一种摇动电弧窄间隙单面焊双面成形的焊接方法
【专利摘要】本发明公开了一种摇动电弧窄间隙单面焊双面成形的焊接方法，先将金属厚板工件拼装成坡口间隙8～16mm、根部间隙4～8mm、钝边厚度0～2mm的平位置待焊U形坡口，并在坡口背面设置带有成形槽的衬垫；根据板厚和焊接层次选择保护气体充入方式，分别设定打底焊、填充焊及盖面焊的电弧摇动频率、电弧摇动幅值、电弧在侧壁停留时间、平均焊接电流、平均电弧电压为和焊接速度；在焊缝背面衬垫的支撑下，实现摇动电弧窄间隙单面焊双面成形自动焊接。本发明坡口形式简单易加工、工艺适用性强、焊接效率高、焊缝成形美观、焊接接头性能好、实施成本低、实用性强。
【专利说明】一种摇动电弧窄间隙单面焊双面成形的焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明属于焊接【技术领域】，具体是涉及一种摇动电弧窄间隙单面焊双面成形的焊接方法。
【背景技术】
[0002]单面焊双面成形工艺是一种只需在工件一侧施焊、正反两面同时成形的焊接方法，现已被广泛应用于船舶与海洋工程、锅炉压力容器、重型机械等制造领域。目前，多数单面焊双面成形工艺通常是采用现有电弧焊接方法，并利用焊接坡口背面成形衬垫对熔池的支撑作用，实现对工件坡口的打底焊、填充焊与盖面焊。采用该工艺可省去工件翻转工序，且无需进行背面焊缝清根与再补焊，特别适合焊接一些翻转困难的大型及重型构件、反面焊缝不可达的箱型或管状构件。
[0003]传统的单面焊双面成形工艺焊接热输入大且需开；大角度坡口，如专利号为“ZL200610122611.9”、名称为“C02气体保护单面焊双面成形焊接工艺”的发明专利即属于此类工艺，其焊接电流420?540A、焊接电压43?50V、焊接速度30?48cm/min，平均热输入35KJ/cm左右；厚板(工件板厚大于30mm)焊接时，V形坡口角度将达到60?70°，坡口填充量增加，焊接效率降低。因此，无法胜任厚板高强钢(板厚大于30_，屈服强度大于460Mpa)的高效高质量焊接要求。
[0004]针对厚板单面焊双面成形，国内外现有的窄间隙熔化极电弧焊接方法施焊时，工艺繁琐，设备复杂。专利号为“ZL200610117342.7”、名称为“管壳式热交换器管板与半球形封头单面焊窄间隙焊接工艺”即属于此类技术，其适用板厚为78?280mm，主焊缝坡口角度0.9?18°、宽度28?34mm，坡口底层采用笔式手工氩弧焊接工艺(焊接电流150?180A)、过渡焊接采用焊条电弧焊(焊接电流90?220A)、主焊缝采用窄间隙埋弧自动焊(焊接电流550?650A、焊接电压30?34V、焊接速度40?50cm/min)。该技术从坡口底层到主要焊缝需设置过渡层，坡口内壁需喷涂防飞溅材料，同时需变更焊接方法，只能用于热交换器管板与半球形封头的焊接，其工艺复杂、适用范围窄、工程实用难度大，且主要焊缝焊接热输入大，无法适应大型化与重型化装备制造业对厚板高强钢的高效低成本焊接需求。
[0005]窄间隙气体保护电弧焊是一种高质量、高效率、低成本的焊接工艺，其焊接热输入小、接头性能优越、工艺适应性强、应用范围广泛，特别适用于厚板高强钢焊接。针对如何提高窄间隙坡口两侧壁的熔透能力，国内外科学家先后开发出具有代表性的窄间隙气体保护电弧焊工艺，如麻花焊丝焊接法、蛇形焊丝焊接法、高速旋转电弧焊接法、超窄间隙焊接法等，但由于存在焊丝制造成本大且可控性差、焊接结构复杂等诸多因素，目前这些方法仍没能很好的实现工程化应用。
[0006]发明专利号为“ZL201110201702.2 ”名称为“摇动电弧窄间隙熔化极气体保护立
