CN105108278A - 一种提高双面焊焊接效率的新方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高双面焊焊接效率的新方法，本发明研究了单面焊双面成型技术的工艺参数对堆焊金属的显微组织与宏观力学性能的影响。结果表明，基体板材的种类、成型方法的不同，药芯焊丝的配方和焊接工艺参数变化很大，因此，本发明根据高强度耐候钢、单面焊双面成型的特点改进工艺，开发出了专用于本发明焊接高强度耐候钢的药芯焊丝合金粉末和富氩气体保护焊焊接工艺，有效避免高强度耐候钢双面成型过程中裂纹和淬硬现象的产生，提高了堆焊金属的高温硬度、耐磨性能，并使其具有良好的韧性和抗裂性能。

Description

一种提高双面焊焊接效率的新方法
技术领域
本发明焊接工程领域，具体涉及一种提高双面焊焊接效率的新方法。
背景技术
对小于6mm板厚的薄板结构的焊接，如果整体采用单面焊双面成型的焊接工艺方法理论上会造成较大的焊接变形，而且火工校正困难。目前，在小于6mm板厚的结构中，其对接焊缝全部都是采用V型坡口双面对称焊接的方式进行施工。根据实际焊接效果来看，这种工艺方法主要存在如下问题：
1、有些产品不得不需要在野外施工作业时，生产条件较差，没有大型的起重设备配合其结构的返身，背面焊缝的焊接工作较难实现；
2、有些产品不得不需要在野外施工作业时，由于受施工条件及场地的限制，造成仰焊位置空间狭窄，仰焊操作困难，对焊缝质量难以保证；
3、存在繁重的仰焊位置焊缝，大大增加了工人的劳动强度及操作难度；
4、正面焊缝焊完后，背面焊缝还需要采用碳弧气刨进行清根，砂轮机打磨清洁后才能实施焊接，增加了多个工种的工时，还增加了一倍多的焊接工作量，生产效率低。
而常规工艺上一直没有提供耐候钢陶质衬垫单面焊双面成型的技术支持，也没有明确此工艺方法的使用指导。
发明内容
钢材的碳当量越高，淬硬倾向越大，钢材的焊接性越差，特别是对于高强度耐候钢，碳当量较高，焊接热影响区存在一定的淬硬和冷裂倾向。现有的单面焊双面成型技术进行焊接时，需要在钢板的正面采用较大的电流施焊，以使焊缝背面强迫成形，但因采用大线能量焊接常导致焊接焊缝出现脆化。
因此，在实际生产过程中，无法采用单面焊双面成型技术对高强度耐候钢进行加工。为克服上述问题，本发明研究了单面焊双面成型技术的工艺参数对堆焊金属的显微组织与宏观力学性能的影响。结果表明，基体板材的种类、成型方法的不同，药芯焊丝的配方和焊接工艺参数变化很大，因此，本发明根据高强度耐候钢、单面焊双面成型的特点改进工艺，开发出了专用于焊接高强度耐候钢的药芯焊丝合金粉末和富氩气体保护焊焊接工艺，有效避免高强度耐候钢双面成型过程中裂纹和淬硬现象的产生，提高了堆焊金属的高温硬度、耐磨性能，并使其具有良好的韧性和抗裂性能。
本发明的目的是为了解决上述技术方案中的不足，而提供一种提高双面焊焊接效率的新方法，避免了高强度耐候钢结构的焊接制造中由于结构返身及背面焊缝焊接时带来的繁重工作，从而降低工人的劳动强度及操作难度，提高生产效率；同时又保证了整体焊接质量。
本发明的技术方案如下：
一种提高双面焊焊接效率的新方法，它包括以下步骤：
(1)对接板坡口处理：在厚度小于5.8mm的两张对接高强度耐候钢板上采用机械刨边方式加工焊接坡口，坡口角度为24゜～28゜，直接形成坡角，不留钝边；然后进行认真细致地打磨，焊接坡口内部及其两侧各35～45mm范围内，要严格清除氧化皮、铁锈、熔渣、油漆、油污、泥灰、水渍等脏物，直至坡口及其两侧表面露出金属光泽；
(2)板安装和点焊固定：将板采用V型坡口平对接安装，坡口间隙3.5～4.5mm，然后将中间开孔的加强肋安装坡口背面，再对坡口内进行点焊固定；加强肋可以采用厚度为5.6-5.8mm，宽度为72-76mm，长度为280-290mm的耐候钢板；
(3)加装陶质衬垫：在坡口背面粘贴陶质衬垫，陶质衬垫的中心线对准坡口的中心处；
(4)烘烤去潮：对坡口及其两侧35～45mm范围内烘烤去潮，来提高焊接质量；
