专利名称：在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法
技术领域：
本发明涉及在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法。更具体地说，本发明提供了在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法，当按本方法使用多电焊条在最佳焊接状态下进行焊接时，焊接变形减少。
按照现有技术，提供了下述连接钢板的单面焊接法。如图2所示，待焊钢板1，1′彼此对接在一起，在坡口，特别是焊接端部的坡口中提供定位焊缝，其高度与待焊钢板的厚度相同。或者，换一种方式，将厚度与待焊钢板厚度相同的引弧板也定位焊接在焊接端部，从而使焊缝的高度能与钢板的壁厚相同。这样一来，待焊钢板1，1′在焊接前已经充分紧固，从而减少了焊接变形。另一方面，可提供下述方法，即在焊接过程中借助气体燃烧器加热待焊钢板，从而可以控制热过程来减少焊接变形。然而，按照普通的方法，在采用定位焊缝或引弧板情况下待焊钢板受到很高的约束力，而在焊接开始前的准备也成为沉重的负担，以及随后还需要在完成焊接后对焊接钢板进行修理，这样从提高焊接效率的观点看就产生了问题。同样，采用气体燃烧器控制热过程的方法也有缺点，即焊接设备变得庞大，难以提高焊接效率。
按照在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的现有技术，一个主要目的是防止端裂纹的产生，端裂纹是在焊接过程中焊缝末端产生的。安东等人发现端裂纹是在焊接过程中由于焊接变形引起的(焊接学会杂志，Vol.30(1970)No.8，P792)。从那时以后，有许多研究工作是研究焊接过程中引起的应力的分布(佐藤等人日本造船学会杂志，Vol.136(1974)，P441，和藤田等人日本造船学会杂志，Vol.133(1973)，P267)。根据这些研究的结果，为了防止端裂纹的产生，应减少焊接过程中的焊接变形。然而，实现减少焊接变形目的的这种方法限制为如前所述采用定位焊缝或引弧板。
另一方面，神近等人在发表的文献中总结了防止裂纹的方法(日本建筑学会杂志，Vol.10(1974)，No.101，935)。根据神近等人总结的文献，报道了采用定位焊缝和引弧板来防止变形的产生，并进一步报道了采用液压千斤顶约束焊接端部的方法。这些通用技术的目的是用强烈约束待焊钢板的方法减少焊接过程中的焊接变形。按照这种方法要使用气体燃烧器来加热钢板，它不可能将焊接变形减少到能防止端裂纹的产生的程度。
日本特许公告No.53-51153公布了一种方法，用这种方法在待焊钢板的端部的焊接热输入量减少，以及在修理工作过程中供给一定量的焊缝来弥补焊缝缺焊。
最后，报道了一篇研究工作，它对焊接完成后的残余变形行为进行了详细的分析(植田等人日本造船学会杂志，Vol.171(1992)，P335)。按照上述研究，用气体燃烧器进行的局部加热对焊接完成后保留在钢板内的残余变形具有影响。当采用适当的加热方法时，与未加热钢板的情况比较，变形量会减少。
如上所述，普通的技术的目的主要在于约束待焊钢板或者控制气体燃烧器加热的热过程。普通的技术不以连接钢板的单面焊接的焊接状态为目的。由此可见，按照以往的研究，自然增加了焊接过程的沉重负担，而焊接设备也变得庞大。
本发明的目的是减少给焊接准备工作带来的沉重负担，以及减少给焊接设备带来的沉重负担。本发明找出了一种焊接状态，它能减少焊接变形的产生。
本发明的目的是提供在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法，这种方法基于如前所述的焊接状态。
