中薄壁变直径铝合金壳体多级环焊缝的焊接方法
【专利摘要】一种中薄壁变直径铝合金壳体多级环焊缝的焊接方法，其特征在于包括如下步骤：焊接接头设计；一次洁净；焊缝背保护；装配；二次洁净；采用自动变极性等离子焊机对铝合金壳体进行预热和焊接；所有多级焊缝焊接完成后采用自然冷却方式使壳体温度降至室温。与传统的钨极氩弧焊接工艺相比变极性等离子焊接工艺采用不开坡口或开较小坡口，尤其对于壁厚10mm以下的铝合金壳体不用开焊接坡口，可以一次焊接完成，从而降低了热输入、减少了焊接缺陷发生概率；预热和焊接采用同一个设备，提高了预热和焊接效率，降低了焊接成本。
【专利说明】中薄壁变直径铝合金壳体多级环焊缝的焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种焊接方法，属于焊接【技术领域】。
【背景技术】
[0002]由于产品轻量化、结构设计、成本控制等需求，现在很多储藏、输送的结构件都采用厚度在2.0mm?20.0mm之间的中薄壁变直径铝合金壳体，涉及不同直径的筒体之间以及筒体与法兰之间的多级环焊缝的焊接。传统工艺由于焊接坡口设计不当、焊接工艺和焊接工装不完善，造成壳体焊缝质量低，容易产生气孔、夹杂、焊接裂纹和未焊透等焊接缺陷，尤其是焊接变形，涉及多条环焊缝的相互影响导致壳体整体变形严重，不能满足产品使用要求。
[0003]现在随着焊接技术快速发展，尤其是变极性等离子焊接技术的出现，为解决中薄壁变直径铝合金壳体环焊缝的焊接提供了技术基础。变极性等离子焊接技术与常规钨极氩弧焊接相对比电弧能量更集中，焊接坡口更小甚至不需要开坡口就能获得优质的焊缝质量，采用高纯度的氩气进一步提高焊接质量，设计的焊接工装对于防止铝合金壳体焊接变形起到了重要作用。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种提高焊缝质量、减少焊接变形的中薄壁变直径铝合金壳体多级环焊缝的焊接方法。
[0005]本发明所要解决的又一个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种操作简便的中薄壁变直径铝合金壳体多级环焊缝的焊接方法。
[0006]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种中薄壁变直径铝合金壳体多级环焊缝的焊接方法，其特征在于包括如下步骤:
[0007]①焊接接头设计:根据壳体招合金壁厚2.0mm?20.0mm进行焊接接头坡口设计，确定不开坡口或开小角度坡口；
[0008]②一次洁净:对需要焊接的铝合金壳体零部件进行酸碱清洗；
[0009]③焊缝背保护:采用带圆弧槽的陶瓷衬块进行焊缝背保护；
[0010]④装配:首先将陶瓷衬块分别置于焊接工装的支撑座，然后将铝合金壳体零部件在焊接工装上装配定位；
[0011]⑤二次洁净:焊前采用干燥压缩空气吹拂待焊部位；
[0012]⑥采用自动变极性等离子焊机对装在定位后的铝合金壳体多级环焊缝视壁厚确定预热或不预热；
[0013]⑦采用自动变极性等离子焊机对定位后的铝合金壳体多级环焊缝进行依次焊接，每一级环焊缝的开焊时壳体温度均不能超过110°c ；
[0014]⑧所有多级焊缝焊接完成后采用自然冷却方式使壳体温度降至室温；
[0015]⑨将焊接后的铝合金壳体从焊接工装上拆卸下来。[0016]步骤①所述的焊接接头设计如下:
[0017]进ー步，所述的焊接接头当壁厚1^=2.0mm~IOmm时，不开坡ロ ；当板厚t2=ll.0mm~20.0mm时，在壳体外侧开单面V坡ロ，坡口角度为30 °~60 °，预留e=t2-9.Ctam钝边,环焊缝装配间隙0.Ctam~1.Ctam。
[0018]步骤③中所述的焊缝背保护陶瓷衬块，长X宽X厚为25mmX20mmX4mm，长度方向开槽宽 3.0mm ~4.0mm,深 1.5mm ~3.0mm。?
