CN105234535A - 筒体焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种筒体焊接工艺，包括：内部坡口加工步骤，加工装配形成内部坡口，内部坡口是倒V型坡口。内部坡口焊接步骤，对内部坡口进行焊接，对内部坡口进行焊接时使用双电三丝埋弧焊。外部坡口加工及内部坡口机械清根步骤，外部坡口加工即内部坡口机械清根一次性完成，所述外部坡口为U型坡口。外部坡口焊接步骤，对外部坡口进行焊接，对外部坡口进行焊接时使用双电三丝埋弧焊。本发明的筒体焊接工艺，解决了现有技术中筒体低合金高强钢厚板焊接效率低、根部需人工碳刨清根、焊缝金属填充量大等问题。使得焊接效率生产效率比传统焊接提高2～3倍，节约焊材10％～20％，不需碳刨清根，减少人工约50％。

Description

筒体焊接工艺
技术领域
本发明涉及焊接工艺，更具体地说，涉及一种高强度钢厚板的焊接工艺。
背景技术
海工装备中会大量使用到低合金高强度的钢材，这些钢材形成的钢部件需要进行焊接。对于低合金高强度钢材，尤其是板厚较大的钢材来说，焊接的难度较高。
海上风电系统是海工装备中的重要产品。风力发电管桩是风电系统的重要组成部分。海上风电管桩筒体材料一般为S355级低合金高强钢，板厚40～100mm，其焊接接头一般要求达到较高的低温冲击韧性和CTOD值。传统生产中，筒体环纵缝焊接采用手工电弧焊打底，单丝埋弧焊填充盖面，多层多道焊，焊接工作量大、效率低。在设计和施工上采用非对称双面V型大坡口形式，焊前预热、先焊内部坡口、从外部人工碳弧气刨清根、刨槽、打磨、再预热后进行焊接。费工费时，并且工人劳动强度大，生产环境恶劣，焊接质量难以保证。
发明内容
本发明旨在提出一种针对高强度厚板制造的筒体的筒体焊接工艺。
根据本发明的一实施例，提出一种筒体焊接工艺，包括：
内部坡口加工步骤，加工装配形成内部坡口，内部坡口是倒V型坡口；
内部坡口焊接步骤，对内部坡口进行焊接，对内部坡口进行焊接时使用双电三丝埋弧焊；
外部坡口加工及内部坡口机械清根步骤，外部坡口加工即内部坡口机械清根一次性完成，所述外部坡口为U型坡口；
外部坡口焊接步骤，对外部坡口进行焊接，对外部坡口进行焊接时使用双电三丝埋弧焊。
在一个实施例中，双电三丝埋弧焊使用双电三丝焊接装置，该双电三丝焊接装置包两个电源和三根焊丝，其中前置焊丝与直流电源连接，直流电源为直流正接，后置焊丝为两根，两根后置焊丝与交流弧焊电源连接。
在一个实施例中，板材的厚度T为40-100mm。
在一个实施例中，内部坡口加工步骤包括：
在两侧的板材上加工形成斜面；
装配两侧的板材形成倒V型的内部坡口；
清理内部坡口并进行预热。
在一个实施例中，内部坡口的开口角度α为50°-70°，内部坡口的加工深度T1为15-25mm。
在一个实施例中，内部坡口焊接步骤包括：
打底焊，采用单粗丝埋弧焊；
填充焊，采用双电三丝埋弧焊，填充焊每层焊两道；
盖面焊，采用双电三丝埋弧焊，盖面焊每层焊三道。
在一个实施例中，打底焊的焊接工艺参数如下：焊丝直径4.0mm、干伸长30mm、焊接电流为直流正接(DCEP)450-510A、焊接电压27-29V、焊接速度为400-450mm/min；
填充焊的焊接参数如下：前置焊丝直径4.0mm、干伸长30mm、焊接电流为直流正接(DCEP)500-550A、焊接电压28-31V、焊接速度为600-650mm/min；后置焊丝两根的直径均为2.4mm、干伸长30mm、焊接电流为交流(AC)560-600A、焊接电压32-36V、焊接速度为600-650mm/min；
盖面焊的焊接参数如下：前置焊丝直径4.0mm、干伸长30mm、焊接电流为直流正接(DCEP)500-550A、焊接电压28-31V、焊接速度为630-660mm/min；后置焊丝两根的直径均为2.4mm、干伸长30mm、焊接电流为交流(AC)560-600A、焊接电压32-36V、焊接速度为630-660mm/min。
