CN114192941B - 一种钛合金t型角焊缝环形肋骨双面双弧焊接方法 - Google Patents

一种钛合金t型角焊缝环形肋骨双面双弧焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种钛合金T型角焊缝环形肋骨双面双弧焊接方法，包括以下步骤：先在环形腹板上加工坡口，将环形腹板和面板装配后进行周向对称点焊形成环形肋骨；再利用焊接工装对环形肋骨沿轴向紧固以及沿径向校圆；然后对环形肋骨先进行双面双弧对称同步打底焊接，再进行双面双弧对称熔化极氩弧焊同步填充焊接，冷却至室温即可得到所需环形肋骨。本发明能够利用专用焊接工装对环形肋骨进行定位、校圆以及旋转，可高效获得小变形、无缺陷的T型角焊缝，高效制备出高精度、大厚度、大尺寸的环形肋骨。

Description

一种钛合金T型角焊缝环形肋骨双面双弧焊接方法
技术领域
本发明涉及钛合金焊接技术领域，尤其涉及一种钛合金T型角焊缝环形肋骨双面双弧焊接方法。
背景技术
大型承受外压结构内部通过设计加工环形肋骨起到增大结构刚度的作用，通常为T型，因此称为T角焊缝环形肋骨，其主要采用焊接式结构，焊缝将面板与腹板连接在一起成为一个整体，从而达到提高结构强度保证结构稳定性的目的。对于重要结构的角焊缝环形肋骨，其厚度大（20-100mm）、精度要求更高，对于传统的单面手工焊接或其他自动填丝熔化焊接方法，由于大厚板加工坡口宽度大，焊接热输入量大，导致焊接变形较大，焊后尺寸精度难以保证，同时焊接效率比较低，焊接建造周期长，不能满足设计要求。
CN201810968872.5公开了一种钛及钛合金T型加强结构双面双弧异步焊接方法，其主要应用于试板，对于大型构件异步焊接稳定性差，焊接工艺适应性降低，焊接变形难以控制，尤其对于大型环形构件，应用时焊接变形大，焊接过程不稳定，焊接效率低，焊后尺寸精度难以精确保证，角焊缝应力集中情况较为严重，容易造成结构失稳破坏等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钛合金T型角焊缝环形肋骨双面双弧焊接方法，其对环形肋骨进行定位、校圆后，结合双面双弧对称同步打底焊接及行双面双弧对称熔化极氩弧同步填充焊接，可高效获得小变形、无缺陷的T型角焊缝，高效制备出高精度、大厚度、大尺寸的环形肋骨。
本发明为了解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种钛合金T型角焊缝环形肋骨双面双弧焊接方法，包括以下步骤：
S1、在环形腹板上加工坡口，将环形腹板和面板装配后进行周向对称点焊形成环形肋骨；
S2、对环形肋骨沿轴向紧固以及沿径向校圆；
S3、对环形肋骨先进行双面双弧对称同步打底焊接，再进行双面双弧对称熔化极氩弧焊同步填充焊接。
进一步地，S1中所述坡口为双侧对称坡口，坡口角度为30-55°，钝边厚度4-6mm，长度7-10mm。
进一步地，S2中利用焊接工装对环形肋骨沿轴向紧固以及沿径向校圆，所述焊接工装包括用于沿环形肋骨内圈支撑环形肋骨的筒体，沿筒体外周周向固定有内挡板，筒体上可拆卸设有与内挡板间隔设置的外挡板，外挡板与内挡板围成用于对环形肋骨进行轴向紧固的轴向紧固区，对应轴向紧固区的筒体部分间隔设有对轴向紧固区的环形肋骨沿筒体径向进行校圆的撑圆螺栓。
进一步地，S2中撑圆螺栓对环形肋骨径向校圆后环形肋骨的圆度误差小于2mm。
进一步地，步S3中在进行打底焊接时，双面双弧焊枪和待焊接焊缝垂直，对准待焊接位置的钝边进行焊接，焊接电流为250-350A，电压18-30V。
进一步地，S3中在进行填充焊接时，双面双弧焊枪与腹板之间的夹角为45°- 70°，与待焊接焊缝之间的夹角为55°- 65°。
进一步地，S3中在进行填充焊接时，双面双弧焊枪于环形肋骨顶端、与环形肋骨旋转方向的反方向呈5-20°夹角处进行上坡焊接。
进一步地，上坡焊接中焊接电流为350-800A，电压为20-30V，焊接频率为0-2000Hz。
进一步地，S3中在焊接时对焊接熔池和焊后焊缝采用混合气体保护，混合气体由He、Ar和H2混合得到。
进一步地，所述混合气体中He气含量为20-50%，H2气含量为1-3%，余量为Ar气。
本发明的有益效果：