[0019]所述的铝合金壳体包括依次相互焊接的第一套筒和第二套筒，前述第一套筒内径大于第二套筒内径，前述第一套筒的外端焊接有大法兰，前述第二套筒的外端焊接有小法兰；步骤④中所述的焊接エ装
[0020]包括
[0021]芯轴；
[0022]第一定位座，设于前述的芯轴上并能绕芯轴转动，用于定位大法兰；
[0023]第二定位座，与前述的第一定位座间隔设置，用于定位小法兰；
[0024]拉杆,横向地设于前述的第一定位座和第二定位座之间并将第一定位座和第二定位座连为一体；
[0025]大端支撑座，能移动地设于前述的拉杆上，外端具有与第一套筒相紧贴的第一垫块；
[0026]中端支撑座，能移动地设`于前述的拉杆上，外端具有与第二套筒内壁相紧贴的第二垫块；以及
[0027]顶紧块，能将前述的小法兰定位于第二定位座上。
[0028]第一定位座、第二定位座、大端支撑座和小端支撑座协同配合将待焊接的各部件有效定位，便于实施焊接エ艺，同时，焊接时对各部件影响较少，不会使变直径铝合金壳体产生变形。
[0029]所述的中端支撑座的包括相互间隔设置的低位支撑部和高位支撑部，并且，前述的低位支撑部和高位支撑部外端均设有第二垫块。
[0030]所述芯轴的后端具有轴承座，该轴承座内设有轴承，所述第二定位座具有设于前述轴承座内并与轴承转动配合的转动部。
[0031]作为优选，步骤⑤中所述的二次洁净采用的干燥空气湿度小于5%，压カ为0.1~0.3MPa。
[0032]进一歩，步骤⑥中所述的采用自动变极性等离子焊机对装在铝合金壳体多级环焊缝视壁厚2.0mm~10.0mm时不预热，壁厚11.0mm~20.0mm时预热50°C~80°C,预热区域为坡ロ两侧各IOmm范围。
[0033]作为优选，步骤⑥所述的预热和步骤⑦中所述的焊接采用焊枪不动而铝合金壳体转动的方式进行。
[0034]步骤⑥所述的预热和步骤⑦中所述的焊接时均采用纯度为99.999%的纯氩为保护气体。同时采用高纯氩作为预热和焊接的保护气体，防止了预热时坡ロ氧化和影响焊接
质量;
[0035]步骤⑥所述的焊接采用单面焊双面成型，而且仅焊接ー层一道。
[0036]与现有技术相比，本发明的优点在于:①与传统的钨极氩弧焊接エ艺相比变极性等离子焊接エ艺采用不开坡ロ或开较小坡ロ，尤其对于壁厚IOmm以下的铝合金壳体不用开焊接坡ロ，可以一次焊接完成，从而降低了热输入、減少了焊接缺陷发生概率；②对于中薄壁变直径铝合金壳体多级环焊缝预热和焊接采用同一个设备，提高了预热和焊接效率，降低了焊接成本；③设计的焊接エ装同时既能支撑具有多级环焊缝的壳体防止焊接变形，又能实现多级环焊缝的背保护，保证环焊缝背部焊接质量和焊缝成形。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1为实施例1中焊接完成后的中薄壁变直径铝合金壳体。
[0038]图2为实施例1中焊接エ装结构示意图。
[0039]图3为实施例1中焊接时状态图。
【具体实施方式】
[0040]以下结合附图实施例对本发明作进ー步详细描述。
[0041]实施例1,如图1所示,本实施例中的招合金壳体包括依次相互焊接的第一套筒2a和第二套筒3a，第一套筒2a内径大于第二套筒3a内径，第一套筒2a的外端焊接有大法兰la，第二套筒3a的外端焊接有小法兰4a。
[0042]如图2所示，本实施例中的焊接エ装包括芯轴1、第一定位座2、第二定位座7、拉杆
4、大端支撑座3、中端支撑座5及顶紧块8。
[0043]第一定位座2设于芯轴上并能绕芯轴I转动，用于定位大法兰la，第二定位座7与第一定位座2间隔设置，用于定位小法兰4a ;拉杆4横向地设于第一定位座2和第二定位座7之间并将第一定位座2和第二定位座7连为一体。
[0044]大端支撑座3能移动地设于拉杆4上，外端具有与第一套筒2a相紧贴的第一垫块31 ;中端支撑座5能移动地设于拉杆4上，外端具有与第二套筒3a内壁相紧贴的第二垫块53。
[0045]顶紧块8能将小法兰4a定位于第二定位座7上，在驱动机构(图中无显示)的作用下相对第二定位座7能移动。
[0046]中端支撑座5的包括相互间隔设置的低位支撑部52和高位支撑部51，并且，低位支撑部52和高位支撑部51外端均设有第二垫块53。大端支撑座3和中端支撑座5通过螺纹配合与芯轴I外壁连接。芯轴I的前端通过轴承61与第一定位座2转动配合，芯轴I的后端具有轴承座11，该轴承座11内设有轴承62，第二定位座7具有设于轴承座11内并与轴承62转动配合的转动部71。