在一个实施例中，外部坡口为U型坡口，开口角度β为13°-18°，U型坡口的根部为圆角，圆角的半径为6-10mm，外部坡口的加工深度T2＝T-T1+X，其中T是板材厚度、T1是内部坡口的加工深度、X为外部坡口和内部坡口的重叠部分的深度，X为4-6mm。
在一个实施例中，外部坡口焊接步骤包括：
打底焊，采用单粗丝埋弧焊；
填充焊，采用双电三丝埋弧焊，填充焊每层焊两道；
盖面焊，采用双电三丝埋弧焊，盖面焊每层焊三道。
在一个实施例中，打底焊的焊接工艺参数如下：焊丝直径4.0mm、干伸长30mm、焊接电流为直流正接(DCEP)450-510A、焊接电压27-29V、焊接速度为400-450mm/min；
填充焊的焊接参数如下：前置焊丝直径4.0mm、干伸长30mm、焊接电流为直流正接(DCEP)500-550A、焊接电压28-31V、焊接速度为600-650mm/min；后置焊丝两根的直径均为2.4mm、干伸长30mm、焊接电流为交流(AC)560-600A、焊接电压32-36V、焊接速度为600-650mm/min；
盖面焊的焊接参数如下：前置焊丝直径4.0mm、干伸长30mm、焊接电流为直流正接(DCEP)500-550A、焊接电压28-31V、焊接速度为630-660mm/min；后置焊丝两根的直径均为2.4mm、干伸长30mm、焊接电流为交流(AC)560-600A、焊接电压32-36V、焊接速度为630-660mm/min。
本发明的筒体焊接工艺，解决了现有技术中筒体低合金高强钢厚板焊接效率低、根部需人工碳刨清根、焊缝金属填充量大等问题。使得焊接效率生产效率比传统焊接提高2～3倍，节约焊材10％～20％，不需碳刨清根，减少人工约50％。
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筒体焊接工艺中加工形成的坡口结构的示意图。
图2揭示了根据本发明的一实施例的筒体焊接工艺中进行内部坡口加工步骤的示意图。
图3揭示了根据本发明的一实施例的筒体焊接工艺中进行内部坡口焊接步骤和外部坡口加工及内部坡口机械清根步骤的示意图。
图4揭示了根据本发明的一实施例的筒体焊接工艺中进行外部坡口焊接的示意图。
图5揭示了根据本发明的一实施例的筒体焊接工艺中使用的双电三丝焊接装置的结构示意图。
图6a和图6b揭示了采用本发明的筒体焊接工艺和现有技术的筒体焊接工艺的各种参数的对比。
具体实施方式
首先参考图1所示，图1揭示了根据本发明的一实施例的筒体焊接工艺中加工形成的坡口结构的示意图。如图1所示，坡口为窄间隙U型坡口，坡口大致可以分为两个部分：外部坡口和内部坡口。外部坡口即图1中开口向上的部分，外部坡口是一个侧壁略微倾斜，开口打开的U型坡口，外部坡口的根部为圆角。内部坡口即图1中的倒V型坡口。在内部坡口和外部坡口全部加工成型后，内部坡口的根部与外部坡口重叠，因此内部坡口并不是完整的倒V型，而是尖端部分缺失的倒V型。内部坡口与外部坡口相接。
继续参考图1所示，图1中的的字母标记分别表示如下的含义：
T表示筒体板材的厚度。在一个实施例中，板材厚度T为40-100mm。
α表示为内部坡口的角度。在一个实施例中，内部坡口的角度α的取值范围为50°-70°，例如，α为60°。
T1表示为内部坡口加工深度，是内部坡口在加工过程中(参考图2所示)形成完整的倒V型时倒V型顶端至板材边缘的距离。在一个实施例中，T1为15-25mm。
R表示外部坡口根部圆角的半径。在一个实施例中，根部圆角的半径为6-10mm，例如，根部圆角的半径R为8mm。
T2为表示外部坡口加工深度，即机械清根的深度。为了达到清根目的，外部坡口的根部和内部坡口的顶端是重合的，因此外部坡口的加工深度T2计算如下：(T-T1+X)mm，这样外部坡口和内部坡口有Xmm的重叠，通常X的取值在4-6mm。
β表示外部坡口的角度。在一个实施例中，外部坡口的角度β的取值为13°-18°，例如β为16°。
内部坡口是预先制作形成，对内部坡口进行焊接后，外部坡口的加工和对于内部坡口的机械清根一次性完成，然后形成外部坡口根部与内部坡口顶部相重叠的形态。再对外部坡口进行焊接。
本发明的筒体焊接工艺的一个具体实例过程如下：
