一种钢箱柱半自动无衬垫熔透焊接工艺的制作方法

本发明涉及焊接工艺领域，具体是一种钢箱柱半自动无衬垫熔透焊接工艺。

背景技术：

钢箱柱是一种重型钢结构，主要由两块大型腹板和两块翼板相互垂直拼装而成，广泛应用于高层钢结构建筑方面。随着钢结构内部质量要求不断的提高，传统焊接方法在生产效率与质量控制方面已成为制作钢箱柱等重型钢结构发展的瓶颈，主要体现在：

1、传统焊接工艺中，腹板与翼板主焊道熔透缝必须贴钢衬垫才能焊接，这种焊接方式的单面焊接只能单面成型，超声波检测焊缝根部容易出现未焊透等质量问题，时常需要返工检修；

2、传统钢箱柱焊接的组装方式，通过人工组装的方式，在第一块腹板安装后，在腹板的两侧加装衬垫，两块翼板一前一后依靠衬垫分别进行焊接组装，待翼板安装完成后，再通过在翼板上部加装衬垫完成另一块腹板的焊接安装，此工艺组装速度慢、效率低下，而且组装精度也较低，一次性超声波检测合格率也较低；

3、传统的手工焊接质量好坏很大程度上依靠焊工操作技术的娴熟程度，这样一来，容易导致焊接质量的不稳定。

技术实现要素：

为了解决传统焊接工艺中存在的焊接效率低下、质量不稳定等问题，本发明提供一种装配精度高、超声波探伤合格率高、焊接效率高且焊接质量稳定的钢箱柱半自动无衬垫熔透焊接工艺。

本发明的具体方案为：一种钢箱柱半自动无衬垫熔透焊接工艺，所述钢箱柱为由两块腹板和翼板相互垂直焊接组成的框形结构，该框形结构的焊接工艺至少包括焊接前坡口制备步骤、焊接前装配步骤、主焊缝焊接步骤，主要为：

焊接前坡口制备步骤，在腹板两侧端部对称制备两个不含钝边的坡口面A，在翼板两侧端部对称制备两个坡口面B，坡口面A与坡口面B通过垂直角接后组成一V型坡口， 其中，坡口面A与腹板左右两侧侧壁的夹角为α，坡口面B与翼板上下板面的夹角为β；

焊接前装配步骤，将其中一块腹板平放在水平膜台上，并在该腹板上画线定位拼装至少两道工艺隔板，所述工艺隔板的四个顶角均开有弯曲半径为35mm的弧形凹口；采用工装膜台夹具将两块翼板夹紧在工艺隔板两侧；定位焊工艺隔板；将另一块腹板拼装在两块翼板之间的工艺隔板上方；

主焊缝焊接步骤，在腹板上平铺焊接小车移动轨道，采用直流反极性接法连接焊接电源；将焊丝伸出长度设置为10mm，并将焊丝端部切成斜坡状，进行引弧；电弧引燃后，调整焊丝伸出长度，采用CO2气体保护焊接方式完成坡口正面打底，采用埋弧焊接方式完成数道填充及盖面焊接。

本发明中所述的V型坡口采用火焰切割制备，V型坡口表面采用角磨机去除火焰切割氧化层。

本发明中，所述腹板与翼板的厚度相同，当厚度≤30mm时，α为30°，β为20°；当30mm＜厚度≤50mm时，α为25°，β为15°；当50mm＜厚度≤100mm时，α为20°，β为10°。

本发明中，腹板与翼板装配后，V型坡口的根部间隙为2-3mm。

本发明中，相邻两道工艺隔板之间的间距为3m,当腹板的长度≤3m时，在腹板的首尾两端各拼装一块工艺隔板。

本发明所述的工装膜台夹具包括水平膜台、布置在水平膜台上位于钢箱柱两侧且与腹板平行的两条轨道，在两条轨道上对称安装有若干个水平顶推装置，所述水平顶推装置具有水平液压千斤顶，水平液压千斤顶的缸体连接有一螺纹升降装置。

本发明中，在打底、填充和盖面焊接过程中，焊枪沿焊道坡口正面根部运行，焊丝直径为1.2mm、焊丝伸出长度为20-25mm、焊枪角度为70-80°、横向摆动角度为6-10°、横向摆动停顿时间为1秒，其中打底焊接的电流为90-110A、电弧电压为18-20V、CO₂气体流量为15L/min，填充和盖面焊接的电流为230-250A、电弧电压为24-26V。