向焊接方法”，公开了一种针对金属厚板I型立向坡口的窄间隙熔化极气体保护立向焊接方法，通过选择气体保护方式，设定电弧摇动频率、电弧摇动幅值、电弧在侧壁停留时间、脉冲焊接平均电弧电流、平均电弧电压、焊接速度、焊丝干伸长，并选配合适折弯角度的折弯型导电杆，在焊缝自由成形状态下，以每层单道多层施焊方式实现摇动电弧窄间隙熔化极气体保护立向自动焊接。该发明专利的不足之处是:单纯利用公开的电弧摇动参数及其配合使用的电弧能量参数无法实现U形坡口的厚板高强钢(厚度大于20mm，屈服强度大于400MPa)的平位置焊接，同时未分别具体给出厚板打底焊、填充焊与盖面焊的参数选用原贝U，也未涉及厚板平位置单面焊双面成形的技术方案，难以满足工程化的高强钢厚板构件高效高质量实际生产需要。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是针对上述目前单面焊双面成形工艺存在的难以满足厚板高强钢焊接需要，克服焊接效率低、焊接设备昂贵的问题和缺陷，利用摇动电弧窄间隙熔化极气体保护焊接方法在厚板高强钢构件制造方面的优势，提出一种实施成本低、适用性好、焊接效率高的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形的焊接方法。
[0008]为了达到上述目的，本发明提出的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形的焊接方法的技术方案是:
[0009]将摇动电弧窄间隙焊炬放于平位置待焊工件坡口中心的正上方，电弧在馈电及驱动控制部件的带动下作相对于焊炬的对称往复式圆弧形摇动，该方法包括如下具体步骤:
[0010]1、焊前准备:在待焊金属厚板工件上开设坡口间隙为8?16mm、根部间隙为4?8mm、钝边厚度O?2mm的平位置U形坡口，并在U形坡口背面设置成形槽宽度为8?14mm的衬垫；
[0011]2、焊中参数设定及施焊:
[0012]①打底焊工艺参数设定。根据步骤I设定的根部间隙和钝边厚度大小，设定打底焊电弧摇动参数及其配套能量参数，具体范围是:电弧摇动频率0.5?2.0Hz、电弧摇动幅值35?90。、电弧在侧壁停留时间I?200ms、平均焊接电流160?220A、平均电弧电压20?26V、焊接速度7?13.5cm/min ；
[0013]②U形坡口根部打底焊接。将折弯导电杆弯向平位置待焊U形坡口的正后方，并将保护气体充入U形坡口内，在U形坡口背面衬垫的支撑下，按照步骤①中设定的打底焊电弧摇动参数及其配套能量参数进行打底焊接；
[0014]③U形坡口中部填充焊接。根据步骤I设定的U形坡口间隙设定焊接电弧摇动参数及电弧能量参数为:电弧摇动频率2.1?3.5Hz、电弧摇动幅值50?180°、电弧在侧壁停留时间40?99ms、平均焊接电流260?330A、平均电弧电压26.5?3IV，将折弯导电杆弯向平位置待焊U形坡口的正前方或正后方，并将保护气体充入U形坡口内，使焊炬整体以焊接速度20?26cm/min向前移动，完成填充焊接；
[0015]④U形坡口顶部盖面焊接。根据步骤I设定的U形坡口间隙设定焊接电弧摇动参数及电弧能量参数为:电弧摇动频率0.5?2.0Hz、电弧摇动幅值30?59°、电弧在侧壁停留时间I?99ms、平均焊接电流240?280A、平均电弧电压26.5?30V，将折弯导电杆弯向平位置待焊U形坡口的正前方或正后方，并将保护气体充入U形坡口内，使焊炬整体以焊接速度15.5?24cm/min向前移动，形成完整的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形平焊接头。
[0016]其中，步骤I所述坡口间隙以及步骤2施焊时所述保护气体充入方式的设定方法是，当工件板厚T ( 30mm时，坡口间隙为8?12mm，并采用套筒形喷嘴向U形坡口内充入保护气体；当工件板厚T > 30mm时，坡口间隙为12?16mm，并且打底焊时采用伸入型扁平喷嘴向U形坡口内充入保护气体，中部填充焊及顶部盖面焊时采用套筒形喷嘴向U形坡口内充入保护气体。
[0017]步骤I所述的根部间隙与所述的U形坡口背面设置成形槽的宽度选配关系为:当根部间隙为4?6.5mm时,选配成形槽宽度为8?IOmm的衬垫；当根部间隙大于6.5mm时，选配成形槽宽度为12?14_的衬垫。
