CN85104150B - 双丝窄间隙埋弧焊方法 - Google Patents

Abstract

一种采用两根沿焊接方向前后排列的焊丝，它们的干伸长部分的两条轴线不共面，形成空间交叉，前面的一根焊丝向焊接方向的后方倾斜，并斜指向被焊的侧壁，后面的一根焊丝垂直向下，两根焊丝端头燃烧的两个电弧共同形成一个熔池，以一层两道的多层焊方式，填充窄间隙对接坡口的埋弧焊方法。这种方法对母材的热输入量小，保证了焊道与侧壁母材的充分熔合，并明显地改善了焊接接头的机械性能，特别是母材热影响区的韧性。

Description

双丝窄间隙埋弧焊方法

本发明涉及一种厚板窄间隙对接坡口的埋弧焊方法。

双丝窄间隙埋弧焊是在单丝窄间隙埋弧焊方法的基础上发展起来的。1977年日本竹田勉发明一种“厚板结构物对接窄间隙多层埋弧焊方法”（昭52-73142）。该方法采用两根分别指向窄间隙坡口左右两侧壁的横列焊丝，进行一层一道的连续多层焊接。由于采用了双丝，焊接生产效率较高，但是存在一些缺点。例如进行一层一道焊道的窄间隙埋弧焊，渣壳不易自动脱落，容易被坡口左右两侧壁夹住。该发明者为解决这个问题，在焊机机头上安装了一个“焊渣剥离装置”，不仅使设备复杂化，而且也不能保证把焊道表面的残渣彻底清除干净。

1984年12月，日本公开特许公报公布了平井征夫发明的“埋弧焊方法”（昭59-212176）。该法系采用两根沿焊接方向前后排列的焊丝（φ1.2～3.2毫米），在间隙宽度为17毫米的厚板窄间隙对接坡口中进行一层两道的埋弧焊方法。两根焊丝均垂直向下，它们的两条轴线共面。处于焊接方向前方的前导焊丝距离窄间隙坡口中被焊一侧的侧壁较远，为3～5毫米，而后随焊丝距离该侧壁较近，为2～5毫米。由于采用了两根前后排列的焊丝和一层两道的焊道布置，使脱渣性有时显的改善，在焊接圆筒形工件的环焊缝时，渣壳可自动脱落。但是这种方法由于两根焊丝都是垂直向下的，没有一根焊丝是指向被焊的侧壁，为了使焊敷金属能与侧壁很好地熔合，焊接时，距离侧壁较近的后随焊丝不得不选用较大的规范（对φ3.2毫米的焊丝为500～600安）。这样，使母材的热输入量偏高，不利于改善某些低合金高强度钢的焊接接头性能，而且当焊接参数稍有波动时，很容易造成焊道与侧壁母材熔合不良的缺陷。

本发明的目的在于要克服现有双丝窄间隙埋弧焊方法所存在的缺点;保证窄间隙埋弧焊时，焊道与侧壁母材的充分熔合;减少产生未熔合、夹渣等焊接缺陷的几率;增大焊道成形系数的调节范围;减少对母材的热输入;进一步提高焊接接头的机械性能。

本发明是这样实现的：在对板厚超过50毫米，间隙宽度20～26毫米的窄间隙坡口的对接焊件进行多层自动埋弧焊时，采用两根沿焊接方向前后排列的焊丝。这两根焊丝的干伸长部分的轴线不在同一平面内，形成空间交叉。其中前面的一根焊丝向焊接方向的后方倾斜，并斜指向坡口被焊一侧的侧壁，而后面的一根焊丝则垂直向下。

前面一根焊丝的端头距离所指向的侧壁较近，为1.5～3.5毫米。焊接时，它的电弧主要熔化所指向的侧壁的母材，以保证焊道与侧壁母材的充分熔合。后面的一根焊丝的端头距前一根焊丝所指向的侧壁的距离较远，为5～8毫米，焊接时，其电弧的热量主要熔化电弧下面的母材或前一层的焊缝金属，而对母材热影响区的作用较弱。两根焊丝端头分别燃烧的两个电弧共同形成一个熔池。在沿坡口的一侧焊完一道后，两根焊丝分别摆向坡口的另一侧，进行同一层另一道的焊接。摆后两根焊丝的端头距坡口另一侧的侧壁的距离仍分别保持在上述要求范围之内。焊敷金属以一层两道的形式连续多层地填充窄间隙坡口。