[0047]工作原理:第一定位座2与变位机转盘通过螺栓连接。首先分别将大法兰la、第一套筒2a、第二套筒3a由第二定位座2 —侧穿过，将大法兰Ia贴靠在第一定位座2上，将第ー套筒2a与大法兰la、第一套筒2a与第二套筒3a相互接合，调节芯轴I (顺时针转动)使大法兰Ia与第一套筒2a形成的焊接坡ロ置于大端支撑座3上的第一垫块31上，使第一套筒2a与第二套筒3a形成的焊接坡ロ置于中端支撑座5上的第二垫块53上，并贴合紧密，一方面使大端支撑座3和中端支撑座5对壳体大环焊缝和中环焊缝起支撑作用，另ー方面保证焊缝在焊接时背面成形和焊接质量。
[0048]第二步，将小法兰4a由エ装第二定位座7 —侧穿过，使小法兰4a与第二定位座7贴合，并将小法兰4a与第二套筒3a形成的小环焊缝置于小端支撑座6上的垫块10上，使之贴合紧密，一方面使小端移动支撑座7和小法兰支撑座6对壳体小环焊缝起支撑作用，另一方面保证焊缝在焊接时背面成形和焊接质量。
[0049]第三步，将顶紧块8顶紧壳体小法兰4a，调整芯轴I保证壳体水平并固定壳体在焊接时不发生移动和晃动。
[0050]第四步，焊接完成后，现将顶紧块8移开，调节芯轴I (逆时针转动)将壳体整体从工装上卸下。
[0051 ] 第一定位座、第二定位座、大端支撑座和小端支撑座协同配合将待焊接的各部件有效定位，便于实施焊接工艺，同时，焊接时对各部件影响较少，不会使变直径铝合金壳体产生变形。
[0052]本实施例为3.0mm壁厚具有三级环焊缝的5A06铝合金变直径壳体进行焊接。它包括以下步骤:
[0053]( I)焊接接头设计和焊接方式设计:焊接接头确定不开坡口，采用变极性等焊接工艺单面焊双面成型，设定焊缝装配间隙为0_，焊枪100不动，铝合金壳体10转动的方式预热和焊接(如图3所示)；(2)清洗:对需要焊接的铝合金壳体大小筒和大小法兰进行酸碱清洗；(3)装配:将瓷衬块分别置于三级移动支撑座，然后将壳体零部件在专用焊接工装上一次性装配定位，并调节芯轴从内侧撑起壳体；(4) 二次洁净:焊前采用干燥压缩空气吹拂三级焊缝待焊部位；(5)预热:因壁厚3.0mm确定不预热；(6)焊接:采用自动变极性等离子焊机对装在所述工装上的铝合金壳体三级环焊缝进行依次焊接；(7)冷却:所有三级焊缝焊接完成后采用自然冷却方式使壳体温度降至室温；(8)拆卸工装:最后通过芯轴拆卸工装，取出铝合金壳体。
[0054]实施例2，本实施例为4.0mm壁厚具有四级环焊缝的7A05铝合金变直径壳体进行焊接。它包括以下步骤:
[0055]( I)焊接接头设计和焊接方式设计:焊接接头确定不开坡口，采用变极性等焊接工艺单面焊双面成型，设定焊缝装配间隙为0_，焊枪不动，壳体转动的方式预热和焊接；(2)清洗:对需要焊接的铝合金壳体大、中、小筒和大小法兰进行酸碱清洗；(3)装配:将瓷衬块分别置于四级移动支撑座，然后将壳体零部件在专用焊接工装上一次性装配定位，并调节芯轴从内侧撑起壳体；(4) 二次洁净:焊前采用干燥压缩空气吹拂四级焊缝待焊部位；(5)预热:因壁厚4.0mm确定不预热；(6)焊接:采用自动变极性等离子焊机对装在所述工装上的铝合金壳体四级环焊缝进行依次焊接；(7)冷却:所有三级焊缝焊接完成后采用自然冷却方式使壳体温度降至室温；(8)拆卸工装:最后通过芯轴拆卸工装，取出铝合金壳体。采用的焊接工装参考实施例1。
[0056]实施例3，本实施例为12.0mm壁厚具有三级环焊缝的5A06铝合金变直径壳体进行焊接。它包括以下步骤:
[0057](I)焊接接头设计和焊接方式设计:焊接接头确定开30°坡口，采用变极性等焊接工艺单面焊双面成型，设定焊缝装配间隙为Omm?1.0mm,焊枪不动,壳体转动的方式预热和焊接；(2)清洗:对需要焊接的铝合金壳体大小筒和大小法兰进行酸碱清洗；(3)装配:将瓷衬块分别置于三级移动支撑座，然后将壳体零部件在专用焊接工装上一次性装配定位，并调节芯轴从内侧撑起壳体；(4) 二次洁净:焊前采用干燥压缩空气吹拂三级焊缝待焊部位；(5)预热:采用自动变极性等离子焊机对装在所述工装上的铝合金壳体三级环焊缝预热50°C?80°C ； (6)焊接:采用自动变极性等离子焊机对装在所述工装上的铝合金壳体三级环焊缝进行依次焊接；(7)冷却:所有三级焊缝焊接完成后采用自然冷却方式使壳体温度降至室温；(8)拆卸工装:最后通过芯轴拆卸工装，取出铝合金壳体。采用的焊接工装参考实施例1。
[0058]上述三个实施例中的多级铝合金壳体焊缝进行焊后检测，未发现焊接裂纹、气孔、未焊透等缺陷，焊缝质量达到I级，焊缝错变量小于0.2mm，壳体焊接变形明显改善，满足产品设计要求。
【权利要求】