本发明的总结如下，按照本发明提供了(1)一种在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法，其中，待焊的钢板彼此对接在一起，在坡口内形成定位焊缝并固定，以及使用不少于3根电焊条，上述在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法包括下列步骤利用按下列公式(1)计算的输入热量Qi(KJ/mm)以及利用按下列公式(2)计算的参数P来估算焊接过程中产生的变形应力，确定每根电焊条的焊接状态，从而使变形应力能处于允许范围内，公式(1)和(2)如下Qi=Ii×Ei×6÷Vi公式(1)式中，Ii为与焊接方向相反方向的第i根电焊条的电流(A)，Ei为第i根电焊条的电压(V)，Vi为第i根电焊条的焊接速度(cm/min)，p=1HΣi=1n·QiLi+K]]>公式(2)式中Li为由第1根电焊条至第i根电焊条的距离，Li为0，n为电焊条数量，K为正常数，式中H(mm)为对接坡口中定位焊缝的最大高度，而H不超过待焊钢板壁厚的一半。
(2)按第(1)项所述的在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法，其特征在于公式(2)中用于计算参数P的常数K值，选择在由10至150的范围内，以及每根电焊接状态的确定使P值不超过0.14。
(3)一种在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法，其中，待焊钢板彼此对接在一起，在坡口内形成定位焊缝并固定，引弧板被定位焊接和固定在待焊钢板的端部，以及采用不少于3根电焊条，所述在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法包括下列步骤利用上述公式(1)所述的Qi，Li，H和常数K，以及利用下列公式(2)和(3)计算的参数P和Ptab来估算焊接过程中产生的变形应力；以及确定每根电焊条的焊接状态，使变形应力处于允许的范围内，Ptab=1HtΣi=1n·QiLi+K]]>公式(2)式中Li为由第1根电焊条至第i根电焊条的距离，L1为0，n为电焊条数量，K为正常数，H为不超过待焊钢板壁厚的一半，Ptab=1HtΣi=1n·QiLi+K(公式3)]]>式中Li为由第1根电焊条至第i根电焊条的距离，L1为0，n为电焊条数量，K为正常数，以及Ht(mm)为引弧板的厚度，或Ht(mm)为引弧板厚度与引弧板与待焊钢板之间形成的定位焊缝厚度之间的更小的值，并且Ht不超过待焊钢板壁厚的一半。
(4)按第(3)项所述的在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法，其中，公式(2)中的计算参数P和公式(3)中的计算参数Ptab的K值确定在由10至150的范围内，以及确定每根电焊条的焊接状态，使P值不超过0.26和Ptab值不小于0.009。
(5)按第(1)至(4)项之一所述的在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法，它采用多电焊条埋弧焊的焊接状态为每根电焊条的电流不超过2400A；第1和第2根电焊条的电流不小于900A；第3根电焊条和以后电焊条的电流不小于600A；焊接速度不小于60cm/min和不超过200cm/min；以及正面和背面均采用粘接型焊剂。
(6)按第(1)至(5)项之一所述的在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法，它采用了Y形、I形、V形或U型坡口。
(7)按第(1)至(6)项之一所述的在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法，它所用的待焊钢板的拉伸强度不小390MPa和不超过780MPa，以及壁厚不小于8mm和不大于50mm。
下面通过实施例及附图来说明本发明，附图中
图1为显示焊接坡口形状的剖视图。
图2为显示本发明焊接方法的示意图。
图3为沿图2A-A线切取的剖面示意图。
图4为显示参数P与变形量关系的曲线图。
图5(a)和5(b)为变形状态图，(a)图示出在平面上变形的状态，而(b)图示出超出平面变形的状态。