本发明由于采用了空间交叉的两根前后排列的焊丝，其中一根焊丝是斜指向被焊的侧壁，因此无需采用大的焊接参数（对φ3.2毫米焊丝为300～350安），即可保证焊道与侧壁的充分熔合，还减少了对母材的热输入。此外，如果改变垂直向下的焊丝与被焊侧壁的距离，在没有变动其他焊接参数的条件下，即能改变焊道的宽度，而焊道的厚度变化不大，因此能在较大范围内调节焊道的宽度，使焊道的成型系数可提高到6左右。这种宽又较薄的焊道能更好地利用后一层焊道焊接时的热量对其焊缝金属及热影响区进行较全面的热处理，以进一步改善焊接接头的性能，特别是母材过热区的韧性。另外，在启焊时，由斜指向被焊侧壁的焊丝先引弧，待形成一个足够大的熔池后，垂直向下的焊丝才开始引弧。这时，由于第二个电弧是在液态熔池上引燃的，从而提高在深窄坡口内的引弧成功率，而且先熔敷的一小段焊道亦能保证与侧壁的良好熔合。

本发明的具体实施过程由以下实施例及附图给出：

图1是本发明的双丝窄间隙埋弧焊机的机头。

图2是机头下部插入窄间隙坡口中各部分的排列位置及运动情况。

图3是焊丝〔1〕和焊丝〔2〕在窄间隙坡口中的位置及形成空间交叉的情况。

其中：

1₁-焊丝〔1〕的干伸长部分的长度

1₂-焊丝〔2〕的干伸长部分的长度

β-焊丝〔1〕与被焊侧壁的投影夹角

δ-焊丝〔1〕的端头与被焊侧壁的距离

△-焊丝〔2〕与被焊侧壁的距离

图4是100毫米厚19Mn5钢窄间隙埋弧焊接头各区V形缺口夏比冲击值与温度关系。

母材焊前经930℃正火，650℃回火，焊后630℃消除应力热处理

焊丝：Ho8Mn2MoA，3.2毫米

焊剂：350型

其中：

C-母材过热区

B-母材金属

W-焊缝金属中心

表1是典型的焊接参数

其中：

β-焊丝〔1〕与被焊侧壁的投影夹角

δ-焊丝〔1〕的端头与被焊侧壁的距离

△-焊丝〔2〕与被焊侧壁的距离

L-焊丝〔1〕与焊丝〔2〕端头间的距离

下面结合附图说明一种实现双丝窄间隙埋弧焊方法的焊机机头装置的细节及工作情况。

该焊机机头装置（图1），由垂直（Z轴方向）升降机构〔11〕;两个滑套式横向（Y轴方向）移动臂〔12〕;两个送丝系统〔13〕、〔14〕（包括焊丝校直机构〔15〕，送丝机构〔16〕及焊嘴〔3〕、〔4〕）;跟踪导向系统（包括横向跟踪导向装置〔5〕及垂直跟踪装置〔6〕）;焊剂循环系统（包括焊剂送入管〔7〕及焊剂回收管〔8〕，连通焊剂送入管〔7〕的焊剂储罐及连通焊剂回收管〔8〕的焊剂回收罐，图中都没绘出）;送丝系统〔13〕的摆动机构〔17〕等六个部分组成。机头下部插入窄间隙坡口中的各部分如图2所示。焊丝〔1〕向焊接方向的后方倾斜，a＝20～30°，并斜指向焊件〔9〕窄间隙坡口的一个侧壁（图2中为〔9a〕），焊丝〔1〕与该侧壁的投影夹角β＝3～10°（见图3）;焊丝〔2〕垂直向下。焊丝〔1〕及焊丝〔2〕的干伸长部分〔1₁及1₂）的轴线不在同一平面内，形成空间交叉，如图2及图3所示。两根焊丝端头之间的距离L＝8～15毫米。焊丝〔1〕的端头距所指向的侧壁（图3中为〔9a〕）的距离（δ）较近，为1.5～3.5毫米;焊丝〔2〕的端头距焊丝〔1〕所指向的侧壁（图3中为〔9a〕）的距离△较远，为5～8毫米。焊接时，为避免两个电弧相互干扰，影响电弧的指向，焊丝〔1〕接直流电源的正极，焊丝〔2〕接交流电源。焊丝〔1〕的电弧主要熔化所指向的侧壁母材，以保证焊道与该侧壁的充分熔合，焊丝〔2〕的电弧主要熔化电弧下面的母材或前一层焊道的焊缝金属。