厚板焊接方法及焊接卡具的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及焊接技术领域，具体是一种厚板焊接方法及焊接卡具。
【背景技术】
[0002]目前舰船、管道、潜艇和核设施等国防大型设备建造过程中必不可少的关键工艺。这些设施部件的厚度一般都在20mm以上，并且一般表现为空间尺寸比较大，因此目前只能采用分段连接成形。主要焊接方法为弧焊、电子束焊接以及多种热源条件下的窄间隙焊接方法，但是这些焊接方法均存在各自的不足之处。现有焊接方法焊接厚板问题点有:
[0003]I)填丝的弧焊因受到焊枪的限制以及自身的焊接特点，因此焊接需要极大的填充量，而且会产生较大的焊接变形和较高残余应力。
[0004]2)真空电子束焊接在完成结构较小的焊件优势表现比较明显，可焊接厚度能达到200mm左右，但是若需焊接空间结构较大，超过电子束真空室要求的情况下就会无法完成焊接。同时在厚板对接焊接中，因为电子束焊接采用的是单道焊透的方法，因此对厚板焊接装配要求极高(焊接间隙小于0.1mm);若采用填充坡口多层堆叠的方式，一般多层多道填丝焊接的缺点也会在电子束焊接中出现。
[0005]3)厚板激光焊接方面，由于板厚的原因和受到输出功率和光束质量的限制，万瓦级激光器一次焊接深度虽然可以达到十几毫米，但是对于30mm以上的厚板，很难一次焊透，因此需要采用窄间隙多层多道完成焊接，难点以及不利于操作的是:焊丝与激光的对中程度、焊丝的挺度与所焊接件及其窄间隙之间的匹配关系，这些都是直接决定窄间隙激光焊接的成败关键因素，因此不便于实现工程化应用。
[0006]4) 一般厚板填丝焊接过程中，在焊接过程中必须用夹具刚性固定焊接试板，因此这就会使得焊后试件存在很高的拉压残余应力与焊接变形，特别是经过十道以上的焊接，如果为了减少焊接变形就需要较大刚度的夹具以及严格的焊接工艺与之匹配，因此增加了焊接的难度。
[0007]现有技术中厚板焊接的问题:
[0008]I)填丝的弧焊因受到焊枪的限制以及自身的焊接特点，焊接时需要的填充大量焊材
[0009]2)真空电子束焊接在完成结构较小的焊件表现比较明显，可焊接厚度比较大，但是在焊接件空间结构较大时，超过电子束真空室要求的情况下就会无法完成焊接。同时在厚板对接焊接中，因为电子束焊接若采用的是单道焊透的方法，因此对厚板焊接装配要求极高(焊接间隙小于0.1mm);若采用填充坡口多层堆叠的方式，单层多道填丝焊接的缺点也会在电子束焊接中出现。
[0010]3)填丝窄间隙激光焊接厚板，由于板厚的原因和受到输出功率和光束质量的限制，万瓦级激光器一次焊接深度虽然可以达到十几毫米，但是对于30mm以上的厚板，很难一次焊透，需采用单层多道来焊接，但因为激光焊接中光斑直径一般在零点几个毫米，采用填充焊丝的窄间隙激光焊接对焊丝位置的指向稳定性要求极为严格，焊丝送进的任何干扰都会立即导致焊接缺陷的产生，甚至导致焊接的中断；再者窄间隙坡口尺寸很小，导丝嘴又不便于伸入到坡口内，焊丝的伸长长度又受到自身的刚性的限制，当干伸长大于焊丝本身的刚度时就会失稳，导致焊丝的位置只稳定性难以保证。因此不便于实现工程化应用。
[0011]4)厚板焊接过程中，必须使焊件刚性固定，特别是经过十道以上的焊接，由于焊接过程中的收缩得不到及时的释放，因此这就会使得焊后试件存在较大、不均衡的拉压残余应力，若不进行去应力热处理，则会导致焊接件的使用性能大大下降，若进行去应力退火，且需要热处理夹具，这样就增加了劳动成本，而降低了生产效率，因此亟待需要一种新的焊接方法来改善厚板焊接工艺，以此来满足工业生产对厚板焊接工艺的需求。