(5)坡口焊接：包括第一层打底焊和第二层盖面焊，所述的第一层打底焊和第二层盖面焊均是以Ar和CO2为保护气体，控制其流量18～20L/min，采用350A-380A的焊接电流，35V-38V的焊接电压，焊丝干伸长度为18～20mm，18～35m/h的焊接速度对坡口进行焊接；保护气体二氧化碳气和氩气的混合气体，二者的体积比为0.5-1:8，纯度应不小于99.50％。
所述打底焊和盖面焊采用的焊丝为药芯焊丝，所述药芯焊丝的配方以质量份计如下：电解锰4-8，45#硅铁2-6，钛铁1-4，金属铬20-35，高碳铬铁20-30，石墨0-5，钒铁2-6，钼铁12-18，钨粉2-4，镍粉4-8，氮化铝1-2，氮化钛2-6，钾长石1-2，氟硅酸钠1-4，大理石20-75，萤石20-25，钛白粉1-3，石英2-5，云母2-5。
一般认为，增强材料表面强度和改善耐磨性的有效途径是提供材料的表面硬度和强韧性，较为理想的组织结构为坚韧、连续的基体上均匀分布高熔点、高硬度、稳定性好的质点。本发明研究后发现：氮与碳均为间隙溶质原子，都能形成弥散分布的第二相质点，并且氮对富氩气体保护焊焊接性影响较小，在焊接过程中不会出现裂纹。因此，利用氮代替堆焊合金中的部分碳，并采用强固氮元素Ti、Al进行合金化的方法，改善堆焊合金的韧性、抗裂性的同时，提高堆焊合金的硬度，增加耐磨性能。
药皮各组分的作用是：
萤石：造渣和除氢，实现低氢型焊条，充分保证机械性能。
大理石：造气和造渣，对焊缝起到气渣联合保护作用。
大理石与萤石的配比很重要：大理石与萤石之比大于1时，电弧稳定，喷力大，飞溅少。但当大理石与萤石之比大于3时，焊缝有粘渣出现，脱渣不良，熔渣呈玻璃状，质地坚硬，甚至由于去除氢的作用不足而使焊缝表面有气孔。因此，二者的质量分数分别为：大理石20-75，萤石20-25。
钛白粉：低氢型焊条中加入少量钛白粉，使药皮具有良好的塑性，以改善焊条压涂性能和焊接工艺性能。
锆英石：改善焊接工艺性能。
钾长石：造渣与稳弧。
氟硅酸钠：造渣与稳弧。
锰铁：排除焊缝中的氧，增加堆焊层金属的强度和硬度。
钛铁：固氮合金，同时具有脱氧作用；在堆焊合金中防止氮气孔形成的同时形成硬质耐磨相。
钒铁：固氮合金，在堆焊合金中防止氮气孔形成的同时形成硬质耐磨相。
氮化铝向堆焊合金中过渡氮元素，提高堆焊合金的以及降低热膨胀系数。
氮化钛与氮化铝协同配合平衡堆焊合金中的氮元素，提高堆焊合金的导电性和超导性，提高焊接效率。
氮化铝和氮化钛的配比很重要：氮化铝和氮化钛总质量分数小于3时，有时由于无法获得良好的初期磨合性，因此堆焊金属耐擦伤性不良。氮化铝和氮化钛总质量分数大于3时，堆焊金属导热性，耐热性、耐腐蚀性良好，堆焊金属的韧性、塑性和抗疲劳性能显著提高。但当氮化铝和氮化钛总质量分数大于8时，可能会使喷涂被膜的维氏硬度降低、耐磨耗性下降。已确认了下述结果：使氮化铝和氮化钛总质量份数分别在3重量份以上且8重量份以下的范围时，可获得良好的初期磨合性、耐擦伤性及耐磨耗性。
本发明利用氮代替部分碳，采用强固氮元素Ti、V合金化的方法，改善堆焊合金的韧性、抗裂性的同时，提高硬度，增加耐磨性能。实际应用结果表明，该焊条堆焊工艺性能良好，抗焊接裂纹性能高，堆焊层平均硬度HRC50-60，耐磨性为Q235碳钢的10-20倍，并具有抗气孔能力强以及合金化均匀程度好等优点。
所述加强肋上的开孔为半径50～60mm的半圆孔。加强肋上开孔的目的是便于陶质衬垫粘贴时能顺利通过焊缝坡口背面。
所述打底焊和盖面焊均采用右向焊法。
所述打底焊和盖面焊形成的焊缝倾角为-5～5°，焊缝转角为80～100°。
所述陶质衬垫采用JN-404型。
本发明的有益效果：
1、把衬垫放在钢板和工件所规定的形状和尺寸的坡口背面，从正面焊，既能双面一次成形，背面焊缝成型饱满，焊迹整齐，极大的改善了焊工工作条件，提高了效率。
2.采用本发明后，对高强度耐候钢薄钢板的焊接，只需正面2层焊缝就能很好的完成了结构的对接焊缝，无需返身背面焊接，可减少结构返身时所需的起重设备配合及结构返身时所需的工时，有效的减少了焊接的工作量，大大降低了工人的劳动强度及施工难度，降低了成本，提高了生产效率。