对板厚T为70mm，材质为S355NL的高强度钢的筒体板材进行焊接。需要说明的是，该筒体焊接工艺可以适用于板厚40-100mm，S355等级的其他高强度钢的筒体板材。
内部坡口加工步骤。图2揭示了根据本发明的一实施例的筒体焊接工艺中进行内部坡口加工步骤的示意图。如图2所示，进行内部坡口加工时，在两侧的板材上分别加工出一个斜面，两侧的板材装配后形成一个倒V型，即内部坡口。在图2所示的内部坡口的加工过程中，内部坡口是完整的倒V型。在图2所示的实施例中，板厚T为70mm，内部坡口加工深度T1为20mm，内部坡口的角度α为60°。两侧的板材上的斜面角度为60°，装配拼接后形成角度为60°的内部坡口。两侧的板材进行装配时，根部不留间隙，即两侧的板材位于斜面上方的平面部分贴合不留间隙。在完成装配后，去除坡口及周围20mm范围内的铁锈、油污等。在一个实施例中，内部坡口加工步骤还包括预热步骤，将板材预热至130℃-160℃。
内部坡口焊接步骤。图3揭示了根据本发明的一实施例的筒体焊接工艺中进行内部坡口焊接步骤和外部机械清根步骤的示意图。内部坡口的焊机步骤参考图3中的内部坡口部分。图3中内部坡口中的灰色部分表示填充内部坡口的焊材。内部坡口的焊接步骤包括三个焊接步骤：
首先是打底焊，采用单粗丝埋弧焊。焊接工艺参数如下：焊丝直径4.0mm、干伸长30mm、焊接电流为直流正接(DCEP)450-510A、焊接电压27-29V、焊接速度为400-450mm/min。
然后是填充焊，采用双电三丝埋弧焊。图5揭示了根据本发明的一实施例的筒体焊接工艺中使用的双电三丝焊接装置的结构示意图。如图5所示，该双电三丝埋弧焊包括两个电源和三根焊丝。其中前置焊丝501与直流电源502连接，直流电源502为直流正接，即电源的正极至负极的方向为顺着焊接方向。后置焊丝503为两根，两根后置焊丝503与交流弧焊电源504连接。填充焊的焊接参数如下：
前置焊丝直径4.0mm、干伸长30mm、焊接电流为直流正接(DCEP)500-550A、焊接电压28-31V、焊接速度为600-650mm/min。
后置焊丝两根的直径均为2.4mm、干伸长30mm、焊接电流为交流(AC)560-600A、焊接电压32-36V、焊接速度为600-650mm/min。
最后是进行盖面焊，同样采用双电三丝埋弧焊。使用图5所示的双电三丝焊接装置，但焊接参数有所不同，盖面焊的焊接参数如下：
前置焊丝直径4.0mm、干伸长30mm、焊接电流为直流正接(DCEP)500-550A、焊接电压28-31V、焊接速度为630-660mm/min。
后置焊丝两根的直径均为2.4mm、干伸长30mm、焊接电流为交流(AC)560-600A、焊接电压32-36V、焊接速度为630-660mm/min。
填充焊每层焊两道，盖面焊每层焊三道。在焊接过程中严格控制道间及层间温度与预热温度保持一致，每道焊完之后清渣并进行打磨。焊后用石棉包裹缓冷以防止冷裂纹的产生。
外部坡口加工及内部坡口机械清根步骤。图3揭示了根据本发明的一实施例的筒体焊接工艺中进行内部坡口焊接步骤和外部机械清根步骤的示意图。外部坡口加工及内部坡口机械清根步骤参考图3中的外部坡口部分。在图3所示的实施例中，外部坡口加工及内部坡口机械清根是一次性完成。在进行外部坡口加工的时候，外部坡口的根部与内部坡口的根部相重叠，因此在进行外部坡口加工的时候就能够同时完成内部坡口的清根。继续参考图3所示的实施例，采用清根机进行外部坡口加工和内部坡口清根，外部坡口为开口β为16°的U型坡口。U型坡口的侧壁略微外倾。根部为圆角，圆角半径R为8mm。清根深度T2为55mm。T2＝T-T1+5，T＝70mm、T1＝20mm，计算得到T2＝55mm。即外部坡口和内部坡口根部重叠的部分为5mm。
外部坡口焊接步骤。图4揭示了根据本发明的一实施例的筒体焊接工艺中进行外部坡口焊接的示意图。图4中外部坡口和内部坡口中的灰色部分表示填充外部坡口和内部坡口的焊材。在外部坡口焊接步骤开始之前，清根步骤之后，首先对焊缝进行清理并重新预热，预热至130℃-160℃。然后进行外部坡口的焊接，与内部坡口的焊接步骤类似，外部坡口的焊接步骤同样包括三个焊接步骤：
