CN111299974B - 一种对称热轧复合板板坯及其封焊焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对称热轧复合板板坯及其封焊焊接方法，围框包括两部分：第一部分构成围框内侧，其横截面呈等腰梯形；第二部分构成围框外侧，其横截面呈梯形，第二部分的下底边长度小于第一部分的下底边；上基材端部靠近围框一侧开设坡口；通过创新的围框结构设计，形成特殊的坡口结构，将封焊过程创新地拆分为两步焊接工序流程；采用弧焊机器人或专机等自动焊设备、配置激光焊缝跟踪及自适应焊接设备；采用横焊焊接方式，根部焊道采用高熔深焊接工艺，填充焊道采用高熔敷率焊接工艺；和现有技术相比，本发明通过独特的围框结构设计、坡口结构设计、两步焊接工序流程、焊接工艺优化、自动焊装备等方法，实现了高质量、高效率、低成本的封焊焊接。

Description

一种对称热轧复合板板坯及其封焊焊接方法
技术领域
本发明涉及一种对称热轧制造复合板生产方法，尤其是涉及一种对称热轧复合板板坯及其封焊焊接方法。
背景技术
对称热轧制造复合板制造整体工艺流程包括：板材预处理、板材组装、封焊、抽真空、热轧和精整分离。热轧复合板板坯一般采用如下结构，如附图图1所示，中间为两层覆材，上下两块为基材，覆材四周以一圈围框固定，围框与上、下基材采用焊接的方式进行封焊，围框和上、下基材形成的坡口必须全部满焊。基材或围框上设置一到两处抽气孔，用以抽真空，真空度满足要求后进行最后的焊接，焊接后再次抽真空。封住抽气孔后，复合板坯上轧机进行多次热轧以满足最终复合板尺寸标准。
复合板板坯封焊制造主要要求如下所示：
1)覆材厚度一般6-32mm，故封焊焊缝宽度范围一般为：12-64mm；
2)为保证轧制过程质量要求，焊缝深度大于28mm，一般采用30mm；
3)封焊焊缝质量要求：不得有裂纹、未熔合(包括根部、侧壁及层间未熔合)，针孔及大尺寸气孔、根部焊接不良等焊接缺陷，焊缝熔深满足质量要求、且稳定可控。封焊焊缝的焊接质量一致性及稳定性好。
4)焊接成品良率高。
5)封焊的焊接效率高，才能满足下道热轧工序的产能要求。
现阶段，国内真空热轧复合板封焊制造工序面临如下技术难点：
1)对于薄覆材的复合板封焊，焊缝坡口过深过窄，属于窄间隙焊接。采用传统的窄间隙焊接工艺及方法，难以避免封焊质量要求所不允许的焊接缺陷(裂纹、未熔合(包括根部、侧壁及层间未熔合)、针孔及大尺寸气孔、根部焊接不良等焊接缺陷)，而且一致性的焊缝熔深也难以保证实现。焊接成品良率不高，返工消耗大量工时。焊接生产效率低下。质量不佳的焊接成品，导致热轧后的复合板成品表面质量差，且基材和覆材结合面的复合质量差、无法满足使用质量要求。
窄间隙焊接工艺生产效率低下，焊接质量稳定性及一致性差、窄间隙焊接设备投入成本高，窄间隙焊接工艺的焊接质量控制可控性及焊接设备使用稳定性均较差。
窄间隙焊接，一般必须采用平焊位置焊接(焊接质量较好)，需要配置大型翻转变位机将复合板坯旋转到平焊位置焊接。如果复合板坯长度达到10米以上，翻转变位机、焊接设备、车间厂房高度等生产条件配置实现难度大、成本高。
2)对于厚覆材的复合板封焊，焊缝坡口尺寸过大，封焊效率低下。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高质量、高效率、低成本、焊接质量可控、高良率的对称热轧复合板板坯及其封焊焊接方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种对称热轧复合板板坯，包括上基材、下基材、覆材和围框，所述的上基材和下基材覆盖在覆材的上下两侧，所述的围框环绕在覆材四周并与上基材和下基材分别焊接，所述的围框包括两部分：第一部分构成围框内侧，其横截面呈等腰梯形，上底边与覆材相邻，等腰梯形的下底边长度值大于或等于上、下覆材的厚度之和；第二部分构成围框外侧，其横截面呈梯形，第二部分的下底边与第一部分的下底边相接，且第二部分的下底边的长度小于第一部分的下底边，故上、下各留有一定长度作为焊缝坡口钝边，另外所述的上基材端部靠近围框一侧开设坡口。围框采用机床加工或激光切割设备等精密加工设备制造。