[0018]上述所述的根部间隙优选为6?7.5mm,所述的钝边厚度优选为0.5?1.5mm ;所述的打底焊电弧摇动参数及电弧能量参数的优选范围是:电弧摇动频率1.0?1.8Hz、电弧摇动幅值60?85°、电弧在侧壁停留时间30?150ms、平均焊接电流170?200A、平均电弧电压21?24V、焊接速度8?11.5cm/min。
[0019]上述所述的保护气体可以采用惰性气体(主要是Ar或He)或是活性气体(主要是 CO2 或 C02+Ar)。
[0020]与现有技术相比，本发明所述的一种摇动电弧窄间隙单面焊双面成形焊接方法具有以下优点:
[0021](I)选配不同的折弯导电杆，调节电弧的摇动频率、摇动幅值、侧壁停留时间，可实现坡口间隙8?16mm、根部间隙4?8mm、厚度大于20mm、屈服强度大于400MPa的高强钢底层焊缝的窄间隙熔化极气体保护电弧单面焊双面成形，以及8?16mm窄间隙坡口填充和盖面的每层单道多层焊接，适应范围广，实用性强。
[0022](2)与传统带衬垫型单面焊双面成形工艺相比，本发明焊接热输入低(平均热输入在20KJ/cm左右)、接头力学性能好、焊接坡口角度小(单边坡口角度最大为1.5°、最小可为0° )、焊接工作量少，能实现厚板高强钢的单面焊双面成形焊接且焊后无需热处理，其综合技术性能好。
[0023](3)与现有窄间隙单面焊双面成形工艺相比，本发明的坡口形式简单易加工、焊接过程简单且无需更换焊炬、焊接效率高、实施成本低，具有显著的经济优越性，且易于实现工程化应用推广。
[0024](4)摇动电弧焊接技术的引入使得在坡口打底焊时，电弧指向性好且受控性强，可保证单面焊双面成形工艺的根部焊缝完全熔透，而不出现未焊透缺陷。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形的焊接方法原理图。
[0026]图2是不同根部间隙时摇动电弧窄间隙单面焊双面成形平焊焊缝背面宏观照片；其中，图2(a)为根部间隙g = 4mm时的焊缝背面宏观照片；图2(13)为根部间隙g = 6mm时的焊缝背面宏观照片；图2 (c)为根部间隙g = 7mm时的焊缝背面宏观照片；图2 (d)为根部间隙g = 8mm时的焊缝背面宏观照片。
[0027]图3是20_板厚普通强度钢材的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形焊接接头宏观照片；其中，图3(a)为工件坡口间隙G = 8_是的接头宏观照片，图3(b)为工件坡口间隙G = IOmm是的接头宏观照片，图3(c)为工件坡口间隙G = 12mm是的接头宏观照片。
[0028]图4是50mm板厚高强钢的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形焊接接头宏观照片；其中，图4(a)为工件坡口间隙G = 12mm是的接头宏观照片，图4(b)为工件坡口间隙G =14mm是的接头宏观照片，图4(c)为工件坡口间隙G = 16mm是的接头宏观照片。
[0029]图1中:1 一送丝滚轮；2—焊丝；3—馈电及驱动控制部件；4一折弯导电杆；5—导电嘴；6—保护气体；7—坡口 ；8 —电弧；9一衬垫；10—成形槽；11 一往复式圆弧形摇动轨迹；VW—焊接速度山一钝边厚度；T一工件板厚；g—根部间隙；G—坡口间隙。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0031]本发明的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形的焊接方法的技术原理是:采用电弧摇动技术在待焊的厚板高强钢工件窄间隙坡口内产生电弧，通过调节电弧的摇动频率、摇动幅值、侧壁停留时间，将电弧热量均匀地传送到坡口侧壁上并充分搅动熔池，依靠工件背面衬垫的支撑，实现厚板高强钢工件底层焊缝的单面焊双面成形，最终获得全熔透、力学性能优越的窄间隙高强钢焊接接头。
[0032]如图1所示，为本发明的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形的焊接方法原理图，如图所示，用金属厚板工件拼装成坡口间隙G为8?16mm,根部间隙g为4?8mm,钝边厚度
