专利名称：焊接薄焊接母材的切面对接接头的方法
技术领域：
本发明涉及对由切面接ロ组对形成的切面对接接头进行焊接的方法，尤其涉及对用于核电工程中的厚度较薄的焊接母材的切面对接接头进行焊接的方法。
背景技术：
TIG (Tungsten Inert Gas Welding)焊即非熔化极惰性气体保护电弧焊。在采用该焊接技术对如图I所示的不开坡ロ即切面接ロ的管道A和管道B的切面对接接头进行焊接吋，仅能对厚度不超过3. Omm(毫米)且材质为碳钢、低合金钢、不锈钢或者铝的对接接头进行焊接，而对于材质为高镍合金的对接接头，该焊接技术的穿透カ更小，仅能对厚度不超过2. 5mm的对接接头进行焊接。由于TIG焊接电弧的穿透カ较弱，当碳钢、低合金钢、不锈钢及铝质待焊接管道的壁厚超过2. 5mm后，厚度每增加O. 1mm，焊接电流要増大至少5A (安培)，若待焊接的管道的 壁厚不均匀，或者管道的端部呈椭圆状时，对接接头的局部区间可能出现未焊透的风险。为提高TIG焊接电弧的穿透力，本领域的技术人员提出采用穿透力较强的超声波电弧对待焊接的エ件进行焊接。具体的，如图2所示，在进行焊接时，通过机械耦合装置I将由超声源2产生的超声波施加到焊枪上，使超声波经过TIG焊枪端部的钨极3以及由分别与焊接电源4的两极相连接的焊枪和待焊接的エ件5放电产生的电弧6传播到熔池中。由此可知，这种超声波电弧是以超声钨极氩弧复合焊枪为基础产生的，并可以通过对超声钨极氩弧复合焊枪的控制来对超声波电弧进行控制。这样的超声波电弧的穿透力相对于TIG焊接电弧的穿透力虽然在一定程度上有所提高，但是在采用该超声波电弧对待焊接母材进行焊接时，也仅能将3mm多不到4mm的焊接母材焊透。目前，由于在许多行业中尤其是在核电项目中要焊接的エ艺管道的壁厚通常在3. 0-6. Omm的范围内，在采用TIG焊或者采用超声波电弧焊对这些管道的对接接头进行焊接吋，需先在管道的端部开设V、U或J型坡ロ，然后再进行焊接。这样，在对壁厚为
3.0-6. Omm的管道进行焊接时，势必要在对管道进行机加时在管道的端部开设坡ロ，这就导致管道的机加周期延长，进而导致焊接周期延长；在焊接时还需添加焊丝，消耗焊接填充材料，进而导致焊接成本较高。
发明内容
为解决现有技术中管材机加周期及焊接周期较长，焊接成本高且存在局部区间未焊透的风险的问题，本发明提出一种焊接薄焊接母材的切面对接接头的方法，所述焊接母材的厚度< 6. 0_，该焊接方法包括如下步骤第一歩，选择保护气体和钨极所述保护气体为氩气、氦气或者氩氦混合气中的任意ー种，且当保护气体为氩气时，氩气的纯度α > 99. 99%;当保护气体为氩氦混合气时，氩气和氦气的体积比为3 7 ；所述钨极的直径为3.2_4.0mm，锥度为30° -40 °，且钨极平台的直径为0-0. 5mm ；第二步，焊ロ组对先将两个待焊接母材的切面接ロ组合在一起形成切面对接接头，且组对间隙く I. 0mm，组对的错变量< I. Omm;然后采用手工TIG焊接技术对所述对接接头进行点固焊接以使待焊接母材固定连接在一起；第三步，打底焊接用超声波与TIG复合电弧焊机作为自动焊接设备的焊接电源，将超声波电信号叠加在脉冲焊接电流上以产生稳定的超声波-TIG复合电弧，对所述对接接头进行不添丝打底焊接；在进行打底焊接时，所述超声波电信号的频率为15KHz，所述焊接电流的脉冲频率 为200ppm，占空比为50%，弧压范围为8. 7-9. 