CN107671398B - 一种厚壁管窄坡口saw自动焊接工艺方法及焊接机头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种厚壁管窄坡口SAW自动焊接工艺方法及焊接机头，该工艺方法从厚壁管道入手，选定壁厚研究范围22～60mm，重点针对双V坡口和U型坡口，基于不同标准（如ASME、国标或欧标等）对厚壁管件的坡口规范拟定窄坡口的形式和尺寸；同时根据窄坡口的定义形式，设计自动焊设备厚壁管窄坡口新型SAW焊接机头，此新型的SAW焊枪的设计发明主要包括焊丝导丝机构和下料装置两个部分，保证了导丝通畅性，下料顺畅性，焊剂保护焊缝效果良好。本发明所设计的厚壁管窄坡口SAW自动焊接工艺方法，解决了行业上厚壁管受坡口、焊接机头尺寸限制，影响焊接质量和效率的问题，减少厚壁管焊接时的焊缝金属填充量，提高焊接效率，降低管道生产成本，实现厚壁管焊接质量和效率的双提升。

Description

一种厚壁管窄坡口SAW自动焊接工艺方法及焊接机头
技术领域
本发明属于管道自动焊技术领域，特别设计一种厚壁管窄坡口SAW自动焊接工艺方法及机头装置。
背景技术
在石油、火电厂、核电站、发电设备制造等行业中，存在大量的厚壁管道和相关部件的焊接，且规格众多，常规采用TIG、SAW、MIG/MAG和手工焊的方式来进行焊接。但是传统的焊接方式坡口角度较大，填充的金属量较多，造成了耗材一定性的浪费，管道制造成本昂贵。
埋弧焊(SAW)工艺方法是一种高效的焊接技术，常常使用在管道的自动焊接中，效率高，质量好。然而受普通焊枪尺寸限制，焊接机头难以进入厚壁管窄坡口中，无法实施厚壁管窄坡口的焊接。如果开的坡口较大，又会造成熔敷金属较多，浪费耗材，成本比较高，也耗时间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种厚壁管窄坡口SAW自动焊接工艺方法及机头装置，解决行业上厚壁管受坡口、焊接机头尺寸限制，影响焊接质量和效率的问题，减少厚壁管焊接时的焊缝金属填充量，提高焊接效率，降低管道制造成本，实现厚壁管焊接质量和效率的双提升。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种厚壁管窄坡口SAW自动焊接工艺方法，包括如下步骤：
一种厚壁管窄坡口SAW自动焊接工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：
①选定厚壁管道壁厚研究范围22～60mm，针对双V型坡口和U型坡口，基于不同标准对厚壁管件的坡口规范拟定窄坡口的形式和尺寸；
②根据拟定的窄坡口的形式和尺寸，设计自动焊设备厚壁管窄坡口SAW焊接机头；
③采用机械加工方法将待焊接的管件切断，按拟定的窄坡口形式和尺寸对管件进行坡口，并对管件坡口附近进行除锈、除油及除污；
④选取与母材匹配的焊材，包括干燥、无油、无锈的厚壁管焊丝及对应的焊剂，焊接前将焊剂在300-350℃下保温2-4小时；
⑤采用管子旋转焊接机头位置不变的1G工艺方法，单丝多层多道焊接，管件组对时采用手工氩弧定位焊。
优选地，厚壁管道窄坡口拟定尺寸如下：双V型坡口的坡口角度为37±2.5°，坡口面角度为10±2.5°，大角度的高度为12±2mm；U型坡口的坡口角度为20±2.5°，圆角半径为5mm；两种类型坡口的坡口间隙为2-2.4mm，钝边厚度为1.6±0.8mm，错边量为≤1.5mm。