图6为热弹性模型的示意图。
图7(a)至7(e)示出了焊接坡口的形状，其中(a)为Y形坡口，(b)为V形坡口，(c)为I形坡口，(d)为U形坡口，(e)为梯形坡口。
人们普遍认为在连接钢板的单面焊接过程中引起的焊接变形，可以借助气体燃烧器加热待焊钢板或者用引弧板强烈约束它来有效地避免。按照本发明，并不需要加热或紧紧夹住待焊钢板。当焊接状态确定后，可使参数P和Ptab处于预计的范围内，焊接变形得以减少。本发明的目的在于提高焊接过程中的劳动效率以及减少焊接设备带来的负担。
本发明的目的是提供在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法，其中，待焊的钢板彼此对接在一起，在坡口形成并固定着定位焊缝，以及使用不少于3根电焊条，这种在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法包括下列步骤利用按下列公式(1)计算的输入热量Qi(KJ/mm)以及利用按下列公式(2)计算的参数P来估算焊接过程中产生的变形应力；确定每根电焊条的焊接状态，这样变形应力就能处于允许范围内。公式(1)和(2)如下Qi=Ii×Ei×6÷Vi公式(1)式中Ii为与焊接方向相反方向的第i根电焊条的电流(A)，Ei为第i根电焊条的电压(V)，Vi为第i根电焊条的焊接速度(cm/min)，P=1HtΣi=1n·QiLi+K(公式2)]]>式中Li为由第1根电焊条至第i根电焊条的距离，L1为0，n为电焊条数量，K为正常数，式中H(mm)为对接坡口中定位焊缝的最大高度，而H不超过待焊钢板壁厚的一半。
对上述公式(1)和(2)在下面说明。
图6为显示本发明模型的示意图。标号19，20，21和22分别代表第1，2，3和4根电焊条。假设这些电焊条沿着图6由左至右的方向在一个无限平面板上移动。关于座标，以第1电焊条为原点，定出一移动座标(ξ，y)，其速度V与焊接速度相同。虽然图6示出4个电焊条的情况下，下面所作的分析是针对几个电焊条的情况。
在电焊条数量为1的情况下，佐藤等人得出其解(见上述对比文件)，然而，在多个电焊条焊接情况下的解却未得出。在电焊条数量为n的情况下，当考虑到热弹性的线性，则能得出其解。因为作为单面焊接中严重问题的端裂纹的起因，是图5(a)中所给的变形，y轴上的应力σy可用下式说明OY=EaK2πλV{Σi=1nqiζ+Liri2-V2KΣi=1nqiexp(-V(ζ+Li)2K)]]>[KO(Vri2K+ζ+LiriKl(Vri2K)]}]]>……公式(4)式中E杨氏模量α线膨胀系数k热扩散系数λ热传导系数V焊接速度ri{(ξ+Li)2+y2}1/2Li第1与第i电焊条之间的距离(Li=0)
qi单位时间内由第1根电焊条的单位壁厚发射的热量K0和K1第二类0级和1修正的伯塞尔(Bessel)函数考虑着眼于在焊缝前面引起的应力σy，它与端裂纹有强烈的相互关系。如果y=0，则ri=ξ+Li。由于公式(4)中的K0和K1值在焊缝前面相当小，它们可以忽略不计。因为E，α，k和λ为常数，可引导出下面公式。
σy1VΣqiξ+Li]]>公式(5)在实际焊接操作中，热应力受到坡口内定位焊缝的抑制。然而，定位焊缝的高度并不需要等于钢板的壁厚。因此需要评价定位焊缝内引起的应力。当壁厚为A(mm)时，可以获得在y轴方向上作用于单位长度的力，等于壁厚乘以应力，即σy·A当此力被高度为H的定位焊缝所支持时，可以引导出下式，即定位焊缝内的应力为σy′，作用于定位焊缝单位长度的力为σy′·H，可以引导出下式σy·A=σy′·H因此，定位焊缝内的应力σy′可以用下式表达σy′=σy·A/H因为σy与表达式(5)成正比，σy′与公式(5)乘以A/H得出的值成正比。