两根焊丝端头分别燃烧的两个电弧共同形成一个熔池〔10〕。改变焊丝〔2〕与被焊侧壁的距离△，在不变动其他焊接参数的条件下，即可改变焊道的宽度，而焊道的厚度变化不大，使焊道的成型系数可提高到6左右。窄间隙坡口是以每层焊敷两条焊道的“一层两道”的形式，作多层焊接而逐渐填充起来的。因此，当焊丝〔1〕及焊丝〔2〕沿窄间隙坡口的一侧（例如〔9a〕）焊完一道后，焊丝〔1〕及焊丝〔2〕要摆向窄间隙坡口的另一侧（例如〔9b〕）。焊丝〔1〕的摆动是由摆动机构〔17〕，通过马达〔20〕及变速机构〔21〕，驱动摆臂〔18〕，带动连杆〔19〕，使整个送丝系统〔13〕，包括其焊丝校直机构〔15〕，送丝机构〔16〕及焊嘴〔3〕，绕垂直轴O₁转动一定角度，为8～20°，而垂直轴O₁本身只作少量的横移（0.5～3毫米）来实现的。摆动后，焊嘴〔3〕转移到〔3′〕位置，轴O₁移到O₁′的位置（图2）。根据坡口的宽度，轴O₁横移的方向既可能和焊嘴〔3〕的转动方向一致，也可能相反。焊嘴〔3〕摆到〔3′〕位置后，焊丝〔1′〕指向另一侧的侧壁（图2中为〔9b〕），并保持其端头与该侧壁（〔9b〕）的距离为δ值。焊丝〔2〕的摆动只是由焊嘴〔4〕的横移运动来实现的，故其垂直轴O₂横移到O₂′的距离较大，为5～8毫米。焊丝〔2〕横移到〔2′〕后，距离侧壁〔9b〕的距离亦保持为△值。当两根焊丝都摆向窄间隙坡口的另一侧（〔9b〕）后，开始进行同一层第二道焊道的焊接。在完成这一层的两道焊道的焊接后，两根焊丝再次摆回原来的一侧（例如〔9a〕），开始新的一层的焊接。对于圆筒形工件的对接环焊缝或水平位置的圆形封闭焊缝焊接过程不停顿，以一层两道的形式，连续多层地填满窄间隙坡口。

双丝窄间隙埋弧焊是一种自动化水平较高的焊接方法。当沿窄间隙坡口的任一侧进行焊接时，焊丝〔1〕和焊丝〔2〕的端头都必须始终保持与被焊侧壁的距离在δ及△值的范围之内。由于坡口的加工及装配的质量，焊接时工件的变形及工件转动或移动时的窜动，使侧壁的空间位置发生变化，所以两根焊丝的端头必须跟随侧壁位置的变化，不断进行横向位置（Y轴方向）的调节。侧壁位置的变化是由横向跟踪导向装置〔5〕来检测的。它的两个触爪〔5a〕及〔5b〕，通过弹簧的力量分别紧依在坡口的两个侧壁〔9a〕及〔9b〕上。当焊丝〔1〕和焊丝〔2〕沿〔9a〕侧壁进行焊接时，由触爪〔5a〕来检测侧壁位置变化的横向位移量，通过横向跟踪导向装置〔5〕中的光-电系统转换成电信号来控制滑套式横向移动臂〔12〕内的电动机，并通过其滚珠丝杠（均没绘出）使滑套伸缩，带动送丝系统〔13〕，连同横向跟踪导向装置〔5〕一起在坡口内沿Y轴方向移动，直至焊丝〔1〕的端头距离所指向的侧壁（例如〔9a〕）的距离进入δ值的范围之内为止。当两根焊丝沿〔9b〕侧焊接时，横向移动臂〔12〕的伸缩由触爪〔5b〕来控制。无论两根焊丝沿哪一侧进行焊接，为跟踪该侧壁的位置变化，焊丝〔2〕要与焊丝〔1〕联动，共同根据横向跟踪导向装置〔5〕发出的电信号，作同步等距的横向调节，以保证焊丝〔2〕的端头与被焊侧壁的距离在△值之内。但是当两根焊丝从坡口的一侧摆向另一侧的过渡阶段，焊丝〔1〕主要绕其垂直轴线转动一定角度，其垂直轴O₁横向移动距离（O₁O₁′）较小，而焊丝〔2〕仅作横移，其垂直轴O₂横移距离（O₂O₂′）较大。由于动作的方式及幅度不同，故两根焊丝在过渡阶段的摆动要分别进行各自的运动。

