CN110802299A - 一种大直径铝合金管全位置填丝焊接方法 - Google Patents

一种大直径铝合金管全位置填丝焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大直径铝合金管全位置填丝焊接方法，包括如下内容：一、焊缝对接接头采用插接结构，同时对焊缝接头开焊接坡口；二、在焊缝的下半周背面通过撑杆加装冷却工装；三、焊接分两层焊，第一层为打底焊，焊接电弧的三分之一对着坡口间隙，三分之二覆盖在熔池上，形成溶孔；第二层为填充盖面层，施焊时焊丝与焊缝形成的夹角比打底焊向下倾斜10～15°；根据焊接熔池受力情况，焊接程序分段设置工艺参数。本发明首先保证焊缝接头装配精度；其次通过开焊接坡口以及工艺参数设置增加He气体来减小焊缝熔池体积，使电弧作用力和焊缝熔池表面张力大于焊缝熔池自身重力；最后通过冷却工装，使焊缝下半周焊缝熔池迅速冷却防止背面焊缝塌陷。

Description

一种大直径铝合金管全位置填丝焊接方法
技术领域
本发明涉及一种大直径铝合金管全位置填丝焊接方法。
背景技术
新型号设计要求管路工艺重点为保证管路可靠的密封性。对比现型号产品，管路与管路、管路与贮箱的连接接口尽量采用焊接来代替传统的螺接的方案；受空间结构限制，部分导管需采用现场全位置焊接方案。新型号产品设计方案将管路系统箭上装配连接及密封性能作为制约产品研制的关键技术。
全位置填丝焊接工艺主要应用于大直径管路焊缝对接，基本原理是通过焊接机头沿着轨道旋转，实时调节焊接工艺参数满足在不同姿态下焊缝成形和质量，最终实现环缝焊接。其主要特点在于可以在零件静止状态下实现环缝焊接，且空间需求较小，是管路箭上装配连接的最优方法。但全位置焊接在施焊过程中焊枪姿态随机头运行角度时刻变化，焊接熔池受力情况随之时刻改变，其焊缝成形和接头质量不易保证；尤其是铝合金焊接性相对较差，刚性非对称薄壁零件受热变形严重，对零件状态控制、接头结构设计、焊接装配精度控制、焊接工艺参数控制等要求极为苛刻。
在国内外，对于碳钢或不锈钢大、小直径管道的全位置填丝焊接已在核电、石油管道工业及民营企业上得到广泛应用，具有成熟的焊接设备和焊接工艺。小直径铝合金导管的封闭式不填丝全位置焊接也在航空、航天上得到应用，但合格率较低。对于难焊接、易出缺陷的铝合金大直径导管，其全位置填丝焊接仍是一大技术难题，未见国内外有相关成功案例报道。
某一种铝合金管，材料5A06，管子外径ф360，管子壁厚5mm，接头装配方式为对接。铝合金全位置焊接的特点在于施焊过程中工件不动焊枪旋转，焊枪的位姿随焊接机头的运行时刻变化，导致焊接熔池受力随之时刻变化。由于铝合金液态金属表面张力小、流动性强，结果在焊缝的下半周熔池金属重力超过了表面张力，液态金属下淌，导致全位置焊缝5点钟至8点钟位置背面焊缝焊不透或背面焊缝塌陷等问题。为此，要控制大直径铝合金管全位置填丝焊缝成形关键在于控制下半周焊缝成形质量。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种大直径铝合金管全位置填丝焊接方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大直径铝合金管全位置填丝焊接方法，包括如下内容：
一、焊缝对接接头采用插接结构，同时对焊缝接头开焊接坡口；
二、在焊缝的下半周背面通过撑杆加装冷却工装；
三、焊接分两层焊，第一层为打底焊，焊接电弧的三分之一对着坡口间隙，三分之二覆盖在熔池上，形成溶孔；第二层为填充盖面层，施焊时焊丝与焊缝形成的夹角比打底焊向下倾斜10～15°；根据焊接熔池受力情况，焊接程序分段设置工艺参数。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明的大直径管铝合金管填丝全位置焊接关键技术在于解决焊缝的下半周背面焊缝焊不透或背面焊缝塌陷问题。相对钢件，铝合金焊缝熔池流动性强，表面张力小，电弧作用力和焊缝熔池表面张力不足以支撑焊缝熔池自身重力。因此，为了解决下半周焊缝成形问题：首先保证焊缝接头装配精度；其次通过开焊接坡口以及工艺参数设置增加He气体来减小焊缝熔池体积，使电弧作用力和焊缝熔池表面张力大于焊缝熔池自身重力；最后通过设计冷却工装，使焊缝下半周焊缝熔池迅速冷却防止背面焊缝塌陷。