首先是打底焊，采用单粗丝埋弧焊。焊接工艺参数如下：焊丝直径4.0mm、干伸长30mm、焊接电流为直流正接(DCEP)450-510A、焊接电压27-29V、焊接速度为400-450mm/min。
然后是填充焊，采用双电三丝埋弧焊，填充焊焊两道。图5揭示了根据本发明的一实施例的筒体焊接工艺中使用的双电三丝焊接装置的结构示意图。如图5所示，该双电三丝埋弧焊包括两个电源和三根焊丝。其中前置焊丝501与直流电源502连接，直流电源502为直流正接，即电源的正极至负极的方向为顺着焊接方向。后置焊丝503为两根，两根后置焊丝503与交流弧焊电源504连接。填充焊的焊接参数如下：
前置焊丝直径4.0mm、干伸长30mm、焊接电流为直流正接(DCEP)500-550A、焊接电压28-31V、焊接速度为600-650mm/min。
后置焊丝两根的直径均为2.4mm、干伸长30mm、焊接电流为交流(AC)560-600A、焊接电压32-36V、焊接速度为600-650mm/min。
最后是进行盖面焊，同样采用双电三丝埋弧焊，盖面焊焊三道。使用图5所示的双电三丝焊接装置，但焊接参数有所不同，盖面焊的焊接参数如下：
前置焊丝直径4.0mm、干伸长30mm、焊接电流为直流正接(DCEP)500-550A、焊接电压28-31V、焊接速度为630-660mm/min。
后置焊丝两根的直径均为2.4mm、干伸长30mm、焊接电流为交流(AC)560-600A、焊接电压32-36V、焊接速度为630-660mm/min。
填充焊每层焊两道，盖面焊每层焊三道。在焊接过程中严格控制道间及层间温度与预热温度保持一致，每道焊完之后清渣并进行打磨。焊后用石棉包裹缓冷以防止冷裂纹的产生。
图6a和图6b揭示了采用本发明的筒体焊接工艺和现有技术的筒体焊接工艺的各种参数的对比。其中图6a是采用现有技术的筒体焊接工艺所需要开设的坡口，图6b是根据本发明的筒体焊接工艺所开设的坡口。
如图6a所示，按照现有技术的筒体焊接工艺所开设的双面V型大坡口。对于板厚T＝70mm的板材来说，两侧的V型坡口的开口角度均为60°。内侧坡口深度23mm，内部坡口截面积305mm2，外部坡口深度47mm，外部坡口截面积1275mm2。总的坡口截面积为1580mm2，焊接截面积为1896mm2，焊接道数为20层共52-55道。平均焊接速度470mm/min。根部采用碳弧气刨及打磨工艺进行处理。焊缝长度约3m。焊接工艺总耗时约5.85小时，焊丝消耗约为44.7kg。
如图6b所示，按照本发明的筒体焊接工艺所开设的U型坡口。对于板厚T＝70mm的板材来说，内部坡口为V型坡口，开口角度为60°。内侧坡口深度20mm，内部坡口截面积231mm2。外部坡口为U型坡口，外部坡口深度55mm，外部坡口的开口角度为16°。外部坡口截面积1163mm2。总的坡口截面积为1394mm2，焊接截面积为1762mm2，焊接道数为14层共26-28道。平均焊接速度650mm/min。根部机械清根进行处理。焊缝长度约3m。焊接工艺总耗时约2.15小时，焊丝消耗约为39.3kg。
焊接后的检测表明，采用本发明的筒体焊接工艺形成的焊缝整体成形美观，焊道填充均匀，无气孔、夹渣，侧壁熔合良好，热影响区较小(试验测得热影响区宽度为2-3mm)。焊缝-10℃时CTOD值大于0.25mm，-60℃低温冲击韧性达到50J以上，满足使用要求。
本发明的筒体焊接工艺，解决了现有技术中筒体低合金高强钢厚板焊接效率低、根部需人工碳刨清根、焊缝金属填充量大等问题。使得焊接效率生产效率比传统焊接提高2～3倍，节约焊材10％～20％，不需碳刨清根，减少人工约50％。
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在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，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 (10)

1.一种筒体焊接工艺，其特征在于，包括：