这时，公式A·qi/V=Qi(焊接工程师所用的热输入，KJ/mm)得到满足。因此，定位焊缝内的应力可用下式表达σy′∝1HΣi=1nQiLi+ξ(公式6)]]>热应力可以用位于熔池前面的一点来代表(ξ=K处的一点)。因此，参数P可用下式确定P=1HΣi=1nQiLi+K]]>在实际的焊接操作中，待焊的基体金属不仅产生弹性变形，也产生塑性变形。而且，在弹性变形范围内，物理量，例如杨氏模量中存在着与温度的相关性。因此，发明者认真地研究过以所获知识为基础的参数P的适合程度。结果，发现该参数P可用作一实际参数。
图4示出了参数P与变形量的关系曲线。换句话说，图4的纵座标表示后面将叙述的一个实例中焊接操作中引起的变形量。因此可以明白，参数P与焊接操作中引起的变形量有着良好的相互关系。如前所述，当P值被抑制在预定的范围内时，变形量可以减少。
按照本发明，引弧板所用的参数Ptab具有与上述定位焊缝相同的关系。引弧板以定位焊缝相同的方式约束待焊钢板。因此可以以相同的方式评价引弧板的功能。
下面更详细地解释本发明。
首先，参数P分解为两项∑Qi/(Li+K)项表示焊接状态对焊接变形量影响的程度。通常，当焊接热输入减少时，焊接变形量趋向于减少。然而，在连接钢板的单面焊接情况下，接合必须在一次焊接操作中完成，所以热输入不能极度减少。在单电焊条焊接和多电焊条焊接时的熔池形状是不同的。因此，即使热输入是相同的，焊接变形特点也是不相同的。所以，为了确定焊接状态来使焊接变形减少，必须采用能表示熔池形状的参数或者能表示电焊条排列的参数。
发明者完全相信存在着上述参数，并致力于其研究。作为研究的结果，已了解到∑Qi/(Li+K)能够作为一个有效的参数使用。由实际使用观点出发，常数K应增加到电焊条之间的距离上去。这就是说，由于L1=0，对第1根电焊条不能计算Q1/L1。所以，常数K增加到电焊条之间的距离上。本发明人发现当把常数K加到电焊条之间的距离上，该参数能付诸实施。
常数K定在一个范围内的理由如下当常数K太小时，参数P大致取决于至第1根电焊条的热输入Q1和H。因而就不能正确地评价第2根和以后的电焊条的影响。这就是为什么K值不能确定在小于10的原因。当常数K太大时，就不能正确地评价电焊条之间距离的影响，也就是说，不能正确地评价电焊条的排列的影响。这就是为什么K值不能确定在大于150的原因。实际是，当常数K确定为50时，能够确定出一焊接状态，来使焊接变形减少。
下面对1/H加以解释。
H在对接坡口内提供的定位焊缝的最大高度。用来找出焊接变形性能与焊接状态之间关系的一个参数可用Qi和Li来说明。然而，当待焊钢板完全不采用定位焊缝时，即在坡口内完全不形成定位焊缝以及待焊钢板也不用引弧板来约束，则待焊钢板就完全不受约束。在这种情况下，甚至采用减少焊接变形量的焊接状态，实际也无法进行焊接。因此，重要的是需要用最少量的定位焊缝来约束钢板。所以，需要找出能表示这一影响的参数。
本发明人也根据上述观点研究了H的影响并得出下列结果当表示焊接状态影响的参数∑Qi/(Li+K)乘以1/H时，即采用公式(2)所示的参数P时，则有可能表示出焊接状态的影响，以及表示出定位焊缝或引弧弧的影响。H为对接坡口内定位焊缝最大高度的理由，是焊缝高度处于最大值的位置可以最大程度地约束焊接变形。所以，最有效的手段是使用最大H值。
下面对参数Ptab加以解释。
将参数P中的H用Ht代替即得出参数Ptab。本发明的目的主要是依靠选择焊接状态来减少焊接变形量。在实际的操作中，引弧板的使用目的不仅在于减少焊接变形量，而且还可达到其它方面的目的。例如，在工业领域内使用引弧板是一种有效的手段用以防止在待焊钢板的焊接端部产生弧坑。在这种情况下，当引弧板被定位焊接在待焊钢板上时，引弧板起到约束待焊钢板的作用。因此，本发明人考虑到待焊钢板的引弧板来约束的这种情况。本发明人的发现如下Ptab是表示引弧板和焊接状态对焊接变形的影响的参数，与参数P的方式相同，参数Ptab表示出引弧板的影响。
下面解释H和Ht的范围受到限制的理由。
为了将参数P和Ptab确定在预定范围内，提供了三种方法。这就是选择适宜的焊接状态法，选择适宜的H和Ht值法，以及同时选择适宜的焊接状态和适宜的H和Ht值法。有一种方法其H和Ht值高于待焊多板壁厚的一半，它与普通方法相同，主要靠坡口内提供的定位焊缝或引弧板约束钢板来减少焊接变形量。本发明的目的是主要靠选择焊接状态来减少焊接变形量。因此，当H和Ht值高于待焊钢板壁厚的一半时，已与本发明的目的相违背。所以，H和Ht值确定在不超过待焊钢板壁厚的一半。