本发明中，电弧引燃后，焊丝的伸出速度为2-5mm/s。

相比传统的焊接方式，本发明具备的优势在于：

1、通过在腹板上定位拼装工艺隔板、自行设计工装膜台夹具，腹板与翼板直接组装焊接，消除了人工贴钢衬垫工序，在提高箱体组装精度的同时，还大大提高了组装焊接效率；

2、相比传统的单面焊接只能单面成型，本发明采用了特定的坡口和焊接工艺，实现了单面焊接双面成型，提高了工效、节省了原材料和降低了生产成本；

3、通过将焊接小车的焊枪角度、运条速度、走向、横向自动摆幅等变量进行参数化处理，获得了稳定的焊接内部质量，提高了焊缝表面成型、余高及盖面高度的控制精度，连续焊接效率高，热变形小；同时参数化处理还有效避免了手工焊接质量不稳定的缺点；

4、本发明大大提高了钢箱柱生产效率，据统计，钢箱柱从传统的400吨/月提高到了当前的850吨/月，同时一次性超声波探伤合格率由85%提高到99.8%。

附图说明

图1为本发明中腹板与翼板坡口制备示意图；

图2为本发明中钢箱柱装配示意图；

图3为本发明中工装膜台夹具示意图；

图4为本发明中水平顶推装置示意图；

图5为本发明中焊枪与焊件坡口夹角正视图；

图6为本发明中焊枪与焊件坡口夹角侧视图。

图中：1-腹板，2-翼板，3-坡口面A，4-夹角α，5-坡口面B，6-夹角β，7-水平膜台，8-工艺隔板，9-弧形凹口，10- V型坡口，11-根部，12-工字型轨道，13-钢箱柱，14-水平顶推装置，15-工装膜台夹具，16-导向筒，17-凹槽，18-开口，19-垂直导孔，20-丝杆，21-连接杆，22-手轮，23-轴承套，24-转轴，25-轴套，26-螺纹套，27-滑块，28-水平液压千斤顶，29-顶推板，30-液压站，31-焊枪，32-倾斜角度,33-油管。

具体实施方式

实施例1

一种钢箱柱半自动无衬垫熔透焊接工艺，钢箱柱13为由两块腹板1和两块翼板2相互垂直角接而成的框形结构，其中腹板1和翼板2的长度均为3m，厚度均为30mm，该钢箱柱13焊接工艺为：

焊接前坡口制备步骤：采用火焰切割工艺，在腹板1两侧端部对称制备两个不含钝边的坡口面A3，坡口面A3与腹板1左右两侧侧壁的夹角α4为30°，在翼板2两侧端部对称制备两个坡口面B5，坡口面B5与翼板2上下板面的夹角β6为20°，坡口面A3和坡口面B5表面采用角磨机去除火焰切割产生的氧化层；

焊接前装配步骤：将其中一块腹板1平放在水平膜台7上，并在该腹板1上首尾两端拼装两道工艺隔板8并使用定位焊初步固定，为了获得焊接过程中最佳的应力消除效果，在工艺隔板8的四个顶角均开有弯曲半径为35mm的弧形凹口9；采用工装膜台夹具15将两块翼板2对称夹紧在工艺隔板8两侧，并使用定位焊将翼板2与工艺隔板8初步固定；将另一块腹板1拼装在两块翼板2之间的工艺隔板8上方；腹板1与翼板2组装完成后，坡口面A3与坡口面B5角接组成V型坡口10，V型坡口10的根部11间隙为2mm；

焊接前装配步骤中，工装膜台夹具15包括水平膜台7、布置在水平膜台7上的两条工字型轨道12，两条工字型轨道12轨道位于钢箱柱13两侧且均与腹板1平行，在两条工字型轨道12上对称安装有四个水平顶推装置14（每条轨道上安装两个水平顶推装置14），水平顶推装置14具有导向筒16，导向筒16底部设有与工字型轨道12匹配的凹槽17，导向筒16通过凹槽17滑动卡合在工字型轨道12上，并可以沿着工字型轨道12自由滑动；导向筒16的顶部设有开口18、筒身的一侧沿筒身长度方向开有垂直导孔19，在导向筒16内部装有丝杆20，丝杆20顶部焊接有连接杆21，连接杆21伸出导向筒16顶部的开口18连接有手轮22，在连接杆21与导向筒16开口之间装有轴承套23，在丝杆20底部设有转轴24，转轴24安装在导向筒16内部的轴套25内，在丝杆20的中间部位配合套装有螺纹套26，螺纹套26面向垂直导孔19的一侧焊接有滑块27，滑块27的一侧伸出垂直导孔19焊接有水平液压千斤顶28，水平液压千斤顶28的前端上装有顶推板29，水平液压千斤顶28通过油管33还连接有液压站30。