1.本发明在对环形肋骨进行焊接前，对环形肋骨沿轴向紧固以及沿径向校圆，增加了焊接过程的稳定性，降低了焊接变形，改善了结构的刚性，对于焊接变形起到了良好的抑制作用，对于双面双弧同步焊接，还可以保证双枪在腹板两侧实现高速焊接，从而进一步减小焊接热输入，降低焊接变形，提升环形肋骨焊接结构焊接后的尺寸精度。
2.本发明在对环形肋骨进行焊接时，结合自制的专用工装进行精准定位、校圆后，设计开发了同步打底、同步焊接工艺和坡口，相对于传统焊接方法，本发明的焊接方法焊接电流大，且在焊接方向上两侧焊枪的焊接热输入均匀，进一步提高了焊后环形肋骨的尺寸精度。
3.本发明在对环形肋骨进行焊接时采用了He、Ar和H2混合气体进行焊接保护，相对以往采用单一惰性气体或混合惰性气体的保护，He和微量H2的存在可以增大焊接时的电弧电压，提高阴极热功率占比，使焊接电弧能量更加集中，同时使熔池中的气体更容易逸出，晶粒也能因熔池周期性震动而细化，进一步提高了焊后环形肋骨的尺寸精度。
附图说明：
图1为焊接的结构示意图；
图2为图1的俯视结构示意图；
图3为焊接工装的主视结构示意图；
图4为图3的侧视结构示意图；
图5为焊接采用氩气保护时的电弧状态图；
图6为焊接采用本发明所提供混合气保护时的电弧状态图。
图中标记：1、筒体，2、内挡板，3、外挡板，4、紧固螺栓，5、撑圆螺栓, a1和a2为坡口角度，b为钝边厚度，c为钝边长度，d为间隙，e1和e2为焊枪与肋板的夹角, f1和f2为焊枪和待焊接焊缝之间的夹角。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本实施例针对直径3300mm，腹板30mm厚，面板45mm厚的Ti6321合金T型环形肋骨进行焊接，包括以下步骤：
S1、结合图1、图2所示，在环形腹板上加工坡口，将环形腹板和面板装配后进行周向对称点焊形成环形肋骨，其中，坡口为双侧坡口，坡口角度a1和a2为30-55°，钝边厚度b为4-6mm，钝边长度c为7-10mm，加工完成之后，对制环形面板和腹板进行酸洗，再用丙酮擦拭待焊区域，最后在焊接前12小时内用磨头机去除待焊接金属板材待焊表面氧化层，将环形腹板和面板进行装配，安装时确保腹板钝边与环形面板上划出腹板钝边上下安装线对齐，通过测量检验线到腹板的距离，确定装配误差，装配间隙控制在0.2mm范围，之后进行周向对称点焊固定，形成环形肋骨。
S2、利用焊接工装对环形肋骨沿轴向紧固以及沿径向校圆，在本实施例中提供了对环形肋骨沿轴向紧固以及沿径向校圆的自制焊接工装。
参考图3和图4所示，焊接工装包括筒体1，筒体1的外径与环形肋骨的内径相适配，将环形肋骨套装在筒体1上，筒体1用于沿环形肋骨内圈支撑环形肋骨，筒体1上设有内挡板2和外挡板3，其中内挡板2沿筒体1外周周向固定设置，外挡板3与内挡板2间隔、可拆卸设置在筒体1上，环形肋骨套装在筒体1上后，再将外挡板3装在筒体1上，外挡板3与内挡板2围成用于对环形肋骨进行轴向紧固的轴向紧固区，当外挡板3安装完毕后，外挡板3与内挡板2实现对环形肋骨沿轴向的紧固，具体地，外挡板3可以设置在筒体1的一个端部，内挡板2设置在距离外挡板3所处端部有一段距离的筒体1上，该距离与环形肋骨的宽度相适配，外挡板3可以通过紧固螺栓4设置在筒体1端部的端壁上。
筒体1上还设有撑圆螺栓5，撑圆螺栓5对应轴向紧固区的筒体1部分、沿筒体1内壁一圈间隔设置，通过调节撑圆螺栓5对轴向紧固区的环形肋骨沿筒体1径向实现校圆，校圆后肋骨圆度误差小于1mm，用焊接工装将环形肋骨紧固后，将筒体1远离外挡板3的一端安装在转台上即可对环形肋骨便捷地进行旋转，方便焊接时的旋转，实现肋骨各位置的快速到达，提高焊接效率，提升焊后环形肋骨的尺寸精度。
S3、对环形肋骨先进行双面双弧对称同步打底焊接，再进行双面双弧对称熔化极氩弧焊同步填充焊接：
其中，打底焊接采用双面双弧对称同步焊接，调整双面双弧焊枪和待焊接板材之间的位置，使焊枪和待焊接焊缝垂直，对准待焊接位置的钝边进行焊接，焊接电流为250-350A，电压18-30V；
结合图1和图2所示，填充焊接采用双面双弧对称熔化极氩弧焊同步焊接，调整双面双弧焊枪和待焊接板材之间的位置，双面双弧各焊枪与腹板之间的夹角e1和e2为45°-70°，焊枪和待焊接焊缝之间的夹角f1和f2为55°- 65°，焊接时焊枪位于肋骨顶端与筒体旋转相反方向的5-20°位置进行上坡焊接，通过上坡焊接可以实现良好的焊缝成形，保证焊接熔池在电弧力和重力平衡作用下具有更长的停留时间，从而改善焊接温度分布的均匀性，降低焊接变形，更好提高环形肋骨焊接的尺寸精度，在焊接时，熔化极气体保护焊焊接电流为350-800A，电压为20-30V，焊接频率为0-2000Hz。
