RU2071888C1

RU2071888C1 - Method of assembling and series welding of thin sheet material butt joints

Info

Publication number: RU2071888C1
Application number: RU94021549A
Authority: RU
Inventors: Владимир Алексеевич Светликов; Евгений Петрович Осокин; Вера Ивановна Павлова
Original assignee: Владимир Алексеевич Светликов; Евгений Петрович Осокин; Вера Ивановна Павлова
Priority date: 1994-06-14
Filing date: 1994-06-14
Publication date: 1997-01-20

Abstract

FIELD: ship-building; arc welding of thin sheet steel frame structures. SUBSTANCE: forming backing is placed in rake slot at specified clearance between mated side surfaces whose value is within the limits of 0.05 and 0.25 of thickness of welded sheet. EFFECT: enlarged operating capabilities. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к сварочному производству, преимущественно к дуговой сварке в монтажных условиях прямо- и криволинейных стыковых соединений тонколистовых корпусных конструкций из сталей, титановых и алюминиевых сплавов, и может быть использовано в судостроительной промышленности и других отраслях народного хозяйства. The invention relates to welding production, mainly to arc welding in installation conditions of straight and curved butt joints of thin-sheet hull structures of steel, titanium and aluminum alloys, and can be used in the shipbuilding industry and other sectors of the economy.

Известно множество способов и устройств для сборки и сварки встык соединений листовых изделий, но почти все они используются в стационарных установках, применяемых при изготовлении плоскостных конструкций (секций) из плоских и оребренных листов. There are many methods and devices for assembling and butt welding of joints of sheet products, but almost all of them are used in stationary installations used in the manufacture of planar structures (sections) of flat and ribbed sheets.

Для формирования шва при сварке в монтажных условиях применительно к алюминиевым сплавам японскими специалистами предложен способ сборки и сварки, включающий использование тонкой подкладной ленты из материала с высокой температурой плавления типа нержавеющей стали, а также полосы из алюминиевого сплава для закрепления подкладной ленты на обоих свариваемых листах путем присоединения полосы к одному из листов электроприхватками (заявка Японии N 61-219484 от 29.09.86 г.). Этот способ сборки совершенно не связывает свариваемые листы, потому для листов толщиной менее 5-6 мм, кромки которых до сварки обычно не находятся в одной плоскости, применять его не представляется возможным. Japanese specialists have proposed a method of assembly and welding to form a weld during welding under mounting conditions in relation to aluminum alloys, which involves the use of a thin backing tape made of a material with a high melting point such as stainless steel, as well as aluminum alloy strips for fixing the backing tape to both sheets to be welded by joining the strip to one of the sheets with electric grippers (Japanese application N 61-219484 of 09.29.86). This assembly method does not bind the sheets to be welded at all, therefore for sheets less than 5-6 mm thick, the edges of which are usually not in the same plane before welding, it is not possible to use it.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ сборки и односторонней дуговой сварки стыковых соединений листов в монтажных условиях (К.Тераи, М. Арикава. Современное состояние односторонней автоматической сварки. Перевод с англ. под ред. Ф.Ф.Бенуа. Л.Судостроение, 1974, с.90), который включает применение П-образных гребенок, присоединенных к листам сборочными электроприхватками, металлических подкладок с формирующей канавкой и клиньев, размещенных в пазах гребенок и прижимающих подкладки и листы друг к другу. The prototype of the invention is a method of assembly and one-sided arc welding of butt joints of sheets in installation conditions (K. Terai, M. Arikawa. The current state of unilateral automatic welding. Translation from English under the editorship of F.F. Benoit. L. Shipbuilding, 1974, p.90), which includes the use of U-shaped combs attached to sheets by assembly electric grippers, metal linings with a forming groove and wedges placed in the grooves of the combs and pressing the liners and sheets to each other.