一种厚壁管窄坡口SAW自动焊焊接机头，包括焊枪、导丝机构和下料管，所述导丝机构连接在焊枪下方，所述下料管连接在焊枪的侧方，位于导丝机构的后方，其特征在于：
所述导丝机构包括固定杆、上端连接件、中间加长杆及导电嘴，所述上端连接件通过螺纹与焊枪连接，并通过螺钉固定在固定杆的上部，所述中间加长杆通过螺钉固定在固定杆的中部，所述导电嘴通过螺钉固定在固定杆的下部；上端连接件、中间加长杆及导电嘴开有通孔用于穿入焊丝，孔径按焊丝规格扩放；所述下料管与固定杆共面；所述上端连接件的通孔作倒角处理；所述下料管导向口加工成斜口，朝向导电嘴方向。
本发明与现有技术相比所具有的优点和有益效果主要是：
本发明厚壁管窄坡口SAW自动焊接工艺方法及装置解决了管道埋弧自动焊普通焊枪受厚壁管坡口及焊接机头尺寸限制，难以进入厚壁管坡口，无法实施厚壁管坡口焊接的问题，能够适应厚度在22～60mm的厚壁管窄坡口焊接，且满足焊接工艺要求，减少厚壁管焊接时的焊缝金属填充量，提高焊接效率，降低管道生产成本，实现厚壁管焊接质量和效率的双提升。
附图说明
图1为本发明中双V型坡口形式图；
图2为本发明中U型坡口形式图；
图3为本发明新型SAW焊机机头结构示意图。
附图备注：
图1、图2中α表示双V型坡口或U型坡口的坡口角度，β表示双V型坡口的坡口面角度，h表示双V型坡口大角度的高度，t表示管件厚度，b表示坡口间隙，d表示钝边厚度，r表示U型坡口圆角半径。
图3中1、2、3、4分别代表新型SAW焊接机头导丝机构中的固定杆、上端连接件、中间加长杆、导电嘴；H为导丝机构的高度，L为导丝机构与下料管中心距离；l为SAW焊丝的干伸长长度。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细叙述：
本实施例提供的一种厚壁管窄坡口SAW自动焊接工艺方法，包括如下步骤：
①从厚壁管道入手，选定壁厚研究范围22～60mm，针对双V坡口和U型坡口，基于不同标准(如ASME、国标或欧标等)对厚壁管件的坡口规范拟定窄坡口的形式和尺寸；
②根据拟定的窄坡口的形式和尺寸，设计自动焊设备厚壁管窄坡口SAW焊接机头；
③采用机械加工方法将待焊接的管件切断，按拟定的形式和尺寸对管件进行坡口，并对管件坡口附近进行除锈、除油及除污；
④选取与母材匹配的焊材，包括干燥、无油、无锈的厚壁管焊丝及对应的焊剂，焊接前将焊剂在300-350℃下保温2-4小时；
⑤采用管子旋转焊接机头位置不变的1G工艺方法，单丝多层多道焊接，组对时采用手工氩弧定位焊；焊接电源直流反接，工艺参数为焊接电流280-320A，电弧电压28-32V，焊接速度330-380mm/min。
⑥焊接过程中，通过对焊枪位置、焊接参数等调整和控制，实现厚壁管对接；
⑦焊后进行焊缝外观检测、X射线检测、超声波检测、超声波检测、拉伸强度及冲击韧性试验。
在实际操作中其焊接方法如下：
1.焊接设备与材料
(1)焊接设备选用管道自动焊接机，米勒工艺管道专用焊接电源PIPEworx400，配D-74D送丝机；
(2)焊接材料母材为碳钢钢管A106Gr.B，符合ASTM A106/106M标准，规格为Φ610×36mm，屈服强度>247Mpa，抗拉强度>410Mpa；采用Φ2.0mm碳钢埋弧焊丝GWL-12KHM，和与之相匹配的10-60mesh焊剂GXL-125，符合标准AWS A5.17F7P8-EH12K，焊前300℃-350℃下保温3小时烘干。
2.焊前准备