9V，焊接速度为45-55mm/min，当所述待焊接母材的材质为不锈钢时，所述焊接电流的峰值范围为130-190A，基值范围为65-95A ;当所述待焊接母材的材质为碳钢或低合金钢时，所述焊接电流的峰值范围为150-210A，基值范围为 75-105A ；第四步，盖面焊接采用脉冲焊接方法对所述对接接头处的焊缝进行盖面焊接以使焊缝高于所述焊接母材，焊接完成。采用这种焊接方法可直接对厚度在0-6. Omm范围内的不锈钢、碳钢或低合金钢材质的管道或板材进行焊接，而不需要在待焊接母材上开设坡ロ。这样，既減少了开设坡ロ的 エ艺步骤，缩短了开设坡ロ的机加时间，又減少了焊接工作量，缩短了焊接时间，并減少了焊接填充材料的耗费量，提高了焊接效率，降低了焊接成本。优选地，所述保护气体对所述焊接母材的焊接正面进行保护时，流量范围为20-25L/min ;所述保护气体对所述焊接母材的焊接背面进行保护时，流量范围为10-15L/min0这样，对焊接面进行保护，以避免焊缝中出现夹渣或气孔，提高了焊接效果。优选地，在该方法的第一歩中，用于对所述焊接母材进行打底焊接的钨极的平台的直径为0mm，用于对所述焊接母材进行盖面焊接的钨极的平台的直径为0-0. 5mm。进ー步地，用于对所述焊接母材进行盖面焊接的钨极的平台的直径为O. 3-0. 5mm。优选地，在该方法的弟_■步中，在将所述待焊接母材的切面接ロ对接在一起后，在所述对接接头上选取至少两个不重合的点固点，并在所述点固点上对所述待焊接母材进行点固焊接以使所述待焊接母材固定连接在一起，且点固长度为5. 0-10. 0mm。进ー步地，在所述对接接头所在的圆周上选取2-4个点固点，且所述点固点在所述圆周上均匀分布。优选地，在该方法的第三步中，当所述待焊接母材的材质为不锈钢时当所述待焊接母材的厚度为3. 0-3. 5mm吋，所述焊接电流的峰值范围为130-140A，基值范围为65-70A，弧压范围为8. 7-8. 9V，焊接速度为55mm/min ；当所述待焊接母材的厚度为3. 5-4. Omm吋，所述焊接电流的峰值范围为140-150A，基值范围为70-75A，弧压范围为8. 9-9. IV，焊接速度为55mm/min ；当所述待焊接母材的厚度为4. 0-4. 5mm吋，所述焊接电流的峰值范围为150-160A，基值范围为75-80A，弧压范围为9. 1-9. 3V，焊接速度为50mm/min ；
当所述待焊接母材的厚度为4. 5-5. Omm吋，所述焊接电流的峰值范围为160-170A，基值范围为80-85A，弧压范围为9. 3-9. 5V，焊接速度为50mm/min ；当所述待焊接母材的厚度为5. 0-5. 5mm吋，所述焊接电流的峰值范围为170-180A，基值范围为85-90A，弧压范围为9. 5-9. 7V，焊接速度为45mm/min ；当所述待焊接母材的厚度为5. 5-6. Omm吋，所述焊接电流的峰值范围为180-190A，基值范围为90-95A，弧压范围为9. 7-9. 9V，焊接速度为45mm/min ；当所述待焊接母材的材质为碳钢或低合金钢时当所述待焊接母材的厚度为3. 0-3. 5mm吋，所述焊接电流的峰值范围为150-160A，基值范围为75-80A，弧压范围为8. 7-8. 9V，焊接速度为55mm/min ；当所述待焊接母材的厚度为3. 5-4. Omm吋，所述焊接电流的峰值范围为160-170A，基值范围为80-85A，弧压范围为8. 9-9. IV，焊接速度为55mm/min ； 当所述待焊接母材的厚度为4. 0-4. 