本实施例中，工装膜台夹具的运行原理为，为适应不同尺寸的钢箱柱13，通过推动水平顶推装置14，可实现水平顶推装置14沿着工字型轨道12位移，从而调整水平顶推装置14在水平膜台7台面上的位置；通过转动手轮22，带动丝杆20转动，实现螺纹套26在丝杆20上做升降运动，从而调整水平液压千斤顶28在水平膜台7垂直方向上的位置；

主焊缝焊接步骤：在腹板1上沿着焊道平铺焊接小车移动轨道，焊接小车安装在移动轨道上，并采用直流反极性接法连接焊接电源（即焊枪31接电源正极、焊接工件接电源负极）；在主焊缝焊接前，选择直径为1.2mm的表面干净整洁、无折丝、无锈蚀的焊丝，同时，为防止焊丝伸出长度过长、产生的电阻热过大引起焊丝爆断，将焊丝伸出长度设置为10mm，并进行引弧，此外，为防止引弧时因短路电压较低引起飞溅，需将焊丝端部切成斜坡状；

电弧引燃后，以2mm/s的速度将焊丝的伸出长度调整为20mm，并对主焊缝（V型坡口10）依次进行一次正面打底焊接、两次填充焊接和一次盖面焊接，在打底、填充和盖面焊接过程中，焊枪31以70°倾斜角度32沿V型坡口10根部11正面运行，运行期间，为达到最佳的焊接效果，焊枪31作横向摆动角度为10°的Z字型运动，并每当到达V型坡口10两侧坡口面时停顿1秒，在上述过程中，打底焊接采选用纯度在99.5%以上的CO₂气体以15L/min的流量进行气体保护焊接，焊接电流为90A、电弧电压为18V；填充和盖面采用埋弧焊接，焊接电流为230A、电弧电压为24V；

在主焊缝焊接步骤中，上述打底、填充和盖面焊接方式的焊接参数可提前设置到焊接小车中，焊接小车按照设置的焊接参数，对主焊缝进行自动焊接，以避免人工焊接存在的焊接质量不稳定的缺陷。

实施例2

一种钢箱柱半自动无衬垫熔透焊接工艺，钢箱柱13为由两块腹板1和两块翼板2相互垂直角接而成的框形结构，其中腹板1和翼板2的长度均为10m，厚度均为50mm，该钢箱柱13焊接工艺为：

焊接前坡口制备步骤：采用火焰切割工艺，在腹板1两侧端部对称制备两个不含钝边的坡口面A3，坡口面A3与腹板1左右两侧侧壁的夹角α4为25°，在翼板2两侧端部对称制备两个坡口面B5，坡口面B5与翼板2上下板面的夹角β6为15°，坡口面A3和坡口面B5表面采用角磨机去除火焰切割产生的氧化层；

焊接前装配步骤：将其中一块腹板1平放在水平膜台7上，在腹板1上每隔3m画一条工艺隔板8定位线（一共三条定位线），并沿着定位线在腹板1上拼装三块工艺隔板8（工艺隔板8间距大于三米时，钢箱柱13强度达不到要求，工艺隔板8间距小于三米时，太过密集，造成材料的浪费），为了获得焊接过程中最佳的应力消除效果，在工艺隔板8的四个顶角均开有弯曲半径为35mm的弧形凹口9；采用工装膜台夹具15将两块翼板2对称夹紧在工艺隔板8两侧，并使用定位焊将翼板2与工艺隔板8初步固定；将另一块腹板1拼装在两块翼板2之间的工艺隔板8上方；腹板1与翼板2组装完成后，坡口面A3与坡口面B5角接组成V型坡口10，V型坡口10的根部11间隙为2.5mm；

焊接前装配步骤中，工装膜台夹具15结构和运行原理与实施例1中相同；

主焊缝焊接步骤：在腹板上沿着焊道平铺焊接小车移动轨道，焊接小车安装在移动轨道上，并采用直流反极性接法连接焊接电源（即焊枪31接电源正极、焊接工件接电源负极）；在主焊缝焊接前，选择直径为1.2mm的表面干净整洁、无折丝、无锈蚀的焊丝，同时，为防止焊丝伸出长度过长、产生的电阻热过大引起焊丝爆断，将焊丝伸出长度设置为10mm，并进行引弧，此外，为防止引弧时因短路电压较低引起飞溅，需将焊丝端部切成斜坡状；