3.采用本发明的方法焊缝的正面及背面成型良好，通过对焊接工艺参数的控制，焊缝变形量也得到了有效控制，焊缝的力学性能优良，完全满足相关标准及规范的要求。
4.采用本发明的方法能既减少了焊缝数量，又避免仰焊位置的操作，有效的解决了繁重的仰焊工作任务，只需在平焊位置施焊就能达到双面成型的效果，焊接操作简单，焊工容易掌握。
5.本发明主要用于造船、车箱制造、容器制造、建筑加固等领域的薄钢板结构的焊接工作中。
附图说明
图1是采用本发明焊接部位的结构示意图。
附图标记：陶瓷衬垫1，坡口2，板3。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
实施例1：高强度耐候钢板(厚度＝3.8mm)药芯焊丝陶质衬垫单面焊双面成型平对接焊。
焊接条件：
(1)平对接的焊接要求：焊缝倾角为0°，偏差±5°，焊缝转角为90°，偏差±10°；
(2)焊接设备为：WSE-250型氩弧焊机；
(3)焊丝为：药芯焊丝，Ф1.0mm；组成药芯焊丝的合金粉末配方以质量份计如下：电解锰8，45#硅铁6，钛铁4，金属铬35，高碳铬铁30，石墨5，钒铁6，钼铁18，钨粉4，镍粉8，氮化铝2，氮化钛6，钾长石2，氟硅酸钠4，大理石25，萤石15，钛白粉1-3，石英5，云母5；，
(4)陶质衬垫为：浙江象山牌JN-404-2型衬垫；
(5)保护气体为：二氧化碳气和氩气的混合气体，二者的体积比为0.5:8，纯度为不小于99.50％；
(6)焊接参数为：所述的第一层打底焊和第二层盖面焊均是以Ar和CO2为保护气体，控制其流量18～20L/min，采用350A-380A的焊接电流，35V-38V的焊接电压，焊丝干伸长度为18～20mm，18～35m/h的焊接速度对坡口进行焊接。保护气体二氧化碳气和氩气的混合气体，二者的体积比为0.5-1:8，纯度应不小于99.50％。焊接步骤：
(1)对接板坡口处理：在两张对接高强度耐候钢板(厚度＝3.8mm)上采用机械刨边方式加工焊接坡口，坡口角度为24゜～28゜，不留钝边；然后进行认真细致地打磨，焊接坡口内部及其两侧各35～45mm范围内，要严格清除氧化皮、铁锈、熔渣、油漆、油污、泥灰、水渍等脏物，直至坡口及其两侧表面露出金属光泽。
(2)板安装和点焊固定：将两张高强度耐候钢板采用V型坡口平对接安装，坡口间隙3.5～4.5mm，然后将中间开孔的加强肋横向安装坡口背面，再对坡口内进行点焊固定；加强肋可以采用厚度为5.8mm，宽度为76mm，长度为290mm的耐候钢板，开孔为半径50mm的半圆孔。
(3)加装陶质衬垫：在坡口背面粘贴陶质衬垫JN-404-2衬垫，陶质衬垫的中心线对准坡口的中心处；
(4)烘烤去潮：用割炬对焊接坡口及其两侧35-45mm范围内烘烤去潮；
(5)第一层打底焊：以CO2和Ar为保护气体，按上述第1层打底焊的焊接工艺参数进行调整，采用右向焊法进行第1层打底焊施工，形成第一层焊缝，打底焊完成后，要严格清理焊缝表面的熔渣及其他焊接缺陷；
(6)第二层盖面焊：也是以CO2和Ar为保护气体，按上述第2层盖面焊调整好焊接工艺参数，采用右向焊法，作适当的横向摆动完成第2层盖面焊道的焊接，形成第二层焊缝即可完成焊接。
实施例2：高强度耐候钢(厚度＝3.8mm)药芯焊丝陶质衬垫单面焊双面成型平对接焊。
焊接条件：
(1)平对接的焊接要求：焊缝倾角为0°，偏差±5°，焊缝转角为90°，偏差±10°；
(2)焊接设备为：WSE-250型氩弧焊机；
(3)焊丝为：药芯焊丝，Ф1.0mm；组成药芯焊丝的合金粉末配方以质量份计如下：电解锰4，45#硅铁2，钛铁1，金属铬20，高碳铬铁20，钒铁2，钼铁12，钨粉2，镍粉4，氮化铝1，氮化钛2，钾长石1，氟硅酸钠1，大理石20，萤石10，钛白粉1，石英2，云母2；
(4)陶质衬垫为：浙江象山牌JN-404-2型衬垫；