?2_的平位置待焊U形坡口 7，并在坡口 7背面设置带有合适成形槽10的衬垫9。所用焊炬主要由馈电及驱动控制部件3、折弯导电杆4、导电嘴5及附属喷嘴机构组成，其中折弯导电杆4 一端与导电嘴5相接，另一端与馈电及驱动控制部件3的下端固连。由送丝机I送出的焊丝2从焊炬上方进入内部，依次穿过馈电及驱动控制部件3、折弯导电杆4和导电嘴5的中心孔后，在平位置工件坡口 7内产生电弧8。焊接电流从馈电及驱动控制部件3引入，流经折弯导电杆4和导电嘴5后，流入电弧8。往复式圆弧形摇动轨迹11是电弧8相对于焊炬的圆弧运动轨迹，其中点也是焊丝2的摇动轨迹中点。保护气体6可以采用惰性气体(主要是Ar或He)或是活性气体(主要是CO2或C02+Ar)，其从焊炬上的附属喷嘴机构流出后充入平位置待焊U形坡口 7内，为焊接电弧8及焊接区域提供有效保护。
[0033]焊前，将摇动电弧窄间隙焊炬放于平位置待焊工件坡口 7中心的正上方，通过馈电及驱动控制部件3带动折弯导电杆4转动，利用馈电及驱动控制部件3内部的光电开关进行定位检测，使折弯导电杆4弯向待焊坡口 7中心的正前方或正后方(打底焊时，折弯导电杆4弯向平位置待焊坡口 7的正后方，而填充与盖面焊时，折弯导电杆4可弯向平位置待焊坡口 7的正前方或正后方)，实现焊丝2的摇动轨迹中点的焊前自动定位，此时导电嘴5的中心线与焊炬中心轴线处于同一个竖直平面内。
[0034]然后，根据平位置工件待焊U形坡口 7的未焊深度(小于等于工件板厚T)、坡口间隙G、根部间隙g以及钝边厚度h，选择保护气体6的充入方式，并设定电弧摇动参数(电弧摇动频率、摇动幅值、侧壁停留时间)与电弧能量参数(焊接电流、焊接电压、焊接速度)。保护气体6有两种充入方式，当待焊U形坡口 7的未焊深度< 30_时，优先选用外置式喷嘴向U形坡口 7内充入保护气体6 ;而当待焊U形坡口 7的未焊深度>30_时，U形坡口 7打底焊采用伸入式喷嘴向U形坡口 7内充入保护气体6，U形坡口 7中部填充焊及顶部盖面焊接采用外置式喷嘴向U形坡口 7内充入保护气体6。
[0035]电弧摇动参数与电弧能量参数选定范围因焊接层次不同有所区别，分为打底焊缝焊接参数范围:电弧摇动频率0.5?2.0Hz、电弧摇动幅值35?90°、电弧在侧壁停留时间I~200ms、平均焊接电流160~220A、平均电弧电压20~26V、焊接速度Vw7~13.5cm/min，填充焊缝焊接参数范围:电弧摇动频率2.1~3.5Hz、电弧摇动幅值50~180°、电弧在侧壁停留时间40~99ms、平均焊接电流260~330A、平均电弧电压26.5~3IV、焊接速度Vw20~26cm/min，盖面焊缝焊接参数范围:电弧摇动频率0.5~2.0Hz、电弧摇动幅值30~59°、电弧在侧壁停留时间I~99ms、平均焊接电流240~280A、平均电弧电压26.5~30V、焊接速度Vw15.5~24cm/min。
[0036]焊接过程正式开始后，先引燃电弧8，然后行走拖动装置带动焊炬整体以Vw的焊接速度沿焊接方向从U形坡口 7—端向另一端移动。同时，受馈电及驱动控制部件3的直接驱动作用，折弯导电杆4与导电嘴5 —起绕焊炬中心轴线往复运动，带动焊丝2端部的电弧8在待焊U形坡口 7内作相对于焊炬的、关于摇动轨迹中点对称的往复式圆弧形摇动轨迹11运动。在工件背面衬垫9的支撑作用下，以每层单道多层施焊方式，实现摇动电弧窄间隙单面焊双面成形自动焊接。