电弧引燃后，以3mm/s的速度将焊丝的伸出长度调整为22mm，并对主焊缝（V型坡口10）依次进行一次正面打底焊接、三次填充焊接和一次盖面焊接，在打底、填充和盖面焊接过程中，焊枪31以75°倾斜角度32沿V型坡口10根部11正面运行，运行期间，为达到最佳的焊接效果，焊枪31作横向摆动角度为8°的Z字型运动，并每当到达V型坡口10两侧坡口面时停顿1秒，在上述过程中，打底焊接采选用纯度在99.5%以上的CO₂气体以15L/min的流量进行气体保护焊接，焊接电流为100A、电弧电压为19V；填充和盖面采用埋弧焊接，焊接电流为240A、电弧电压为25V；

在主焊缝焊接步骤中，上述打底、填充和盖面焊接方式的焊接参数可提前设置到焊接小车中，焊接小车按照设置的焊接参数，对主焊缝进行自动焊接，以避免人工焊接存在的焊接质量不稳定的缺陷。

实施例3

一种钢箱柱半自动无衬垫熔透焊接工艺，钢箱柱13为由两块腹板1和两块翼板2相互垂直角接而成的框形结构，其中腹板1和翼板2的长度均为18m，厚度均为80mm，该钢箱柱13焊接工艺为：

焊接前坡口制备步骤：采用火焰切割工艺，在腹板1两侧端部对称制备两个不含钝边的坡口面A3，坡口面A3与腹板1左右两侧侧壁的夹角α4为20°，在翼板2两侧端部对称制备两个坡口面B5，坡口面B5与翼板上下板面的夹角β6为10°，坡口面A3和坡口面B5表面采用角磨机去除火焰切割产生的氧化层；

焊接前装配步骤：将其中一块腹板1平放在水平膜台7上，在腹板上每隔3m画一条工艺隔板8定位线（一共五条定位线），并沿着定位线在腹板1上拼装五块工艺隔板8（工艺隔板8间距大于三米时，钢箱柱13强度达不到要求，工艺隔板8间距小于三米时，太过密集，造成材料的浪费），为了获得焊接过程中最佳的应力消除效果，在工艺隔板8的四个顶角均开有弯曲半径为35mm的弧形凹口9；采用工装膜台夹具15将两块翼板2对称夹紧在工艺隔板8两侧，并使用定位焊将翼板2与工艺隔板8初步固定；将另一块腹板1拼装在两块翼板2之间的工艺隔板8上方；腹板1与翼板2组装完成后，坡口面A3与坡口面B5角接组成V型坡口10，V型坡口10的根部11间隙为3mm；

焊接前装配步骤中，工装膜台夹具15结构和运行原理与实施例1中相同；

主焊缝焊接步骤：在腹板上沿着焊道平铺焊接小车移动轨道，焊接小车安装在移动轨道上，并采用直流反极性接法连接焊接电源（即焊枪31接电源正极、焊接工件接电源负极）；在主焊缝焊接前，选择直径为1.2mm的表面干净整洁、无折丝、无锈蚀的焊丝，同时，为防止焊丝伸出长度过长、产生的电阻热过大引起焊丝爆断，将焊丝伸出长度设置为10mm，并进行引弧，此外，为防止引弧时因短路电压较低引起飞溅，需将焊丝端部切成斜坡状；

电弧引燃后，以5mm/s的速度将焊丝的伸出长度调整为25mm，并对主焊缝（V型坡口10）依次进行一次正面打底焊接、四次填充焊接和一次盖面焊接，在打底、填充和盖面焊接过程中，焊枪以80°倾斜角度32沿V型坡口10根部11正面运行，运行期间，为达到最佳的焊接效果，焊枪31作横向摆动角度为6°的Z字型运动，并每当到达V型坡口10两侧坡口面时停顿1秒，在上述过程中，打底焊接采选用纯度在99.5%以上的CO₂气体以15L/min的流量进行气体保护焊接，焊接电流为110A、电弧电压为20V；填充和盖面采用埋弧焊接，焊接电流为250A、电弧电压为26V；

在主焊缝焊接步骤中，上述打底、填充和盖面焊接方式的焊接参数可提前设置到焊接小车中，焊接小车按照设置的焊接参数，对主焊缝进行自动焊接，以避免人工焊接存在的焊接质量不稳定的缺陷。