下面解释P和Ptab的范围受到限制的理由。
在对接坡口内形成定位焊缝的情况下，待焊钢板主要靠在对接坡口内形成的定位焊缝约束。按照普通的焊接状态，在上述情况下的P值变得高于0.14。因此，不可能实现焊接变形的减少，除非使用引弧板约束钢板或使用气体燃烧器控制热的函数关系。将参数P的上限确定在0.14的理由是，该值0.14为保证获得与减少焊接变形量的普通方法相同效应的上限值。最好以这种方式确定焊接状态和H，即在K=50时P变得不大于0.04。
在待焊钢板上焊有引弧板的情况下，引弧板的功能是约束待焊钢板。然而，当Ptab值低于0.009时，它与使用引弧板的减少焊接变形的普通方法吻合。这样也与本发明的目的相违背。因此，Ptab的范围确定在不低于0.009。在Ptab处于上述范围的情况下，应以与普通方法相同的方式确定减少焊接变形量用的P的上限，在这种情况下，由于钢板受到引弧板的约束，甚至在P值高于0.14时也能减少焊接变形量。由于这一原因，P的上限确定为0.26。最好以这样方式确定焊接状态和Ht，即在K=50时Ptab不小于0.02，以及P不大于0.08。
下面解释电焊条数量限制为不少于3根的理由。
焊接变形包括下列两个问题一个为平面内变形，另一个为超出平面变形。在连接钢板的焊接情况下，超出平面变形是由于钢板的正面(以后指电焊条一边的钢板表面)与背面(以后指与电焊条相反一边的钢板表面)的热过程不同而引起，当钢板的正面与背面沉积的焊接金属量不同时，也能引起超出平面变形。平面变形的定义为存在于同一平面内的焊接变形。曲型的平面变形示于图5(a)。当焊缝前面的坡口在焊接过程中呈开放形，会形成图5(a)所示的焊接变形。这种焊接变形形成为仿佛待焊钢板围绕焊弧转动。因此，这种焊接变形被称为转动变形。就此而论，端裂纹是由转动变形引起的。
另一方面，超出平面变形是未控制在同一平面内的焊接变形。超出平面变形的典型例子示于图5(b)。当正面的变形量与背面的变形量不同时，就会引起超出平面变形。在图5(b)所示情况下，在待焊钢板上引起了角变形和偏转。
在使用电焊条的数量不超过2根的电焊条连接钢板的焊接操作中，每一根电焊条的热输入增加，则每一根电焊条熔焊金属量也增加。因此，与使用不少于3根电焊条的情况比较，正面焊缝与背面焊缝宽度之差倾向于增大，而焊件的焊缝加厚也倾向于增大。这样一些因素引起超出平面的焊接变形。本发明人发现，甚至将P和Ptab确定在本发明规定的范围内，在这种情况下的电焊条数量不超过2根，虽然减少少了平面焊接变形，但却不能减少超出平面变形。因此，电焊条的数量确定为3根或更多。
下面解释在本发明中焊接状态和焊剂受到限制的理由。
首先，涉及第1和第2根电焊条，它们为前置电焊条。从实际使用的观点出发，非常重要的是用这些前置电焊条形成背面焊缝。为了形成背面焊缝，需要形成一键孔。第1和第2根电焊条的电流确定为不小于900A的原因，是用电弧力形成键孔需要的最小电流为900A。上限电流确定为2400A的原因，是当电流增加超过2400A时，熔池会失去控制，以致不能形成优良的焊缝。
至于第3根和以后的电焊条，它们为后置电焊条，其功能为形成正面焊缝。后置电焊条与前置电焊条不同，没有必要用这些后置电焊条形成背面焊缝(底封焊缝)，也没有必要用这些后置电焊条形成键孔。因此，有可能使用比第1和第2根电焊条低的电流来形成优良的焊缝。第3根和以后的电焊条的上限电流确定为2400A的原因与第1和第2根电焊条的上限电流确定相同。高的焊接速度有利于提高劳动效率。然而，焊接速度太高时，会引起焊接缺陷，例如咬边。焊接速度的上限确定为200cm/min的原因，是焊接速度低于该上限可以防止焊接缺陷，例如咬边的出现。确定下限电流的理由有两点。一个理由如下。由于前置电焊条的电流下限为900A和后置电焊条的电流下限为600A，在焊接速度低于60cm/分的情况下，熔焊金属的量增加过大。另一个理由如下。由于前置电焊条的背面焊缝是用电弧力形成的，甚至在焊接速度增加时，也能形成非常优良的背面时缝。焊接速度的下限确定为60cm/分的理由如上述。焊接速度对焊接热输入有影响。然而，当热输入减少时，参数P也需要减少。因此，实际有效的作法是确定焊接速度的下限。