(1)坡口加工：采用数控机床加工，对碳钢钢管A106Gr.B开双V型坡口或U型坡口。如图1所示，双V型坡口，坡口角度α为37±2.5°，坡口面角度β为10±2.5°，双V型坡口大角度的高度h为12±2mm。如图2所示，U型坡口角度α为20±2.5°，U型坡口圆角半径r为5mm。两种坡口的坡口间隙b为2mm，钝边厚度d为1.6±0.8mm，错边量c为≤1.5mm。
(2)机头定制：根据试验中使用的碳钢埋弧焊丝直径规格为Φ2.0mm，设计和制作自动焊设备厚壁管窄坡口新型SAW焊接机头，采用铬镐铜材质制作导丝机构。导丝机构包括固定杆1、上端连接件2、中间加长杆3及导电嘴4。上端连接件2通过螺纹与焊枪连接，并通过螺钉固定在固定杆1的上部，中间加长杆3通过螺钉固定在固定杆1的中部，导电嘴4通过螺钉固定在固定杆1的下部。安装时，上端连接件2与焊枪连接紧固后再固定下料管，要求下料管与固定杆A共面。上端连接件2、中间加长杆3及导电嘴4开有用于穿入焊丝的通孔，形成导丝铜柱孔。为了利于焊丝穿过，保证导丝通畅，导丝铜柱均按照焊丝直径Φ2.0mm*1.2倍进行孔径扩放，并将上端连接件2的通孔作倒角处理。料管导向口(朝导电嘴方向)需加工成斜口，保证下料顺畅，焊剂保护焊缝效果良好。焊接机头安装时配有转角器，调整机头沿坡口中心线两侧作小角度移动，从而达到厚壁管窄坡口焊缝侧壁融合良好的效果。
(3)清理：管件坡口边缘20～30mm范围内的铁锈、油污等污物用角向磨光机打磨干净；(4)对接装配：管件组对采用手工氩弧焊进行定位焊，在圆周均匀分布7～8个定位焊点，定位焊要求焊透。组对时尽量做到错边量小，组对间隙控制在2-2.4mm之间。组对好后需将定位焊点打磨成圆滑过渡，方便焊接时熔池在定位焊处顺畅过渡。
(5)焊接前，把已组对好的管件装配在悬臂焊接机上。为保证背面的熔透，调整焊枪位置，SAW填充盖面焊接位置选择平焊，焊枪角度为接近12点钟铁水倒流位置，垂直工件，利于人员观察熔池，熔池更容易铺开。实际操作时，需要根据坡口条件和焊接规范选择合适的焊枪高度。
(6)焊接前，进行打底焊接，完成打底及热焊工作。
3.焊接过程
(1)焊接位置：1G位置，管子旋转，焊枪不动；
(2)焊枪位置：为了保证焊缝穿透无缺陷，焊前需调整焊枪位置，平焊，焊枪角度为接近12点钟铁水稍微倒流位置(并不是完全12点钟)，垂直工件。
(3)通过对焊接位置、焊接参数、层间温度等调整和控制，采用多层多道焊，在已打底焊缝进行SAW填充盖面试验，焊接过程需层间处理，清除焊道间的熔渣；焊接工艺参数如表1；
表1：焊接参数
Figure BDA0001466060240000041
4.焊后检测：经过焊缝外观检测、X射线检测、超声波检测、拉伸强度及冲击韧性试验，检测和试验结果是，焊缝成型良好，焊缝表面无明显的未融合、未焊透、咬边等宏观焊接缺陷，焊缝强度可达母材强度的90％，内部无气孔、夹渣、裂纹等微观焊接缺陷。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种厚壁管窄坡口SAW自动焊接工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：
①选定厚壁管道壁厚研究范围22～60mm，针对双V型坡口或U型坡口，基于不同标准对厚壁管件的坡口规范拟定窄坡口的形式和尺寸；