[0037]本发明摇动电弧窄间隙单面焊双面成形的焊接方法实施过程中，工件U形坡口 7的坡口间隙G、根部间隙g及钝边厚度h分别可在8~16mm、4~8mm及O~2mm范围内变化，选用的各个焊接参数之间并非孤立，而是存在相互配合关系。实际应用时，为保证焊缝填充量基本不变，需根据上述U形坡口 7的条件一一对应设定焊接工艺参数，才能实现摇动电弧窄间隙单面焊双面成形焊接。具体电弧摇动参数与电弧能量参数的选配原则是:根部间隙g越大，选用的打底焊电弧摇动频率、电弧摇动幅值和成形槽10宽度越大、焊接速度Vw越慢；根部间隙g越小，选用的打底焊电弧摇动频率、电弧摇动幅值和成形槽10宽度越小、焊接速度\越快；钝边厚度^越大，选用的打底焊接平均电流和平均电压越大、电弧在侧壁停留时间越长；钝边厚度h越小，选用的打底焊接平均电流和平均电压越小、电弧在侧壁停留时间越短；坡口间隙G越大，选用的填充焊和盖面焊电弧摇动频率越小、电弧摇动幅值越大、电弧在侧壁停留时间越长，平均焊接电流和平均焊接电压越大，焊接速度Vw越慢；坡口间隙G越小，选用的填充焊和盖面焊电弧摇动频率越大、电弧摇动幅值越小、电弧在侧壁停留时间越短，平均焊接电流和平均焊接电压越小，焊接速度Vw越快。
[0038]采用本发明进行厚板高强钢的窄间隙单面焊双面成形焊接，要求打底焊过程中折弯导电杆4弯向待焊U形坡口 7的正后方(相对焊接方向)，使电弧8能够被待焊U形坡口 7内形成的焊接熔池托住而不与衬垫9接触，防止电弧8熄灭。接着，在填充焊以及最后的盖面焊参数的控制下，窄间隙U形坡口 7从底部开始向上被一层一层的焊缝堆积，且每一层焊缝的堆积均只需一次焊接即可，最终获得厚板高强钢的单面焊双面成形焊接接头。由于摇动电弧窄间隙单面焊双面成形焊接方法实施过程中，电弧I处在一种周期性的摇动状态，熔池受到充分搅动，同时电弧热分布因电弧8这种特定的运动轨迹11而改变，增加了厚板高强钢的窄间隙U形坡口 7侧壁熔透能力，避免其焊缝金属因过热而出现晶粒长大现象，确保获得闻质量的厚板闻强钢焊接接头。
[0039]上述实现折弯导电杆4在待焊U形坡口 7中的弯曲朝向改变有两种途径:第一种是通过改变折弯导电杆4在焊炬上的装配方向来调整折弯导电杆4在U形坡口 7中的弯曲朝向；第二种是通过改变焊接速度Vw的方向来调整折弯导电杆4在U形坡口 7中的弯曲朝向。
[0040] 下面分别提供本发明摇动电弧窄间隙单面焊双面成形的焊接方法在平位置厚板打底焊，以及填充与盖面焊方面的应用实施例，具体说明在不同坡口 7外形尺寸时摇动电弧窄间隙单面焊双面成形的焊接方法的参数选择。所有实施例均在保护气体6流量为40L/min，焊炬高度为20_以及折弯导电杆4的折弯角为8°的前提下实现。
[0041]实施例1
[0042]图2所示为坡口间隙G = 12_，不同根部间隙g时打底焊后的背面焊缝成形，其中，图2(a)为根部间隙g = 4mm时的背面焊缝成形,此时钝边厚度h = 2_、衬垫9成形槽10宽度为8mm，对应打底焊设定的电弧摇动频率为0.5Hz、电弧摇动幅值为35°、电弧在侧壁停留时间为200ms、平均焊接电流为220A、平均电弧电压为26V、焊接速度Vw为13.5cm/min ;图2 (b)为根部间隙g = 6mm时的背面焊缝成形,此时钝边厚度h = 1.5_、衬垫9成形槽10宽度为10mm，对应打底焊设定的电弧摇动频率为1.0Hz、电弧摇动幅值为66°、电弧在侧壁停留时间为150ms、平均焊接电流为200A、平均电弧电压为24V、焊接速度VwS 10.5cm/min;图2(c)为根部间隙g = 7mm时的背面焊缝成形,此时钝边厚度h = 1mm、衬垫9成形槽10宽度为12mm，对应打底焊设定的电弧摇动频率为1.5Hz、电弧摇动幅值为76°、电弧在侧壁停留时间为100ms、平均焊接电流为180A、平均电弧电压为22V、焊接速度Vw为9.5cm/min ;图2(d)为根部间隙g = 8mm时的背面焊缝成形,此时钝边厚度h = 0mm、衬垫9成形槽10宽度为14mm，对应打底焊设定的电弧摇动频率为2.0Hz、电弧摇动幅值为90°、电弧在侧壁停留时间为1ms、平均焊接电流为160A、平均电弧电压为20V、焊接速度VwS 7cm/min。
[0043]上述四种背面焊缝成形都是用20mm厚的常用钢材作为试验板材，在纯CO2气体作为电弧8及焊接区域的保护气体6的条件下进行摇动电弧窄间隙单面焊双面成形试验获得的。从图2中可看出，在四种不同根部间隙g条件下，通过改变电弧8摇动参数与能力参数，均可获得完全熔透的焊缝背面成形，其中以根部间隙g = 7mm时的背面焊缝成形质量最佳，焊缝到母材的过渡圆滑，形成一定的余高且表面成形美观，因而可作为摇动电弧窄间隙单面焊双面成形平位置打底焊的优先选用方案。