1.ー种中薄壁变直径铝合金壳体多级环焊缝的焊接方法，其特征在于包括如下步骤: ①焊接接头设计:根据壳体招合金壁厚2.0mm~20.0mm进行焊接接头坡ロ设计,确定不开坡ロ或开小角度坡ロ； ②一次洁净:对需要焊接的铝合金壳体零部件进行酸碱清洗； ③焊缝背保护:采用带圆弧槽的陶瓷衬块进行焊缝背保护； ④装配:首先将陶瓷衬块分别置于焊接エ装的支撑座，然后将铝合金壳体零部件在焊接エ装上装配定位； ⑤二次洁净:焊前采用干燥压缩空气吹拂待焊部位； ⑥采用自动变极性等离子焊机对装在定位后的铝合金壳体多级环焊缝视壁厚确定预热或不预热； ⑦采用自动变极性等离子焊机对定位后的铝合金壳体多级环焊缝进行依次焊接，每ー级环焊缝的开焊时壳体温度均不能超过110°C ； ⑧所有多级焊缝焊接完成后采用自然冷却方式使壳体温度降至室温； ⑨将焊接后的铝合金壳体从焊接エ装上拆卸下来。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于步骤①所述的焊接接头设计如下: 所述的焊接接头当壁厚tl=2.0mm~IOmm时，不开坡ロ ；当板厚t2=ll.0mm~20.0mm时，在壳体外侧开单面V坡ロ，坡口角度为30°~60°，预留e=t2-9.0mm钝边，环焊缝装配间隙 0.0mm ~1.0mm。
3.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于步骤③中所述的焊缝背保护陶瓷衬块，长X宽X厚为25臟X 2CtamX4臟，长度方向开槽宽3.Ctam~4.Ctam,深1.5臟~3.0臟。?
4.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于所述的铝合金壳体包括依次相互焊接的第一套筒和第二套筒，前述第一套筒内径大于第二套筒内径，前述第一套筒的外端焊接有大法兰，前述第二套筒的外端焊接有小法兰；步骤④中所述的焊接エ装 包括 芯轴； 第一定位座，设于前述的芯轴上并能绕芯轴转动，用于定位大法兰； 第二定位座，与前述的第一定位座间隔设置，用于定位小法兰； 拉杆，横向地设于前述的第一定位座和第二定位座之间并将第一定位座和第二定位座连为一体； 大端支撑座，能移动地设于前述的拉杆上，外端具有与第一套筒相紧贴的第一垫块； 中端支撑座，能移动地设于前述的拉杆上，外端具有与第二套筒内壁相紧贴的第二垫块；以及 顶紧块，能将前述的小法兰定位于第二定位座上。
5.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于所述的中端支撑座的包括相互间隔设置的低位支撑部和高位支撑部，并且，前述的低位支撑部和高位支撑部外端均设有第二垫块。
6.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于所述芯轴的后端具有轴承座，该轴承座内设有轴承，所述第二定位座具有设于前述轴承座内并与轴承转动配合的转动部。
7.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于步骤⑤中所述的二次洁净采用的干燥空气湿度小于5%，压カ为0.1~0.3MPa。
8.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于步骤⑥中所述的采用自动变极性等离子焊机对装在招合金壳体多级环焊缝视壁厚2.0mm~10.0mm时不预热,壁厚11.0mm~20.0mm时预热50°C~80°C，预热区域为坡ロ两侧各IOmm范围。
9.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于步骤⑥所述的预热和步骤⑦中所述的焊接采用焊枪不动而铝合金壳体转动的方式进行。
10.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于步骤⑥所述的预热和步骤⑦中所述的焊接时均采用纯度为99.999%的纯氩为保护气体。
11.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于步骤⑥所述的焊接采用单面焊双面成型，而且仅焊接ー层 一道。
【文档编号】B23K10/02GK103551717SQ201310505159
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年9月22日
【发明者】陈东高, 马志华, 王秀玲, 王法科, 明珠, 陈东亮, 杨武林, 任宝辉, 刘红伟, 马冰, 王冬生, 张立君, 聂砂 申请人:中国兵器工业第五二研究所