Недостатком прототипа является то, что при его применении зазор между листами в процессе сварки протяженных швов не выдерживается в регламентируемом диапазоне и уменьшается настолько, что не удается добиться полного сплавления кромок. Поэтому становится неизбежной вырубка корня шва и подварка шва с обратной стороны, т.е. односторонняя сварка превращается в двустороннюю. Кроме того, в стыковых соединениях тонколистовых материалов (δ ≅ 5-6 мм) образуются недопустимые остаточные сварочные деформации. В результате поперечного укорочения охлаждающего шва в соединении формируются угловые деформации, так называемые "домики", появление которых ведет к снижению теплоотвода из зоны сварки в подкладку и выпучиванию нагретых околошовных зон, что способствует возникновению разностенности и продольного изгиба соединения. Подварка шва после снятия сборочно-формирующего устройства увеличивает деформации соединения. Деформированное сварное соединение характеризуется высокой концентрацией напряжений при рабочем нагружении конструкции, отрицательно сказывается на ходкости и эстетичности судового корпуса, подлежит правке часто с предварительной разрезкой и повторной сваркой. Работы по устранению дефектов шва и деформаций соединения требуют значительных затрат труда, материалов и не всегда дают результаты, удовлетворяющие требованиям эксплуатации судна. The disadvantage of the prototype is that when it is used, the gap between the sheets during welding of extended joints is not maintained in the regulated range and decreases so much that it is not possible to achieve complete fusion of the edges. Therefore, it becomes inevitable to cut the root of the seam and weld the seam from the back side, i.e. one-sided welding turns into two-sided. In addition, in the butt joints of sheet materials (δ ≅ 5-6 mm), unacceptable residual welding deformations are formed. As a result of the transverse shortening of the cooling joint, angular deformations, the so-called "houses", are formed in the joint, the appearance of which leads to a decrease in heat removal from the welding zone to the lining and buckling of the heated heat-affected zones, which contributes to the occurrence of delinquency and longitudinal bending of the joint. Weld seam after removing the assembly-forming device increases the deformation of the connection. A deformed welded joint is characterized by a high concentration of stresses during the working loading of the structure, adversely affects the speed and aesthetics of the ship's hull, often to be edited with preliminary cutting and re-welding. Work on the elimination of weld defects and joint deformations requires considerable labor, materials and does not always give results that satisfy the requirements of the operation of the vessel.

Цель предлагаемого изобретения предотвращение дефектов формирования шва, устранение недопустимых сварочных деформаций и повышение работоспособности стыковых соединений тонколистовых материалов, выполненных односторонней дуговой сваркой преимущественно в монтажных условиях. The purpose of the invention is the prevention of defects in the formation of the seam, the elimination of unacceptable welding deformations and the increase in the efficiency of the butt joints of sheet materials made by unilateral arc welding mainly in installation conditions.

Поставленная цель достигается тем, что формирующую подкладку устанавливают в пазе гребенки с нормированным зазором между сопрягаемыми боковыми поверхностями, величина которого находится в пределах 0,05-0,25 от толщины свариваемого листа. This goal is achieved by the fact that the forming lining is installed in the groove of the comb with a normalized gap between the mating side surfaces, the value of which is in the range of 0.05-0.25 of the thickness of the welded sheet.

Величина указанного зазора выбирается в зависимости от поперечной усадки стыкового соединения и величины досварочного зазора таким образом, чтобы максимальные значения не превышали "возможно достигаемую" усадку и обеспечивали сохранение досварочного зазора между соединяемыми листами, а минимальные назначали из условия избежания разрушения сварного шва в результате образования горячих или подсолидусных трещин. The size of the specified gap is selected depending on the transverse shrinkage of the butt joint and the size of the pre-welding gap so that the maximum values do not exceed the "possibly achieved" shrinkage and ensure the preservation of the pre-welding gap between the joined sheets, and the minimum values are set so as to avoid damage to the weld due to the formation of hot or subsolidus cracks.