(5)保护气体为：二氧化碳气和氩气的混合气体，二者的体积比为1:8，纯度为不小于99.50％；
(6)焊接参数为：所述的第一层打底焊和第二层盖面焊均是以Ar和CO2为保护气体，控制其流量18～20L/min，采用350A-380A的焊接电流，35V-38V的焊接电压，焊丝干伸长度为18～20mm，18～35m/h的焊接速度对坡口进行焊接。保护气体二氧化碳气和氩气的混合气体，二者的体积比为0.5-1:8，纯度应不小于99.50％。焊接步骤：
(1)对接板坡口处理：在两张对接高强度耐候薄钢板(厚度＝3.8mm)上采用机械刨边方式加工焊接坡口，坡口角度为24゜～28゜，不留钝边；然后进行认真细致地打磨，焊接坡口内部及其两侧各36-45mm范围内，要严格清除氧化皮、铁锈、熔渣、油漆、油污、泥灰、水渍等脏物，直至坡口及其两侧表面露出金属光泽。
(2)板安装和点焊固定；将两张高强度耐候薄钢板采用V型坡口平对接安装，坡口间隙3.5～4.5mm，然后将中间开孔的加强肋横向安装坡口背面，再对坡口内进行点焊固定；加强肋可以采用厚度为5.6mm，宽度为72mm，长度为280mm的耐候钢板，开孔为半径50mm的半圆孔。
(3)加装陶质衬垫：在坡口背面粘贴陶质衬垫JN-404-2衬垫，陶质衬垫的中心线对准坡口的中心处；
(4)烘烤去潮；用割炬对焊接坡口及其两侧35-45mm范围内烘烤去潮；
(5)第一层打底焊；以CO2和Ar为保护气体，按上述第1层打底焊的焊接工艺参数进行调整，采用右向焊法进行第1层打底焊施工，形成第一层焊缝，打底焊完成后，要严格清理焊缝表面的熔渣及其他焊接缺陷；
(6)第二层盖面焊；也是以CO2和Ar为保护气体，按上述第2层盖面焊调整好焊接工艺参数，采用右向焊法，作适当的横向摆动完成第2层盖面焊道的焊接，形成第二层焊缝即可完成焊接。
实施例3：高强度耐候钢(厚度＝3.8mm)药芯焊丝陶质衬垫单面焊双面成型平对接焊。
焊接条件：
(1)平对接的焊接要求：焊缝倾角为0°，偏差±5°，焊缝转角为90°，偏差±10°；
(2)焊接设备为：WSE-250型氩弧焊机；
(3)焊丝为：药芯焊丝，Ф1.0mm；组成药芯焊丝的合金粉末配方以质量份计如下：电解锰6，45#硅铁4，钛铁3，金属铬30，高碳铬铁25，石墨3，钒铁4，钼铁16，钨粉3，镍粉6，氮化铝1.5，氮化钛4，钾长石1.5，氟硅酸钠2.5，大理石24，萤石12，钛白粉2，石英4，云母3；
(4)陶质衬垫为：浙江象山牌JN-404-2型衬垫；
(5)保护气体为：二氧化碳气和氩气的混合气体，二者的体积比为0.5:8，纯度为不小于99.50％；
(6)焊接参数为：所述的第一层打底焊和第二层盖面焊均是以Ar和CO2为保护气体，控制其流量18～20L/min，采用350A-380A的焊接电流，35V-38V的焊接电压，焊丝干伸长度为18～20mm，18～35m/h的焊接速度对坡口进行焊接。保护气体二氧化碳气和氩气的混合气体，二者的体积比为0.5-1:8，纯度应不小于99.50％。
焊接步骤：
(1)对接板坡口处理：在两张对接高强度耐候薄钢板(厚度＝3.8mm)上采用机械刨边方式加工焊接坡口，坡口角度为24゜～28゜，不留钝边；然后进行认真细致地打磨，焊接坡口内部及其两侧各36-45mm范围内，要严格清除氧化皮、铁锈、熔渣、油漆、油污、泥灰、水渍等脏物，直至坡口及其两侧表面露出金属光泽。
(2)板安装和点焊固定；将两张高强度耐候薄钢板板采用V型坡口平对接安装，坡口间隙3.5～4.5mm，然后将中间开孔的加强肋横向安装坡口背面，再对坡口内进行点焊固定；加强肋可以采用厚度为5.6mm，宽度为72mm，长度为280mm的耐候钢板，开孔为半径50mm的半圆孔。
(3)加装陶质衬垫：在坡口背面粘贴陶质衬垫JN-404-2衬垫，陶质衬垫的中心线对准坡口的中心处；
(4)烘烤去潮；用割炬对焊接坡口及其两侧35-45mm范围内烘烤去潮；