本发明通过对零件焊接接头结构设计，工装设计以及工艺规范优化三方面来保证铝管全位置焊接下半周焊缝成形质量。本发明方法可推广应用于航天以及相关领域大直径铝合金管对接全位置填丝焊接，具有广泛的应用前景，显著的经济和社会效益。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为焊缝接头结构示意图，其中：a)为插接结构；b)为坡口结构；c)为焊接接头结构；
图2为冷却工装的结构示意图。
具体实施方式
一种大直径铝合金管全位置填丝焊接方法，包括如下内容：
步骤一、焊缝接头设计
焊缝对接接头设计为插接结构，即将工件1与工件2加工成凸凹台阶后进行精确装配，结构如图1a)所示；插接结构可以保证焊缝接头装配精度，防止焊缝接头装配错位不利于焊缝成形控制。同时对焊缝接头开焊接坡口，即将工件1与工件2加工单边坡口，单边坡口角度30°，结构如图1b)所示，焊接坡口有利于在较小热输入下焊缝易于焊透，同时减小焊缝熔池体积，焊缝成形易于控制。焊接接头结构如图1c)所示。
步骤二、冷却工装设计
冷却工装的设计如图2所示，包括焊缝1、撑杆2、冷却工装3、进水管4、出水管5、冷却系统6等。其中，所述冷却工装3通过撑杆2加装在焊缝1的下半周背面，目的在于使焊缝金属熔池快速冷却，即形成较大过冷度，使焊缝熔池迅速结晶凝固。所述冷却工装3选用导热性好的铜材，工装内部结构设计为空心用于装置冷却水，其两端头设置进、出水口，分别通过进水管4和出水管5与冷却系统6连接，用于冷却水循环。所述冷却系统6的作用为保证冷却水制冷效果及循环。所述冷却工装3的工作原理为：先通过铜环吸走电弧作用在焊缝接头的热量，再通过冷却水的循环将铜环所吸收的热量带走，从而对焊缝接头起到冷却降温作用。冷却水温度可通过冷却系统6进行设置。
步骤三、工艺保证
焊接分两层焊，第一层打底焊，打底焊时焊接电弧应控制短些，送丝速度要均匀，使焊接电弧的三分之一对着坡口间隙，电弧的三分之二要覆盖在熔池上，形成溶孔；第二层为填充盖面层，填充盖面层的关键是保证熔合好，焊道表面要平整，施焊时焊丝与焊缝形成的夹角应比打底焊时应下倾斜10～15°，焊枪采用月牙或锯齿形摆动，摆动幅度到坡口边缘即可，停留0.5s，保证无咬边，焊接速度均匀，熄弧时须填满弧坑。
铝合金全位置焊接技术关键是第一层打底焊时在保证背面焊缝熔透的情况下，减小焊接热输入，即焊缝熔池体积减小，熔池自身重力较小，保证工件下半周焊接时焊缝熔池在电弧作用力和熔池表面张力下防止焊缝熔池在自身重力作用下下坠。减小焊接热输入控制措施一开焊接坡口，由于焊接坡口可有效的减小第1层打底焊焊接厚度，因此第一层焊接时，在较小焊接热输入下可使背面焊缝熔透，焊接热输入大小决定熔池体积大小，即焊接热输入小，焊缝熔池形成体积小；措施二采用He-Ar混合保护气体，即调节气体配置器旋钮，设置氩气混合比占65％，氦气混合比占35％，将设置好的氦、氩气体通过配置器混合均匀后输入焊枪进行焊接，氦气虽有增强电弧穿透焊缝作用，但氦气量过多电弧稳定性差。
为了控制焊缝成形，需将整个环形焊缝分段处理，整周焊缝分成5段即0°—50°起弧(实际为上坡焊)、50°—120°平焊、120°—230°下坡焊、230°—290°仰焊、290°—750°上坡焊及盖面；起弧电流应大于焊接电流20A左右，且起弧后焊枪停留几秒钟，待熔池形成凹陷时，移动焊枪，此方法可解决起弧阶段焊不透的问题；下坡以及仰焊位置焊不透及焊缝塌陷问题按照优化的工艺参数执行；收弧阶段必须搭接起弧阶段30°-50°的长度，采用逐渐衰减电流的方式熄弧(通过焊接电源的程序设置使收弧阶段从上坡焊接电流逐渐衰减到0实现熄弧)，防止弧坑裂纹的产生。具体工艺规范如下表所示。
Figure BDA0002273313980000051