下面解释正面和背面焊剂受到限制的理由。
焊接变形的产生取决于焊接状态，焊剂的选择与焊接变形无关。按照本发明的焊接状态，第1和第2根电焊条的电流下限为900A和上限为2400A。在用高电流进行焊接的情况下，需要有高耐热性的焊剂。粘接型焊剂具有高的耐热性。因此，本发明局限于使用粘接型焊剂。
下面解释坡口形状受到限制的理由。
从实际使用的观点出发，在连接钢板的单面焊接过程中引起的焊接变形不受坡口形状的影响。然而，为了形成优良的焊缝，必须采用适宜形状的坡口。图7所示的Y形，V形，I形和U形坡口为本发明限定采用的坡口，以保证在连接钢板的单面焊接中获得优良的焊缝。在这种情况下，U形坡口可以不限于图中所示的例子，还可采用改进的U形坡口。在本发明中，坡口形状的限定用于减少焊接变形和提供具有优良形状的焊缝。
下面解释钢板受到限制的理由。
本发明的一个主要目的是减少焊接变形。因此，焊接变形量的减少并不取决于待焊钢板的类型。然而，拉伸强度代于390MPa的钢板不适合于焊接结构，所以，拉伸强度的下限确定为不低于390MPa。将拉伸强度的上限确定为780MPa的理由是，钢板的拉伸强度如果超过780MPa，则在连接钢板的单面焊接过程中焊接部分的韧性有可能恶化。因此，拉伸强度上限值的确定是为了保证焊接部分的可靠性。
至于壁厚，从实际使用的观点出发，只有厚度不小于8mm的钢板才进行单面焊接，所以钢板的壁厚下限确定为8mm。钢板的壁厚上限确定为50mm的理由是，当壁厚不小于50mm的钢板进行单面焊接连接时，每根电焊条的电流增加过大，有可能无法保证良好形状的焊缝。如果壁厚变大，熔焊的金属量就会增加，从而降低了焊接速度和不能有效地进行焊接操作。此外，当大量热输入施加在待焊钢板上时，钢板的韧性恶化。
当焊接状态限制在上述情况时，参数P可能降低，也就是说，焊接变形量减少，能在较高的焊接效率下保证焊接接头具有优良的焊缝形状，这时焊接速度保持在60至200cm/min的范围内。
实例参见图2和3所示实验装置，对本发明的一个实例解释如下。如图所示，准备进行单面焊接的两块钢板1，1′对接到一起和用与焊接座9连接的弓形夹8固定住。随后，待焊钢板1，1′对接部分的侧端被引弧板4固定住。钢板1，1′对接端部形成的坡口部分已预先定位焊住，之后就可用2，3，4，5或6根电焊条进行连接钢板的单面焊接，而图2所示为使用4根电焊条2a至2d的装置。图3中示出有空气软管14，借助空气软管内空气压力的作用，可以调节背板15的推力，也就是说背板15的位置可以调节来支持待焊钢板。
这里所用焊接装置介绍如下。例如，在采用4根电焊条的情况下，电焊条2a，2b，2c，2d相应连接在焊接电源11a，11b，11c，11d上。焊接电源11a至11d连接至焊接状态控制组件12和参数计算组件13。下列数值用于按公式(2)计算参数P已预先测定的定位焊缝的最大高度H按公式(1)由第i根电焊条的电流，电压和焊接速度求出的热输入Qi；由第1根至第i根电焊条的距离Li；以及常数K。利用计算的参数P，令H为待焊钢板壁厚的一半，以及焊接状态，例如所选每根电焊条的电源和电压，焊接速度和电焊条之间的距离的确定要能使P值不大于0.14。
当使用引弧板4时，它是预先定位焊接在待焊钢板1，1′对接部分的侧端上。在这种情况下，焊接状态如每根电焊条的电流和电压，焊接速度和电焊条之间的距离是用参数Ptab确定的，使得H和Ht不得超过待焊钢板壁厚的一半，以及P值不得大于0.26和Ptab值不得小于0.009。在此情况下，参数Ptab按公式(3)并使用下列数值，待焊钢板1，1′对接部分定位焊缝的最大高度H，引弧板的厚度，在引弧板与待焊钢板之间形成的定位焊缝的最大高度Ht来计算。