На чертеже изображен общий вид собранных элементов и листов под сварку. Сборка предусматривает использование П-образных гребенок 1, присоединенных к свариваемым листам, установленных с гарантированным зазором сборочными электроприхватками 2 и 3, металлических подкладок с формирующей канавкой 4 и клиньев 5, размещенных в пазах гребенок 1 и прижимающих подкладки 4 и листы друг к другу, причем размеры и форма формирующей канавки воспроизводят размеры и форму обратного усиления шва. Подкладка 4 размещается в пазах гребенок 1. Концевые гребенки под подкладку присоединяются к листам перед, а промежуточные после прорезки зазора с соблюдением заявляемой величины зазора (0,05 - 0,25)δ между сопрягаемыми боковыми поверхностями гребенки и подкладки. The drawing shows a General view of the assembled elements and sheets for welding. The assembly involves the use of U-shaped combs 1 attached to the sheets to be welded, installed with guaranteed clearance by assembly electric grippers 2 and 3, metal linings with a forming groove 4 and wedges 5 placed in the grooves of the combs 1 and pressing the liners 4 and sheets to each other, the size and shape of the forming groove reproduce the size and shape of the reverse reinforcement of the seam. The lining 4 is placed in the grooves of the combs 1. The end combs for the lining are attached to the sheets in front, and the intermediate combs after cutting the gap in compliance with the declared gap value (0.05 - 0.25) δ between the mating side surfaces of the comb and the lining.

Охлаждающийся шов стремится уменьшить зазор между свариваемыми кромками листов, что сопровождается адекватным изменением величины зазора между сопрягаемыми боковыми поверхностями гребенки 1 и подкладки 4. После взаимного сближения кромок на величину (0,05 - 0,25)δ подкладка 4 начинает оказывать распирающее действие на гребенку 1, а через прихватки 2 и на листы, благодаря чему при касательных напряжениях в прихватках 2, меньших предела текучести, дальнейшее перемещение свариваемых листов не происходит и сварка листов продолжает осуществляться с гарантированным зазором. Распирающее действие подкладки 4 на свариваемые листы оказывает, по крайней мере, двойной положительный эффект на качество сварного соединения. Во-первых, дополнительное поперечное растяжение формирующегося в процессе сварки шва позволяет полностью устранить угловые деформации, или так называемые "домики". Во-вторых, в процессе охлаждения сварного шва (и, следовательно, его усадки) под действием растягивающих нагрузок оказывается околошовная зона, нагретая выше температуры потери металлом упругих свойств, что приводит к формированию эпюры более благоприятных остаточных поперечных напряжений после сварки. Так, экспериментальные исследования остаточных сварочных напряжений в стыковых соединениях тонколистовых материалов показали, что величина максимальных растягивающих поперечных напряжений в околошовной области снижается на 30-90% при сварке по предлагаемому варианту по сравнению с прототипом, причем наибольший эффект достигается при минимальных значениях (0,05δ) зазора между сопрягаемыми боковыми поверхностями подкладки и гребенки (как результат максимальной жесткости закрепления сварного соединения). The cooling seam tends to reduce the gap between the edges of the sheets to be welded, which is accompanied by an adequate change in the gap between the mating side surfaces of the comb 1 and the backing 4. After the edges come closer together, the amount of (0.05 - 0.25) δ, the backing 4 begins to exert a bursting effect on the comb 1, and through tacks 2 and onto sheets, due to which, with tangential stresses in tack 2 less than the yield strength, further movement of the sheets to be welded does not occur and sheet welding continues with clearance. The bursting effect of the lining 4 on the sheets to be welded has at least a double positive effect on the quality of the welded joint. Firstly, additional transverse tension of the weld formed during welding allows to completely eliminate angular deformations, or so-called "houses". Secondly, in the process of cooling the weld (and, consequently, its shrinkage), tensile loads cause a heat-affected zone to be heated above the temperature of the loss of elastic properties by the metal, which leads to the formation of a diagram of more favorable residual transverse stresses after welding. Thus, experimental studies of residual welding stresses in the butt joints of sheet materials showed that the maximum tensile transverse stresses in the heat-affected area are reduced by 30-90% when welding according to the proposed option compared to the prototype, and the greatest effect is achieved at minimum values (0.05δ ) the gap between the mating lateral surfaces of the lining and combs (as a result of the maximum rigidity of fixing the welded joint).