Claims (9)

1.一种大直径铝合金管全位置填丝焊接方法，其特征在于：包括如下内容：
一、焊缝对接接头采用插接结构，同时对焊缝接头开焊接坡口；
二、在焊缝的下半周背面通过撑杆加装冷却工装；
三、焊接分两层焊，第一层为打底焊，焊接电弧的三分之一对着坡口间隙，三分之二覆盖在熔池上，形成溶孔；第二层为填充盖面层，施焊时焊丝与焊缝形成的夹角比打底焊向下倾斜10～15°；根据焊接熔池受力情况，焊接程序分段设置工艺参数。
2.根据权利要求1所述的一种大直径铝合金管全位置填丝焊接方法，其特征在于：所述插接结构是指将待焊接的两个工件分别加工成凸、凹台阶后进行装配。
3.根据权利要求1所述的一种大直径铝合金管全位置填丝焊接方法，其特征在于：所述焊接坡口是指将待焊接的两个工件均加工30°的单边坡口。
4.根据权利要求1所述的一种大直径铝合金管全位置填丝焊接方法，其特征在于：打底焊时采用He-Ar混合保护气体，设置氩气混合比占65％，氦气混合比占35％，将设置好的氦、氩气体通过气体配置器混合均匀后输入焊枪进行焊接。
5.根据权利要求1所述的一种大直径铝合金管全位置填丝焊接方法，其特征在于：焊接时将整个环形焊缝分段处理，整周焊缝分成5段：0°—50°起弧、50°—120°平焊、120°—230°下坡焊、230°—290°仰焊、290°—750°上坡焊及盖面。
6.根据权利要求5所述的一种大直径铝合金管全位置填丝焊接方法，其特征在于：起弧电流比焊接电流大20A，且起弧后焊枪停留数秒，待熔池形成凹陷时再移动焊枪。
7.根据权利要求5所述的一种大直径铝合金管全位置填丝焊接方法，其特征在于：收弧阶段必须搭接起弧阶段30°-50°的长度，采用逐渐衰减电流的方式熄弧，使收弧阶段从上坡焊接电流逐渐衰减到0实现熄弧。
8.根据权利要求1所述的一种大直径铝合金管全位置填丝焊接方法，其特征在于：所述冷却工装采用铜材制成铜环，在铜环两端头设置进、出水口，分别通过进水管和出水管与冷却系统连接，用于冷却水循环。
9.根据权利要求1所述的一种大直径铝合金管全位置填丝焊接方法，其特征在于：第二层的焊枪采用月牙或锯齿形摆动，摆动幅度到坡口边缘即可，停留0.5s，保证无咬边，焊接速度均匀，熄弧时填满弧坑。
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