为使焊丝的干伸长的长度在整个焊接过程都能自动保持在要求的范围之内（30～40毫米），每焊完一层，机头的垂直升降机构〔11〕，根据垂直跟踪装置〔6〕发出的信号，将机头升高一层焊道的高度。由于垂直跟踪装置〔6〕导前于两个电弧，所以垂直跟踪装置〔6〕所检测到的高度变化，要延迟执行，待电弧运动到该高度变化处，垂直升降机构〔11〕才作相应的调节。

焊接过程中，焊剂不断从焊剂储罐（没绘出）通过焊剂送入管〔7〕在窄间隙坡口内堆积成一定高度（20～35毫米）的焊剂层。焊后由焊剂回收管〔8〕将没有被电弧熔化的焊剂吸入并送焊剂回收罐（没绘出），以备再用。

采用双丝窄间隙埋弧焊方法曾焊接了内径800毫米，壁厚100毫米的圆筒形工件的窄间隙对接环焊缝，窄间隙坡口的宽度为22〈`;±2;`〉毫米。采用表1所示的焊接参数进行自动连续多层焊。焊丝的总熔化速度达8.2公斤/小时。焊后经过超声波检查，没有发现缺陷，然后再切取周长的六分之一的一段，并锯成20毫米厚的11块切片，经X光透视检验，全部达一级片要求。不同温度下接头各区的V形缺口夏比冲击值如图4所示。从图4中可以看出，接头中距离熔合线0.5～0.7毫米的原过热粗晶区（C）的冲击韧性，比经过正火+回火的19Mn5母材（B）的韧性高。说明双丝窄间隙埋弧焊不仅有高的生产效率，而且仍保持小的焊接热输入的特点。由于焊道较宽而薄，母材中原过热区的组织已被随后焊道焊接时的热量所热处理，使其组织及性能，特别是韧性，得到明显的改善。

Claims (5)

1、一种采用两根沿焊接方向前后排列的焊丝，按一层两道的焊道布置方式，进行多层自动埋弧焊的方法，用于焊接板厚超过50毫米的窄间隙对接坡口的焊件，其特征是：两根焊丝的干伸长部分的轴线不在同一平面内，形成空间交叉，焊丝〔1〕向焊接方向的后方倾斜，并斜指向坡口被焊一侧的侧壁;焊丝〔2〕垂直向下。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征是：焊丝〔1〕的端头距所指向的侧壁的距离较近，为1.5～3.5毫米，其电弧主要熔化该侧壁的母材;焊丝〔2〕的端头距焊丝〔1〕所指向的侧壁的距离较远，为5～8毫米，其电弧主要熔化电弧下方的母材或前一层的焊缝金属;两个电弧共同形成一个熔池。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征是：两根焊丝的电弧在沿坡口的一侧焊完一道之后要分别摆向坡口的另一侧，进行同一层另一道的焊接，摆后焊丝〔1〕和焊丝〔2〕的端头距坡口另一侧的侧壁的距离仍分别保持在1.5～3.5及5～8毫米的范围之内，焊敷金属以一层两道的形式连续多层地填充窄间隙坡口。

4、根据权利要求1、2和3所述的方法，其特征是：当两根焊丝从坡口的一侧摆向另一侧时，焊丝〔1〕的焊嘴主要绕其垂直轴线转动一定角度，为8～20°（包括其焊丝校直机构，送丝机构及焊嘴一同转动），该垂直轴线的横移量较小，为0.5～3毫米;焊丝〔2〕的焊嘴只作横移运动，其横移的距离较大，为5～8毫米。

5、根据权利要求1、2和3所述的方法，其特征是：当两根焊丝沿坡口的任一侧焊接时，为跟踪该侧壁的位置变化，以保持两根焊丝的端头与该侧壁的距离都在要求的范围之内，焊丝〔1〕和焊丝〔2〕在横向位置的控制上相互联动，共同根据横向跟踪导向装置检测到该侧壁位置变化所发出的信号，同步等距地进行横向位置的调节。

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