[0012]5)、焊接结构中一旦出现了较大的变形，常常需要进行校正，耗工耗时，有时比较复杂的变形的校正的工作量可能比焊接工作量还要大，有时甚至因为焊接变形量太大或校正难度太大超过来校正能力而无法校正，甚至造成废品。
【发明内容】
[0013]为了克服现有的厚板多道焊接需要连续填丝的不足，本发明提供了一种厚板焊接方法及焊接卡具，以达到减小焊接过程中填丝数量的目的。
[0014]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种厚板焊接方法，厚板焊接方法包括以下步骤:步骤1、用焊接卡具夹持左右两块焊接母材，使两块焊接母材的下表面对应无错边抵接且两块焊接母材的上表面间隔设置，并使左侧母材的右端面和右侧母材的左端面之间形成V型坡口 ；步骤2、使焊枪射出的散焦高能束由V型坡口的顶端射向两块焊接母材的V型坡口下部的待焊部位，调整该散焦高能束的焦点使该焦点位于两块焊接母材的相交线上方，使焊枪沿焊接方向移动，两块焊接母材的待焊部位在该散焦高能束的作用下熔化并且在V型坡口下部形成一道焊缝；步骤3、伴随着焊接过程中两块母材的横向收缩，同时，调整该焊接卡具对两块焊接母材作用力的大小和位置，使两块焊接母材之间的V型坡口的开口角度变小；步骤4、依次重复步骤2和步骤3，直至还需一道至三道连续焊接就能完成焊接；步骤5、在V型坡口上部，相应的采用一道至三道填丝焊接。
[0015]进一步地，在步骤I中，V型坡口的张角为5?15°。
[0016]进一步地，在步骤2中，一道焊缝的深度为2mm?5mm。
[0017]进一步地，在步骤4中，每完成一道焊缝后，重复步骤2时均要调整该散焦高能束的焦点使该散焦高能束的焦点位于前一道焊缝的上方。
[0018]进一步地，该焊接卡具对左侧母材的作用力包括垂直作用于左侧母材上表面且向下的下压力、垂直作用于左侧母材下表面且向上的上顶力和垂直作用于左侧母材左端面且向右的右压力，该焊接卡具对右侧母材的作用力与该焊接卡具对左侧母材的作用力以两块焊接母材的相交线为中心左右对称；在步骤4中，每完成一道焊缝后，重复步骤3时，该焊接卡具对左侧母材的下压力相对于左侧母材向左移动且压力增大，该焊接卡具对左侧母材的上顶力相对于左侧母材向左移动且压力增大，该焊接卡具对左侧母材的右压力相对于左侧母材向上移动且压力增大。
[0019]进一步地，焊接卡具对左侧母材的作用力还包括垂直作用于左侧母材下表面且向上的上支撑力，该上支撑力在垂直于左侧母材下表面的作用点位于上顶力在左侧母材下表面左侧外边界线和两块焊接母材的相交线之间。
[0020]本发明还提供了一种焊接卡具，焊机卡具为上述焊接卡具，焊接卡具包括:底座，底座上设有支撑块，支撑块的上表面的两端能够对称的支撑左右两块焊接母材的下表面；顶升装置，用于提供垂直作用于左侧母材下表面且向上的上顶力以及垂直作用于右侧母材下表面且向上的上顶力；推动装置，用于提供垂直作用于左侧母材左端面且向右的右压力及垂直作用于右侧母材右端面且向左的左压力；压紧装置，用于提供垂直作用于左侧母材上表面且向下的下压力以及垂直作用于右侧母材上表面且向下的下压力。
[0021]进一步地，推动装置包括设置在底座左右两侧的推动支架和推动气缸，推动支架与底座固定连接，推动支架上设置有多个滑动槽，推动气缸一端设置在滑动槽内，并能够沿滑动槽的延伸方向上下移动，推动气缸的另一端与焊接母材的另一端抵接。
[0022]进一步地，顶升装置为两个顶升气缸，两个该顶升气缸设置在底座上，两个该顶升气缸对称的设置在支撑块的两侧，该顶升气缸的缸筒与底座固定连接，该顶升气缸的活塞杆的顶端抵接于母材下表面。