所述围框的外侧(图2的右侧)截图，上、下各留有一定长度作为焊缝坡口钝边，钝边长度较优范围：2-5mm，其他部分设计为梯形。
所述围框横截面的第二部分梯形(围框外侧)的上底长度需大于等于2mm，梯形的下底角角度在0到90度范围，一般较优范围：30度至60度。
所述的上基材端部靠近围框一侧开设坡口，坡口角度为0到90度范围，且较优的坡口角度为30°～60°范围；坡口深度值大于等于5mm，较优值为：(30-T) mm，如图3所示。备注：T为上、下覆材厚度之和。
一种对称热轧复合板板坯封焊焊接方法，所述的复合板板坯包括上基材、下基材、覆材和围框，所述的方法包括以下步骤：
S1，加工围框，所述的围框包括两部分：第一部分构成围框内侧，其横截面呈等腰梯形，上底边与覆材相邻，等腰梯形的下底边长度值大于或等于上、下覆材的厚度之和；第二部分构成围框外侧，其横截面呈梯形，第二部分的下底边与第一部分的下底边相接，且第二部分的下底边的长度小于第一部分的下底边，故上、下各留有一定长度作为焊缝坡口钝边，钝边长度较优范围：2-5mm；
S2，加工上基材，在上基材端部靠近围框一侧开设坡口，坡口角度为0到90 度范围，且较优的坡口角度为30度到60度范围，坡口深度值大于等于5mm，一般较优值为：(30-T)mm，如图3所示。备注：T为上、下覆材厚度之和；
S3，将上基材水平放置，坡口朝上；
S4，将围框点固于上基材上；
S5，将上、下覆材放入围框中，并点固；
S6，将上基材与围框焊接，上焊脚焊至围框外周梯形的上底边边缘，下焊脚焊至上基材边缘；
S7，将下基材水平放置；
S8，将上基材、覆材和围框组成的组合件翻转，与下基材组合；
S9，焊接上基材组合件与下基材形成的坡口根部，在第一层焊道焊接结束后，开始抽真空，随着焊缝焊接层数的增加，逐步增加真空泵的功率(逐步提高真空度)，直至封焊结束，焊接过程中对于真空度在线实时监测，焊接结束后抽真空需延续一段时间后再停止；
S10，将下基材与上基材组合件焊接至满焊。焊接过程采用弧焊机器人或专用机械等自动焊设备，焊接方法为气保护焊接，焊接过程采用激光焊缝跟踪寻位系统及设备、激光焊缝自适应焊接系统及设备。该工序如采用变位机，则将工件翻转至平焊位置进行焊接。也可不使用变位机，直接采用横焊的焊接方式，也能实现良好的焊接质量。封焊过程中，根部焊道均采用高熔深的焊接工艺参数，填充焊道均采用高熔敷率的焊接工艺参数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)该热轧复合板板坯封焊焊接工艺方案通过创新的坡口结构及尺寸设计、独特的焊接工艺流程设计等方法，大幅提升了焊缝质量、焊接效率、成品良率，降低了焊接自动化设备及焊接工装的制造要求及难度，大幅降低了焊接装备投资金额和封焊制造成本，且焊接质量实现了有效可控、焊接一致性好。
(2)步骤S1中围框的覆材侧的特殊结构设计，如图2所示，将围框和上、下基材的接触面由大面积接触改造为线接触或小面积接触，大幅减小了接触面积。故有效抑制了根部焊接气孔及针孔的出现，并进一步提高了根部焊道的熔透性，避免了根部焊接不良缺陷产生，保证制造出高质量的根部焊缝。
(3)步骤S1中围框外侧的特殊结构设计，因为留有钝边及合适的坡口角度。既保证了可焊性好的根部坡口结构、焊接焊枪可达性，也提高了根部焊道的熔透性；同时减少了坡口截面积，降低了填充金属量，大幅减少了焊接工作量及焊丝使用量，大幅提高了生产效率，降低了生产成本。