表1和2列出了本发明中采用的焊接状态，如电流I，电压E，焊接速度V和电焊条之间的距离L。在表1和2中还列出了壁厚，在对接坡口内形成的定位焊缝的最大高度H，按照焊接状态计算的参数P(用公式(2)表示)，以及坡口形状。
关于常数K，选择了三个数值10，50，150。表1和2所列坡口形状的坡口角θ和焊缝根部面积Rf分别与图1所示的θRf相对应。就此而论，在待焊钢板1，1′被引弧板4约束的情况下，引弧板4按图2和3所示焊接到待焊钢板1，1′上。在待焊钢板1，1′不用引弧板约束的情况下，将切断的金属丝撒布在引弧板4与待焊钢板1，1′之间。
在涉及按图1和2所示焊接状态进行单面焊接的钢板时，应测定三种类型的变形量，即焊接过程中引起的平面变形量，焊接后残留的横向变形量和角变形量应予测定。平面变形量的测量方法如下。如图2所示，测量变形用的角板5的长度为300mm，连接在钢弧1的一端距坡口20mm的位置处，该角板的变形用千分表3来测量。当第1根电焊条2a移动至距离端部50mm的位置时，测量的变形量作为测量值。
残余变形量的横向收缩的测量方法如下。两个接触球6预先相应放置在距端部50mm和距坡口中心50mm的位置处。在焊接操作前后测量两个接触球6之间的距离，求出其差值。此差值作为横向收缩。角变形量的确定，是用角度表测量钢板的角度，在焊接操作前后测量的角度差值作为角变形。表3和4以普通方法与对比实例的方式示出了三种类型的变形量。
由表可以看出，在编号为No.1至16的情况下，待焊钢板未用引弧板约束和气体燃烧器加热，当参数P不超过0.14时，焊接变形量被抑制在不超过1.00mm。在No.8和9的情况下，参数P超过0.140，焊接变形量大于1.00。在No.17和18普通方法的情况下，它是No.8和9在图2所示位置7使用气体燃烧器加热的情况，当使用气体加热器后焊接变形量减少至不大于1.00mm。在本发明的全部实例中，焊接变形量与普通方法相同，均被抑制在不超过1.00mm。在这方面，在No.12和13的情况下，参数P高，焊接变形量相应为3.25mm和2.55mm，也很高，甚至在No.19和20的情况，即No.12和13使用气体燃烧器加热的情况，焊接变形量未能减少至不大于1.00mm。在No.12和13的情况下，变形量减少至不大于1.00mm，这仅仅是由于待焊钢板采用了与No.38和39普通方法相同的引弧板约束。在参数P降低的No.1情况下，焊接变形量受到抑制，然而，由于采用两根电焊条焊接，角变形增加至0.12弧度，这个值偏高。在本发明的全部实例中，所有角变形量均与普通方法相同，低于0.10弧度。
在No.21至39的情况下，待焊钢板用引弧板约束，而参数P不超过0.26，甚至当Ptab不低于0.009时钢板的约束力很低时，它们的焊接变形量也相当小。然而，在No.21的情况下，参数P不大于0.26和参数Ptab不低于0.009时，由于采用两根电焊条进行焊接，角变形量达到0.11弧度，这个值偏大。在No.30，33和34的情况下，参数P大于0.26，焊接变形量被抑制在不大于1.00mm，然而，横向收缩量为0.63mm，0.75mm和0.65mm，均超过0.60mm。在本发明的实例中，全部横向收缩量均与普通方法相同，不大于0.60mm，横向收缩量减少至小于No.37，38和39的情况，而这些情况是钢板受到高的约束力的普通方法。
如上所述，按照本发明的方法，焊接变形量可以用与普通方法相同的方式减少。
曾经广泛认为，在连接钢板的单面时接过程中引起的焊接变形，可以借助气体燃烧器加热钢板或引弧板强烈约束来有效地避免。然而，按照本发明，并不需要加热或强烈约束钢板。当焊接状态确定得宜，使参数P和Ptab能处于预定的范围内，焊接变形就可减少。因此，本发明非常有效，可以提高焊接过程的劳动效率和减少给焊接设备带来的负担。
权利要求