内部坡口加工步骤，加工装配形成内部坡口，所述内部坡口是倒V型坡口；
内部坡口焊接步骤，对内部坡口进行焊接，对内部坡口进行焊接时使用双电三丝埋弧焊；
外部坡口加工及内部坡口机械清根步骤，外部坡口加工即内部坡口机械清根一次性完成，所述外部坡口为U型坡口；
外部坡口焊接步骤，对外部坡口进行焊接，对外部坡口进行焊接时使用双电三丝埋弧焊。
2.如权利要求1所述的筒体焊接工艺，其特征在于，所述双电三丝埋弧焊使用双电三丝焊接装置，该双电三丝焊接装置包两个电源和三根焊丝，其中前置焊丝与直流电源连接，直流电源为直流正接，后置焊丝为两根，两根后置焊丝与交流弧焊电源连接。
3.如权利要求2所述的筒体焊接工艺，其特征在于，所述板材的厚度T为40-100mm。
4.如权利要求3所述的筒体焊接工艺，其特征在于，所述内部坡口加工步骤包括：
在两侧的板材上加工形成斜面；
装配两侧的板材形成倒V型的内部坡口；
清理内部坡口并进行预热。
5.如权利要求3所述的筒体焊接工艺，其特征在于，所述内部坡口的开口角度α为50°-70°，内部坡口的加工深度T1为15-25mm。
6.如权利要求2所述的筒体焊接工艺，其特征在于，所述内部坡口焊接步骤包括：
打底焊，采用单粗丝埋弧焊；
填充焊，采用双电三丝埋弧焊，填充焊每层焊两道；
盖面焊，采用双电三丝埋弧焊，盖面焊每层焊三道。
7.如权利要求6所述的筒体焊接工艺，其特征在于，
所述打底焊的焊接工艺参数如下：焊丝直径4.0mm、干伸长30mm、焊接电流为直流正接(DCEP)450-510A、焊接电压27-29V、焊接速度为400-450mm/min；
所述填充焊的焊接参数如下：
前置焊丝直径4.0mm、干伸长30mm、焊接电流为直流正接(DCEP)500-550A、焊接电压28-31V、焊接速度为600-650mm/min；后置焊丝两根的直径均为2.4mm、干伸长30mm、焊接电流为交流(AC)560-600A、焊接电压32-36V、焊接速度为600-650mm/min；
所述盖面焊的焊接参数如下：
前置焊丝直径4.0mm、干伸长30mm、焊接电流为直流正接(DCEP)500-550A、焊接电压28-31V、焊接速度为630-660mm/min；后置焊丝两根的直径均为2.4mm、干伸长30mm、焊接电流为交流(AC)560-600A、焊接电压32-36V、焊接速度为630-660mm/min。
8.如权利要求3所述的筒体焊接工艺，其特征在于，所述外部坡口为U型坡口，开口角度β为13°-18°，U型坡口的根部为圆角，圆角的半径为6-10mm，外部坡口的加工深度T2＝T-T1+X，其中T是板材厚度、T1是内部坡口的加工深度、X为外部坡口和内部坡口的重叠部分的深度，X为4-6mm。
9.如权利要求2所述的筒体焊接工艺，其特征在于，所述外部坡口焊接步骤包括：
打底焊，采用单粗丝埋弧焊；
填充焊，采用双电三丝埋弧焊，填充焊每层焊两道；
盖面焊，采用双电三丝埋弧焊，盖面焊每层焊三道。
10.如权利要求9所述的筒体焊接工艺，其特征在于，
所述打底焊的焊接工艺参数如下：焊丝直径4.0mm、干伸长30mm、焊接电流为直流正接(DCEP)450-510A、焊接电压27-29V、焊接速度为400-450mm/min；
所述填充焊的焊接参数如下：
前置焊丝直径4.0mm、干伸长30mm、焊接电流为直流正接(DCEP)500-550A、焊接电压28-31V、焊接速度为600-650mm/min；后置焊丝两根的直径均为2.4mm、干伸长30mm、焊接电流为交流(AC)560-600A、焊接电压32-36V、焊接速度为600-650mm/min；
所述盖面焊的焊接参数如下：
前置焊丝直径4.0mm、干伸长30mm、焊接电流为直流正接(DCEP)500-550A、焊接电压28-31V、焊接速度为630-660mm/min；后置焊丝两根的直径均为2.4mm、干伸长30mm、焊接电流为交流(AC)560-600A、焊接电压32-36V、焊接速度为630-660mm/min。
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