厚壁管道窄坡口拟定尺寸如下：双V型坡口的坡口角度为37±2.5°，坡口面角度为10±2.5°，大角度的高度为12±2mm；U型坡口的坡口角度为20±2.5°，圆角半径为5mm；两种类型坡口的坡口间隙为2-2.4mm，钝边厚度为1.6±0.8mm，错边量为≤1.5mm；
②根据拟定的窄坡口的形式和尺寸，设计自动焊设备厚壁管窄坡口SAW焊接机头；
所述厚壁管窄坡口SAW焊接机头包括焊枪、导丝机构和下料管，所述导丝机构连接在焊枪下方，所述下料管连接在焊枪的侧方，位于导丝机构的后方，所述导丝机构包括固定杆(1)、上端连接件(2)、中间加长杆(3)及导电嘴(4)，所述上端连接件(2)通过螺纹与焊枪连接，并通过螺钉固定在固定杆(1)的上部，所述中间加长杆(3)通过螺钉固定在固定杆(1)的中部，所述导电嘴(4)通过螺钉固定在固定杆(1)的下部；上端连接件(2)、中间加长杆(3)及导电嘴(4)开有通孔用于穿入焊丝，孔径按焊丝直径*1.2倍扩放；所述下料管与固定杆(1)共面；所述上端连接件(2)的通孔作倒角处理；所述下料管导向口加工成斜口，朝向导电嘴方向；焊接机头配转角器，用于调整机头沿坡口中心线两侧作小角度移动；
③采用机械加工方法将待焊接的管件切断，按拟定的窄坡口形式和尺寸对管件进行坡口，并对管件坡口附近进行除锈、除油及除污；
④选取与母材匹配的焊材，包括干燥、无油、无锈的厚壁管焊丝及对应的焊剂，焊接前将焊剂在300-350℃下保温2-4小时；
⑤采用管子旋转焊接机头位置不变的1G工艺方法，单丝多层多道焊接，管件组对时采用手工氩弧定位焊。
2.根据权利要求1所述的厚壁管窄坡口SAW自动焊接工艺方法，其特征在于：管件组对采用手工氩弧定位焊，在圆周均匀分布7～8个定位焊点，定位焊要求焊透；组对时尽量做到错边量小，组对间隙控制在2～2.4mm之间；组对好后将定位焊点打磨成圆滑过渡，方便焊接时熔池在定位焊处顺畅过渡。
3.根据权利要求1所述的厚壁管窄坡口SAW自动焊接工艺方法，其特征在于：焊接电源直流反接，采用1G焊接位置单丝多层多道焊接，其焊接工艺参数为焊接电流280-320A，电弧电压28-32V，焊接速度330-380mm/min。
4.根据权利要求1所述的厚壁管窄坡口SAW自动焊接工艺方法，其特征在于还包括焊后检测步骤，包括焊缝外观检测、X射线检测、超声波检测、拉伸强度及冲击韧性试验，保证焊缝成型良好，焊缝表面无明显宏观焊接缺陷，焊缝强度达母材强度的90％，内部无微观焊接缺陷。
5.一种厚壁管窄坡口SAW自动焊焊接机头，包括焊枪、导丝机构和下料管，所述导丝机构连接在焊枪下方，所述下料管连接在焊枪的侧方，位于导丝机构的后方，其特征在于：
所述导丝机构包括固定杆(1)、上端连接件(2)、中间加长杆(3)及导电嘴(4)，所述上端连接件(2)通过螺纹与焊枪连接，并通过螺钉固定在固定杆(1)的上部，所述中间加长杆(3)通过螺钉固定在固定杆(1)的中部，所述导电嘴(4)通过螺钉固定在固定杆(1)的下部；上端连接件(2)、中间加长杆(3)及导电嘴(4)开有通孔用于穿入焊丝，孔径按焊丝规格扩放；所述下料管与固定杆(1)共面；所述上端连接件(2)的通孔作倒角处理；所述下料管导向口加工成斜口，朝向导电嘴方向；焊接机头配转角器，用于调整机头沿坡口中心线两侧作小角度移动。
6.如权利要求5所述的厚壁管窄坡口SAW自动焊焊接机头，其特征在于固定杆(1)、上端连接件(2)、中间加长杆(3)及导电嘴(4)均采用铬镐铜材质制作。
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