[0044]实施例2
[0045]图3所示为20mm板厚普通强度钢材在不同坡口间隙G时的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形焊接接头宏观照片，本实施例中所用试验板材的屈服强度均达到355MPa，保护气体6都为纯CO2气体。
[0046]其中，图3(a)为坡口间隙G = 8_时的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形焊接接头宏观照片，此时根部间隙g = 6mm、钝边厚度= 1mm、衬垫9成形槽10宽度为IOmm,相应的打底焊设定的电弧摇动频率为1.0Hz,电弧摇动幅值为66°、电弧在侧壁停留时间为150ms、平均焊接电流为180A、平均电弧电压为22V、焊接速度Vw为9.5cm/min ;填充焊设定的电弧摇动频率为3.5Hz、电弧摇动幅值为50°、电弧在侧壁停留时间为40ms、平均焊接电流为260A、平均电弧电压为26.5V、焊接速度VwS 26cm/min ;盖面焊设定的电弧摇动频率为
2.0Hz、电弧摇动幅值为30°、电弧在侧壁停留时间为1ms、平均焊接电流为240A、平均电弧电压为26.5V、焊接速度Vw为24cm/min。
[0047]图3(b)为坡口间隙G = IOmm时的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形焊接接头宏观照片，此时根部间隙g = 7mm、钝边厚度= 1mm、衬垫9成形槽10宽度为12mm,相应的打底焊设定的电弧摇动频率为1.5Hz、电弧摇动幅值为76。、电弧在侧壁停留时间为100ms、平均焊接电流为180A、平均电弧电压为22V、焊接速度Vw为9.5cm/min ;填充焊设定的电弧摇动频率为3.2Hz、电弧摇动幅值为60°、电弧在侧壁停留时间为60ms、平均焊接电流为270A、平均电弧电压为28V、焊接速度Vw为24.5cm/min ;盖面焊设定的电弧摇动频率为1.5Hz、电弧摇动幅值为45°、电弧在侧壁停留时间为40ms、平均焊接电流为250A、平均电弧电压为26V、焊接速度Vw为22cm/min。
[0048]图3(c)为坡口间隙G = 12mm时的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形焊接接头宏观照片，此时根部间隙g = 7mm、钝边厚度= 1mm、衬垫9成形槽10宽度为14mm,相应的打底焊设定的电弧摇动频率为1.5Hz、电弧摇动幅值为76。、电弧在侧壁停留时间为100ms、平均焊接电流为180A、平均电弧电压为22V、焊接速度Vw为9.5cm/min ;填充焊设定的电弧摇动频率为2.8Hz、电弧摇动幅值为70°、电弧在侧壁停留时间为75ms、平均焊接电流为280A、平均电弧电压为29V、焊接速度VwS 23cm/min ;盖面焊设定的电弧摇动频率为1.0Hz、电弧摇动幅值为45°、电弧在侧壁停留时间为60ms、平均焊接电流为260A、平均电弧电压为27V、焊接速度Vw为20cm/min。
[0049]从图3中可看出，在3种不同坡口间隙G条件下，利用摇动电弧窄间隙单面焊双面成形工艺均可获得良好的焊缝成形，其中坡口间隙G = 8mm与G = IOmm时的工件在焊接4层后填满焊缝，坡口间隙G = 12mm的工件坡口也只需焊接5层即可填满。
[0050]实施例3
[0051]图4所示为50mm板厚高强钢在不同坡口间隙G时的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形焊接接头宏观照片，本实施例中试验板材均的屈服强度均达到690MPa，其坡口 7统一设计为根部间隙g = 7mm、钝边厚度h = Imm,且都使用成形槽10宽度为14mm的衬垫9,保护气体6是成分为Ar80% +CO2的混合气体。