1.一种在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法，其中，待焊接的钢板彼此对接在一起，在坡口内形成定位焊缝并固定，以及使用不少于3根电焊条，上述在连接钢板的单面焊接过程加减少焊接变形的方法包括下列步骤；利用按下列公式(1)计算的输入热量Qi(KJ/mm)以及利用按下列公式(2)计算的参数P来估算焊接过程中产生的变形应力；确定每根电焊条的焊接状态，从而使变形应力能处于允许范围内，公式(1)和(2)如下Qi=Ii×Ei×6÷Vi公式(1)式中Ii为与焊接方向相反方向的第i根电焊条的电流(A)，Ei为第i根电焊条的电压(V)，Vi为第i根电焊条的焊接速度(cm/min)，表示的参数P，p=1HΣi=1n·QiLi+K]]>公式(2)式中Li为由第1根电焊条至第i根电焊条的距离，L1为距离n为电焊条数量，K为正常数，式中H(m)为对接坡口中定位焊缝的最大高度，而H不超过待焊钢板壁厚的一半。
2.按权利要求1所述的在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法，其特征在于公式(2)中用于计算参数P的常数K值，选择在由10至150的范围内，以及每根电焊条的焊接状态的确定使P值不超过0.14。
3.一种在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法，其中，待焊接钢板彼此对接在一起，在坡口内形成定位焊缝并固定，引弧板被定位焊接和固定在待焊钢板的端部，以及采用不少于3根电焊条，上述在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法包括下列步骤利用上述公式(1)所述的Qi，Li，H和常数K，以及利用下列公式(2)和(3)计算的参数P和Ptab来估算焊接过程中产生的变形奕力，以及确定每根电焊条的焊接状态，使变形应力处于允许的范围内，表示的参数P，p=1HΣi=1n·QiLi+K]]>式中Li为由第1根电焊条至第i根焊条的距离，L1为0，n为电焊条数量，K为正常数，H为不超过待焊钢板壁厚的一半，表示的参数P，Ptab=1HtΣi=1n·QiLi+K]]>公式(3)式中Li为由第1根电焊条至第i根电焊条的距离，L1为0，n为电焊条数量，K为正常数，以及Ht(mm)为引弧板的厚度，或Ht(mm)为引弧板厚度与引弧板与待焊钢板之间形成的定位焊缝厚度之间的更小值，并且Ht不超过待焊钢板壁厚的一半。
4.按权利要求3所述的在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法，其中，公式(2)中的计算参数P和公式(3)中的计算参数Ptab的K值确定在由10至150的范围内，以及确定每根电焊条的焊接状态，使P值不超过0.26和Ptab值不小于0.009。
5.按权利要求1至4之一所述的在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法，其特征在于采用了下列焊接状态的多电焊条埋弧焊每根电焊条的电流不超过2400A；第1和第2根电焊条的电流不小于900A；第3根电焊条和以后电焊条的电流不小于600A；焊接速度不小于60cm/min和不超过200cm/min；以及正面和背面均采用粘接型焊剂。
6.按权利要求1至5之一所述的在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法，其特征在于采用了Y形，I表，V形或U型坡口。
7.按权利要求1至6之一所述的在连接钢板的单面焊接过程中减少焊接变形的方法，其特征在于所用的待焊钢板的拉伸强度不小于390MPa和不超过780MPa，以及壁厚不小于8mm和不大于50mm。
全文摘要
本发明涉及减少焊接变形量的方法，在这种情况下将待焊钢板对接和经受定位焊，然后定位焊部分进行连接钢板的单面焊接。在本发明中使用不少于3根电焊条，而焊接状态的确定，使下列公式表示的参数
文档编号B23K28/00GK1102931SQ94190089
公开日1995年5月24日 申请日期1994年2月3日 优先权日1993年2月4日
发明者糟谷正 申请人:新日本制铁株式会社, 日立造船株式会社