(5)第一层打底焊；以CO2和Ar为保护气体，按上述第1层打底焊的焊接工艺参数进行调整，采用右向焊法进行第1层打底焊施工，形成第一层焊缝，打底焊完成后，要严格清理焊缝表面的熔渣及其他焊接缺陷；
(6)第二层盖面焊；也是以CO2和Ar为保护气体，按上述第2层盖面焊调整好焊接工艺参数，采用右向焊法，作适当的横向摆动完成第2层盖面焊道的焊接，形成第二层焊缝即可完成焊接。
对上述实施例1、2、3的焊接效果进行外观检查、X射线拍片、力学性能测试结果：
1.外观检查(评定标准：GB/T3802-1997)
2.X射线拍片(评定标准：CB/T3558-94)
经X射线拍片检查，焊缝内部无裂纹及夹渣、气孔等超标缺陷，焊缝内部质量评定合格。
3.力学性能检测(评定标准：中国船级社材料与焊接规范2009):
结果表明，焊接接头的外观及内部质量、力学性能均满足相关标准要求。
采用本发明，对高强度耐候钢薄钢板厚度为3.8mm的结构焊接施工，操作简便、生产效率高、焊缝成型均匀美观、焊接变形小、焊接接头力学性能优良。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种提高双面焊焊接效率的新方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对接板坡口处理：在厚度小于5.8mm的两张对接高强度耐候钢板上采用机械刨边方式加工焊接坡口，坡口角度为24゜～28゜，直接形成坡角，不留钝边；然后进行认真细致地打磨，焊接坡口内部及其两侧各35～45mm范围内，要严格清除氧化皮、铁锈、熔渣、油漆、油污、泥灰、水渍等脏物，直至坡口及其两侧表面露出金属光泽；
(2)板安装和点焊固定：将板采用V型坡口平对接安装，坡口间隙3.5～4.5mm，然后将中间开孔的加强肋安装坡口背面，再对坡口内进行点焊固定；加强肋可以采用厚度为5.6-5.8mm，宽度为72-76mm，长度为280-290mm的耐候钢板；
(3)加装陶质衬垫：在坡口背面粘贴陶质衬垫，陶质衬垫的中心线对准坡口的中心处；
(4)烘烤去潮：对坡口及其两侧35～45mm范围内烘烤去潮，来提高焊接质量；
(5)坡口焊接：包括第一层打底焊和第二层盖面焊，所述的第一层打底焊和第二层盖面焊均是以Ar和CO2为保护气体，控制其流量18～20L/min，采用350A-380A的焊接电流，35V-38V的焊接电压，焊丝干伸长度为18～20mm，18～35m/h的焊接速度对坡口进行焊接；保护气体二氧化碳气和氩气的混合气体，二者的体积比为0.5-1:8，纯度应不小于99.50％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述加强肋上的开孔为半径50～60mm的半圆孔。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述打底焊和盖面焊采用的焊丝为药芯焊丝。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述药芯焊丝的配方以质量份计如下：
电解锰4-8，45#硅铁2-6，钛铁1-4，金属铬20-35，高碳铬铁20-30，石墨0-5，钒铁2-6，钼铁12-18，钨粉2-4，镍粉4-8，氮化铝1-2，氮化钛2-6，钾长石1-2，氟硅酸钠1-4，大理石20-25，萤石10-15，钛白粉1-3，石英2-5，云母2-5。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述打底焊和盖面焊形成的焊缝倾角为-5～5°，焊缝转角为80～100°。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述药芯焊丝直径为1.0mm。
7.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于：所述打底焊和盖面焊均采用右向焊法。
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