[0052]其中，图4(a)为坡 口间隙G= 12_时的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形焊接接头宏观照片，相应的打底焊设定的电弧摇动频率为1.5Hz、电弧摇动幅值为76。、电弧在侧壁停留时间为100ms、平均焊接电流为180A、平均电弧电压为22V、焊接速度VwS 9.5cm/min ;填充焊设定的电弧摇动频率为2.8Hz、电弧摇动幅值为70°、电弧在侧壁停留时间为75ms、平均焊接电流为280A、平均电弧电压为29V、焊接速度Vw为23cm/min ;盖面焊设定的电弧摇动频率为1.0Hz、电弧摇动幅值为45°、电弧在侧壁停留时间为60ms、平均焊接电流为260A、平均电弧电压为27V、焊接速度Vw为20cm/min。
[0053]图4(b)为坡口间隙G = 14mm时的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形焊接接头宏观照片，相应的打底焊设定的电弧摇动频率为1.5Hz、电弧摇动幅值为76。、电弧在侧壁停留时间为100ms、平均焊接电流为180A、平均电弧电压为22V、焊接速度Vw为9.5cm/min ;填充焊设定的电弧摇动频率为2.5Hz、电弧摇动幅值为112°、电弧在侧壁停留时间为85ms、平均焊接电流为290A、平均电弧电压为30V、焊接速度VwS 21.5cm/min ;盖面焊设定的电弧摇动频率为0.78Hz、电弧摇动幅值为50°、电弧在侧壁停留时间为75ms、平均焊接电流为270A、平均电弧电压为28.5V、焊接速度Vw为17.5cm/min。
[0054]图4(c)为坡口间隙G = 16mm时的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形焊接接头宏观照片，相应的打底焊设定的电弧摇动频率为1.5Hz、电弧摇动幅值为76。、电弧在侧壁停留时间为100ms、平均焊接电流为180A、平均电弧电压为22V、焊接速度Vw为9.5cm/min ;填充焊设定的电弧摇动频率为2.1Hz、电弧摇动幅值为180°、电弧在侧壁停留时间为99ms、平均焊接电流为330A、平均电弧电压为31￥、焊接速度￥￥为20(^/1^11 ;盖面焊设定的电弧摇动频率为0.5Hz、电弧摇动幅值为59°、电弧在侧壁停留时间为99ms、平均焊接电流为280A、平均电弧电压为30V、焊接速度Vw为15.5cm/min。
[0055]由图4可看出，利用本发明实现了 3种不同坡口间隙G条件下50_板的窄间隙单面焊双面成形。随着焊接坡口间隙G的增大，接头焊接层数稍有增加，但不明显，其中坡口间隙G = 12mm的接头焊接了 11层，坡口间隙G = 14mm的接头焊接了 13层，而坡口间隙G=16mm的接头焊接了 15层。
[0056]从上述3个实施例可知，不同工件厚度T不同U形坡口条件下，摇动电弧窄间隙单面焊双面成形平位置焊缝成形均良好，因而该方法的实用性强。另外，由于此发明实施坡口间隙G小，焊接工时缩短，焊接效率提高，焊接成本降低，很容易实现工程实用化推广。
【权利要求】
1.一种摇动电弧窄间隙单面焊双面成形的焊接方法，其特征在于包括如下具体步骤: (1)焊前准备:在待焊金属厚板工件上开设坡口间隙(G)为8~16_、根部间隙(g)为.4~8mm、钝边厚度U1)为O~2mm的平位置U形坡口(7)，并在U形坡口(7)背面设置成形槽(10)宽度为8~14mm的衬垫(9)； (2)焊中参数设定及 施焊: ①打底焊工艺参数设定，根据步骤(1)设定的根部间隙(g)和钝边厚度U1)大小，设定打底焊电弧摇动参数及其配套能量参数，具体范围是:电弧摇动频率0.5~2.0Hz、电弧摇动幅值35~90°、电弧在侧壁停留时间I~200ms、平均焊接电流160~220A、平均电弧电压20~26V、焊接速度(Vw) 7~13.5cm/min ； ②U形坡口(7)根部打底焊接，将折弯导电杆弯向平位置待焊U形坡口(7)的正后方，并将保护气体(6)充入U形坡口(7)内，在U形坡口(7)背面衬垫(9)的支撑下，按照步骤①中设定的打底焊电弧摇动参数及其配套能量参数进行打底焊接； ③U形坡口(7)中部填充焊接，根据步骤(1)设定的U形坡口间隙(G)设定焊接电弧摇动参数及电弧能量参数为:电弧摇动频率2.1~3.5Hz、电弧摇动幅值50~180°、电弧在侧壁停留时间40~99ms、平均焊接电流260~330A、平均电弧电压26.5~3IV，将折弯导电杆弯向平位置待焊U形坡口(7)的正前方或正后方，继续将保护气体(6)充入U形坡口(7)内，使焊炬整体以焊接速度(Vw) 20~26cm/min向前移动，完成填充焊接； ④U形坡口(7)顶部盖面焊接，根据步骤(1)设定的U形坡口间隙(G)设定焊接电弧摇动参数及电弧能量参数为:电弧摇动频率0.5~2.0Hz、电弧摇动幅值30~59°、电弧在侧壁停留时间I~99ms、平均焊接电流240~280A、平均电弧电压26.5~30V，将折弯导电杆弯向平位置待焊U形坡口(7)的正前方或正后方，继续将保护气体(6)充入U形坡口(7)内，使焊炬整体以焊接速度(Vw) 15.5~24cm/min向前移动，形成完整的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形平焊接头。
2.根据权利要求1所述的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形的焊接方法，其特征在于:步骤(1)所述坡口间隙(G)以及步骤(2)施焊中所述保护气体(6)充入方式的设定方法是，当工件板厚T≤30mm时，坡口间隙(G)为8~12mm，则采用套筒形喷嘴向U形坡口(7)内充入保护气体(6);当工件板厚T > 30mm时，坡口间隙(G)为12~16mm，则打底焊时采用伸入型扁平喷嘴向U形坡口(7)内充入保护气体(6)，中部填充焊及顶部盖面焊时采用套筒形喷嘴向U形坡口(7)内充入保护气体(6)。
3.根据权利要求1所述的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形的焊接方法，其特征在于:步骤(1)所述的根部间隙(g)与所述的U形坡口(7)背面设置成形槽(10)宽度的选配关系为:当根部间隙(g)为4~6.5mm时,选配成形槽(10)宽度为8~IOmm的衬垫(9);当根部间隙(g)大于6.5mm时,选配成形槽(10)宽度为12~14mm的衬垫(9)。
4.根据权利要求1所述的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形的焊接方法，其特征在于:步骤(1)所述的根部间隙(g)优选为6~7.5mm,所述的钝边厚度U1)优选为0.5~1.5mm。
5.根据权利要求1所述的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形的焊接方法，其特征在于:步骤(2)所述的打底焊电弧摇动参数及电弧能量参数的优选范围是:电弧摇动频率1.0~.1.8Hz、电弧摇动幅值60~85°、电弧在侧壁停留时间30~150ms、平均焊接电流170~.200A、平均电弧电压21~24V、焊接速度(Vw)8~11.5cm/min。
6.根据权利要求1或2所述的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形的焊接方法，其特征在于:所述的保护气体(6)为惰性气体或活性气体中的任一种。
7.根据权利要求6所述的摇动电弧窄间隙单面焊双面成形的焊接方法，其特征在于:所述的惰性气体为A r或He中的任一种；所述的活性气体为CO2或C02+Ar中的任一种。
【文档编号】B23K9/235GK104002028SQ201410202063
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月13日 优先权日:2014年5月13日
【发明者】朱杰, 杨茂森, 王加友, 马敏 申请人:江苏科技大学