷端再焊热端的方式进行分段定位焊接。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，N大于等于5。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在将榫槽形结构的引入块装配到所述待焊工件的引入端，将榫槽形结构的引出块装配到所述待焊工件的引出端之前，所述方法还包括：

对所述待焊工件、引入块和引出块进行化学清洗或机械打磨，去除表面的氧化膜。

7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在将榫槽形结构的引入块装配到所述待焊工件的引入端，将榫槽形结构的引出块装配到所述待焊工件的引出端的过程中，保证引入块与引出端、引出块与引出端之间的配合间隙小于等于0.1mm，阶差小于0.2mm。

8.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在对装配完的待焊工件进行焊接，得到焊接工件之后，所述方法还包括：

采用机加的方法去除工件两端的引入端、引入块、引出端和引出块。