Пример конкретного выполнения. Ручная односторонняя аргонодуговая сварка неплавящимся электродом стыковых соединений листов из алюминиевого сплава АМг61 толщиной 2-6 мм на подкладке из нержавеющей стали, имеющей канавку сферической формы. Свариваемые листы собираются в приспособлении с гарантированным зазором. Заявляемый зазор между сопрягаемыми боковыми поверхностями подкладки и гребенки устанавливали в зависимости от толщины свариваемых листов по соотношению (0,05 - 0,25)δ, причем минимальным зазорам между свариваемыми листами соответствовали минимальные заявляемые зазоры между боковыми поверхностями подкладки и гребенки. Конструктивные элементы подготовки кромок и режимы ручной аргонодуговой сварки неплавящимся электродом соответствовали требованиям ОСТ 5.9153-83. Качество сварного соединения оценивали по результатам визуального осмотра, замеров кривизны поперечного и продольного сечений, определением остаточных сварочных напряжений в околошовной зоне неразрушающимся рентгенографическим методом измерений, испытанием плоских образцов на усталостную долговечность при циклическом растяжении. Результаты представлены в таблице, из которой видно, что выполнение сварки по предлагаемому техническому решению обеспечивает получение бездефектных соединений с максимальным уровнем растягивающих остаточных сварочных напряжений и максимальными значениями усталостной долговечности по сравнению с прототипом. An example of a specific implementation. Manual one-sided argon-arc welding of a non-consumable electrode of butt joints of sheets of aluminum alloy AMg61 with a thickness of 2-6 mm on a stainless steel lining having a spherical groove. The sheets to be welded are assembled in a fixture with guaranteed clearance. The claimed gap between the mating side surfaces of the lining and the comb was set depending on the thickness of the sheets to be welded according to the ratio of (0.05 - 0.25) δ, the minimum declared gaps between the side surfaces of the lining and combs corresponding to the minimum gaps between the welded sheets. Structural elements of edge preparation and manual argon-arc welding with non-consumable electrode met the requirements of OST 5.9153-83. The quality of the welded joint was evaluated by the results of visual inspection, measurements of the curvature of the cross-section and longitudinal sections, determination of the residual welding stresses in the heat-affected zone by the non-destructive X-ray diffraction method, and testing of flat samples for fatigue life under cyclic tension. The results are presented in the table, from which it can be seen that the welding according to the proposed technical solution provides defect-free joints with a maximum level of tensile residual welding stresses and maximum values of fatigue life in comparison with the prototype.

Предлагаемый способ сборки и односторонней дуговой сварки стыковых соединений в отличие от существующих способов, применяющихся при изготовлении корпусных конструкций, особенно в монтажных условиях, обеспечивает высокое качество формирования поверхности швов, отсутствие сварочных деформаций и увеличение работоспособности сварных стыковых соединений тонколистовых материалов. При этом способе исключаются вырубка корня шва и правка соединения, в результате чего снижается стоимость изготовления корпусных конструкций, повышается прочность, ходкость и эстетичность судовых корпусов. The proposed method of assembly and one-sided arc welding of butt joints, in contrast to the existing methods used in the manufacture of hull structures, especially in installation conditions, provides high quality formation of weld surfaces, the absence of welding deformations and an increase in the operability of welded butt joints of sheet materials. With this method, cutting down the root of the seam and straightening the joint are eliminated, as a result of which the cost of manufacturing hull structures is reduced, the strength, speed and aesthetics of ship hulls are increased.

Claims

A method of assembling and one-sided welding of butt joints of sheet materials under installation conditions, including assembling and welding sheets with a guaranteed gap, which is ensured by connecting U-shaped combs to assembly sheets with electric grippers, placing combs in the grooves with a gap relative to their walls of linings with a forming ditch and providing pressure pads and sheets to each other with clamping parts, characterized in that the gap between the mating side surfaces of the comb and the lining is installed they are within 0.05 0.25 of the thickness of the welded sheet.