在焊接过程采用He、Ar和H2混合得到的混合气作为保护气，其中，以体积比计，He气含量在20-50%，H2气含量为1-3%，余量为Ar气，结合图4和图5，可以看出，该保护气可以大幅提升电弧挺度，使焊接电弧能量更趋集中，避免焊接过程中电弧漂移，进一步降低焊接变形。
此外，对于常用的单一惰性气体保护或者混合惰性气体保护，焊接熔池由中心向外沿流动，该保护气中H2的存在使熔池由外沿向中心流动，这种反向交叉流动的特性使得熔池进行了周期性扰动，不仅能够使熔池中的气体更容易逸出，晶粒也能因熔池周期性震动而细化。
完成焊接后，将环形肋骨冷至室温，卸下外挡板3，取出环形肋骨，进行无损检测和尺寸检测。
对比例
对直径3300mm，腹板30mm厚，面板45mm厚的Ti6321合金T型环形肋骨采用传统的双面双弧异步焊接方法直接焊接，对焊接后得到的环形肋骨进行无损检测和尺寸检测。
实施例和对比例的检测结果如表1和表2所示。
表1为不同焊接方法所得环形肋骨的尺寸变形测量结果
项目 最大椭圆度（mm） 面板和腹板垂直度偏差（mm） 最大焊接变形（mm）
对比例 3.817 1.8 2.135
实施例 2.245 0.7 1.431
表2为不同焊接方法所得环形肋骨的性能检测结果
项目 接头拉伸性能（MPa） 焊缝冲击性能（J） 弯曲合格率（%）
对比例 1045 26 80.2
实施例 975 46 94.5
需要说明的是，上述实施例仅用来说明本发明，但本发明并不局限于上述实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种钛合金T型角焊缝环形肋骨双面双弧焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在环形腹板上加工坡口，将环形腹板和面板装配后进行周向对称点焊形成环形肋骨；
S2、对环形肋骨沿轴向紧固以及沿径向校圆；
S2中采用焊接工装对环形肋骨沿轴向紧固以及沿径向校圆，所述焊接工装包括用于沿环形肋骨内圈支撑环形肋骨的筒体（1），沿筒体（1）外周周向固定有内挡板（2），筒体（1）上可拆卸设有与内挡板（2）间隔设置的外挡板（3），外挡板（3）与内挡板（2）围成用于对环形肋骨进行轴向紧固的轴向紧固区，对应轴向紧固区的筒体（1）部分间隔设有对轴向紧固区的环形肋骨沿筒体（1）径向进行校圆的撑圆螺栓（5）；
S3、对紧固和校圆后的环形肋骨先进行双面双弧对称同步打底焊接，再进行双面双弧对称熔化极氩弧焊同步填充焊接。
2.如权利要求1所述的一种钛合金T型角焊缝环形肋骨双面双弧焊接方法，其特征在于，S1中所述坡口为双侧对称坡口，坡口角度为30-55°，钝边厚度4-6mm，长度7-10mm。
3.如权利要求1所述的一种钛合金T型角焊缝环形肋骨双面双弧焊接方法，其特征在于，撑圆螺栓（5）对环形肋骨径向校圆后环形肋骨的圆度误差小于2mm。
4.如权利要求1所述的一种钛合金T型角焊缝环形肋骨双面双弧焊接方法，其特征在于，S3中在进行打底焊接时，双面双弧焊枪和待焊接焊缝垂直，对准待焊接位置的钝边进行焊接，焊接电流为250-350A，电压18-30V。
5.如权利要求1所述的一种钛合金T型角焊缝环形肋骨双面双弧焊接方法，其特征在于，S3中在进行填充焊接时，双面双弧焊枪与腹板之间的夹角为45°- 70°，与待焊接焊缝之间的夹角为55°- 65°。
6.如权利要求5所述的一种钛合金T型角焊缝环形肋骨双面双弧焊接方法，其特征在于，S3中在进行填充焊接时，双面双弧焊枪于环形肋骨顶端、与环形肋骨旋转方向的反方向呈5-20°夹角处进行上坡焊接。
7.如权利要求6所述的一种钛合金T型角焊缝环形肋骨双面双弧焊接方法，其特征在于，上坡焊接中焊接电流为350-800A，电压为20-30V，焊接频率为0-2000Hz。
8.如权利要求1所述的一种钛合金T型角焊缝环形肋骨双面双弧焊接方法，其特征在于，S3中在焊接时对焊接熔池和焊后焊缝采用混合气体保护，混合气体由He、Ar和H2混合得到。
9.如权利要求8所述的一种钛合金T型角焊缝环形肋骨双面双弧焊接方法，其特征在于，所述混合气体中，以体积比计，He气含量为20-50%，H2气含量为1-3%，余量为Ar气。
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