(4)步骤S6和步骤S8中，通过创新的围框尺寸特殊设计，形成特殊的坡口尺寸及坡口结构。将封焊焊接过程拆分为步骤S6和步骤S8/S9/S10两步焊接工序流程。步骤S6属于焊接可达性好的平焊焊接，焊接质量优良，有效保证焊缝焊接质量。步骤S8/S9/S10焊接时，坡口结构已经属于单V型坡口形式，可以实现高质量、高效率横焊，无需配置变位机、简化焊接工装及自动化焊接设备，大幅降低焊接设备投资金额。而传统的窄间隙焊接方式，无法实现高质量高效率横焊，横焊焊接质量差，且焊接电流小、焊接效率很低，无法满足生产产能要求。通过创新的围框结构设计、焊缝坡口结构设计、分两步焊接工序流程三种创新措施组合起来，一举解决了热轧制造复合板窄间隙封焊焊接的低生产效率、低焊接质量、可焊性差的行业难题，并最终实现了高质量、高效率、低成本、焊接质量有效可控、成品良率高、操作便捷的复合板封焊焊接工艺。
(5)步骤S9/S10中，焊接的同时进行抽真空，因焊接产生大量的热，焊接热对板坯的加热作用，促进了板坯清理后表面吸附空气分子的散逸。有利于真空度变得更高。另外封焊和抽真空两道工序同时进行(备注：一般现有工艺是分两道工序，焊接后，再抽真空)，降低了设备成本，大幅提高了生产效率。
(6)步骤S10可采用横焊的焊接方式，不配置变位机，变位机设备成本较高。既保证了焊接质量及焊接效率，又降低了设备投资成本。
(7)根部焊道采用高熔深的焊接方法，填充焊道采用高熔敷率的焊接方法。通过焊接工艺的最佳选型，实现最佳的焊接质量及焊接效率。
(8)焊接过程采用弧焊机器人或专用机械等自动焊设备，焊接方法为气保护焊接，焊接过程采用激光焊缝跟踪寻位系统及设备、激光焊缝自适应焊接系统及设备。通过自动化焊接装备、智能焊接设备的使用，有效地保证了焊接效率、焊接质量、焊接一致性、焊接稳定性。
附图说明
图1为对称热轧复合板结构图；
图2为本实施例围框的截面示意图；
图3为本实施例上基材、围框、覆材、焊缝的组合件组成形式及结构图；
图4为本实施例上基材、下基材、围框、覆材、焊缝的组合件组成形式及结构图。
附图标记：
1为上基材；2为下基材；3为覆材；4为围框。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种对称热轧复合板板坯封焊焊接方法，技术方案及步骤如下：
1.S1设计并制造特殊结构的围框，围框的具体结构及尺寸见图2所示。
围框的覆材侧(图2的左侧)截面，设计为等腰梯形，等腰梯形的下底边长度大于或等于上、下覆材的厚度之和，等腰梯形的下底和上底的长度差值大小不限，且较优范围为2mm至20mm。
围框的外侧(图2的右侧)截面，上、下各留有一定长度作为焊缝坡口钝边，钝边长度较优范围：2-5mm，其他部分设计为梯形。梯形的下底长等于围框覆材侧等腰梯形的下底边长度减去上、下钝边之和的差值，梯形的上底长度需大于等于 2mm，梯形的下底角角度在0到90度范围，一般较优范围：30度至60度。
2.S2加工上基材坡口，坡口角度为0到90度范围，且较优的坡口角度为30 度到60度范围，本实施例中使用30度坡口。坡口深度值大于等于5mm，较优值为：(30-T)mm，如图3所示。备注：T为上、下覆材厚度之和。
3.S3将上基材放于水平位置，如图3所示。
4.S4将围框点固于上基材上，如图3所示。
5.S5将已处理好的上、下覆材放入围框中，并点固，如图3所示。
6.S6焊接围框与上基材组成的坡口，上焊脚焊至围框外侧梯形的上底边边缘，下焊脚焊至基材边缘。
7.S7将已处理好的下基材放于水平位置，如图4所示。
8.S8将上基材、覆材及围框的组合件翻转过来，与下基材组合，如图4所示。
9.S9在下基材与上基材根部第一层焊道焊接结束后，即开始抽真空，随着焊缝焊接层数的增加，逐步增加真空泵的功率(逐步提高真空度)，直至封焊结束，焊接过程中对于真空度在线实时监测。焊接结束后抽真空需延续一段时间后再停止。
10.S10将下基材与上基材焊接至满焊。焊接过程采用弧焊机器人或专用机械等自动焊设备，焊接方法为气保护焊接，焊接过程采用激光焊缝跟踪寻位系统及设备、激光焊缝自适应焊接系统及设备。该工序如采用翻转机构，则将工件翻转至平焊位置进行焊接。也可不使用翻转机构，直接采用横焊的焊接方式。封焊过程中，根部焊道均采用高熔深的焊接工艺参数，填充焊道均采用高熔敷率的焊接工艺参数。
实施例2
一种对称热轧复合板板坯，其整体结构如图4所示，包括上基材、下基材、覆材和围框，所述的上基材和下基材覆盖在覆材的上下两侧，所述的围框环绕在覆材四周并与上基材和下基材分别焊接，所述的围框包括两部分，第一部分构成围框内周，其横截面呈等腰梯形，上底边与覆材相接，第二部分构成围框外周，其横截面呈梯形，第二部分的下底边与第一部分的下底边相接，且第二部分的下底边的长度小于第一部分的下底边，所述的上基材端部靠近围框的一侧带有坡口。所述的第一部分横截面的等腰梯形的下底边长度大于或等于覆材的总厚度，上底边和下底边的长度相差2mm～20mm。
围框的覆材侧(图2的左侧)截面，设计为等腰梯形。等腰梯形的下底长大于或等于上、下覆材的厚度之和，等腰梯形的下底和上底的长度差值大小不限，且较优范围为2mm至20mm。
围框的外侧(图2的右侧)截面，上、下各留有一定长度作为焊缝坡口钝边，钝边长度不限，且钝边长度较优范围：2-5mm，其他部分设计为梯形。梯形的下底长等于围框覆材侧等腰梯形的下底边长度减去上、下钝边之和的差值，梯形的上底长度需大于等于2mm，梯形的下底角角度在0到90度范围，一般较优范围：30 度至60度。
上基材带有坡口，坡口角度为0到90度范围，且较优的坡口角度为30度到 60度范围。坡口深度值大于等于5mm，较优值为：(30-T)mm，如图3所示。备注：T为上、下覆材厚度之和。

Claims (5)

1.一种对称热轧复合板板坯封焊焊接方法，所述的复合板板坯包括上基材、下基材、上下覆材和围框，其特征在于，所述的方法采取以下步骤：
S1，加工围框，围框采用机床加工或激光设备制造，所述的围框包括两部分：第一部分构成围框内侧，其横截面呈等腰梯形，上底边与覆材相邻，等腰梯形的下底边长度值大于或等于上、下覆材的厚度之和；第二部分构成围框外侧，其横截面呈梯形，第二部分的下底边与第一部分的下底边相接，且第二部分的下底边的长度小于第一部分的下底边，故上、下各留有一定长度作为焊缝坡口钝边，钝边长度范围：2-5mm；
S2，加工上基材，在上基材端部靠近围框一侧开设坡口，坡口角度为30°～60°，坡口深度为30-Tmm，T为上、下覆材厚度之和；
S3，将上基材水平放置，坡口朝上；
S4，将围框点固于上基材上；
S5，将上、下覆材放入围框中，并点固；
S6，将上基材与围框焊接，上焊脚焊至围框外周梯形的上底边边缘，下焊脚焊至上基材边缘；
S7，将下基材水平放置；
S8，将上基材、覆材和围框组成的组合件翻转，与下基材组合；
S9，焊接上基材组合件与下基材形成的坡口根部，在第一层焊道焊接结束后，开始抽真空，随着焊缝焊接层数的增加，逐步增加真空泵的功率，提高真空度，直至封焊结束，焊接过程中对于真空度在线实时监测，焊接结束后抽真空需延续一段时间后再停止；
S10，将下基材与上基材组合件焊接至满焊，焊接过程采用弧焊机器人或专用机械自动焊设备，焊接方法为气保护焊接，焊接过程采用激光焊缝跟踪寻位系统及设备、激光焊缝自适应焊接系统及设备，该工序采用变位机，则将工件翻转至平焊位置进行焊接，或者不使用变位机，直接采用横焊的焊接方式，封焊过程中，根部焊道均采用高熔深的焊接工艺参数，填充焊道均采用高熔敷率的焊接工艺参数。
2.根据权利要求1所述的一种对称热轧复合板板坯封焊焊接方法，其特征在于，将封焊焊接过程拆分为步骤S6和步骤S8/S9/S10两步焊接工序流程，步骤S6焊接属于平焊焊接；步骤S8/S9/S10焊接时，焊缝坡口结构属于单V型坡口形式，采用横焊焊接方式。
3.根据权利要求1所述的一种对称热轧复合板板坯封焊焊接方法，其特征在于，所述的步骤S9中，封焊和抽真空两道工序同时进行，焊接的同时进行抽真空，焊接过程中对于真空度在线实时监测，封焊结束后抽真空延续一段时间后再停止。
4.根据权利要求1所述的一种对称热轧复合板板坯封焊焊接方法，其特征在于，所述等腰梯形的下底边和上底边的长度差值的范围为2mm至20mm。
5.根据权利要求1所述的一种对称热轧复合板板坯封焊焊接方法，其特征在于，第二部分的上底边长度大于或等于2mm，下底角范围为30度至60度。
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