5mm吋，所述焊接电流的峰值范围为170-180A，基值范围为85-90A，弧压范围为9. 1-9. 3V，焊接速度为50mm/min ；当所述待焊接母材的厚度为4. 5-5. Omm吋，所述焊接电流的峰值范围为180-190A，基值范围为90-95A，弧压范围为9. 3-9. 5V，焊接速度为50mm/min ；当所述待焊接母材的厚度为5. 0-5. 5mm吋，所述焊接电流的峰值范围为190-200A，基值范围为95-100A，弧压范围为9. 5-9. 7V，焊接速度为45mm/min ；当所述待焊接母材的厚度为5. 5-6. Omm吋，所述焊接电流的峰值范围为200-210A，基值范围为100-105A，弧压范围为9. 7-9. 9V，焊接速度为45mm/min。这样，根据待焊接母材的材质及厚度调整焊接エ艺參数，既提高了焊接效果，又减少了焊接耗能量，降低了焊接成本。优选地，在该方法的第四步中，在进行盖面焊接时，焊接电流的脉冲频率为200ppm,占空比为50%,当所述待焊接焊缝的宽度为3. 0-4. Omm时，焊枪的摆动幅度为I. 5-2. 0mm，所述焊接电流的峰值的范围为100-110A、基值的范围为50-55A，弧压的范围为8. 7-8. 9，送丝速度为 55mm/min ；当所述待焊接焊缝的宽度为4. 0-5. Omm时，焊枪的摆动幅度为2. 5-3. 0mm，所述焊接电流的峰值的范围为110-120A、基值的范围为55-60A，弧压的范围为8. 9-9. 1，送丝速度为 BOmm/miη ；当所述待焊接焊缝的宽度为5. 0-6. Omm时，焊枪的摆动幅度为3. 5-4. Omm，所述焊接电流的峰值的范围为120-130A、基值的范围为60-65A，弧压的范围为9. 1-9. 3mm，送丝速度为 65mm/min ；当所述待焊接焊缝的宽度为6. 0-7. Omm时，焊枪的摆动幅度为4. 5-5. Omm，所述焊接电流的峰值的范围为130-140A、基值的范围为65-70A，弧压的范围为9. 3-9. 5V，送丝速度为 70mm/min ；当所述待焊接焊缝的宽度为7. 0-8. Omm时，焊枪的摆动幅度为5. 5-6. Omm，所述焊接电流的峰值的范围为140-150A、基值的范围为75-80A，弧压的范围为9. 7-9. 9V，送丝速度为 75mm/min0这样，根据待焊接焊缝的宽度，调整焊枪的摆动幅度、焊接电流的參数及送丝速度，可以进一歩地提高焊接效果，并降低焊接成本。优选地，所述待焊接母材为管材或板材。
图I是切面接ロ的管道组对示意图；图2是现有技术中超声波电弧焊的焊接原理图；图3是采用本发明方法进行焊接时的工作流程图。
具体实施例方式本发明采用超声波与TIG复合电弧自动焊接方法对厚度为0-6. Omm的切面对接接头进行焊接。即采用超声波与TIG复合电弧焊机作为自动焊接设备的焊接电源，将ー个超声波电信号叠加在脉冲焊接电流上，从而产生稳定的超声波-TIG复合电弧，并采用该超声波-TIG复合电弧对厚度为0-6. Omm的切面对接接头进行焊接。实施本发明所用到焊接电源只要能够将ー个超声波电信号叠加在脉冲焊接电流上，并产生稳定的超声波-TIG复合电弧即可，比如德国STAPLA超声波与TIG复合电弧焊机。在进行焊接时，可根据待焊接母材的结构形状来选择不同的自动焊接设备，比如，当待焊接母材为管材时，可选用悬臂式自动焊设备，将待焊接的管道固定在悬臂式自动焊设备上的转动轴上，且使待焊接管道的对接接头固定在靠近焊接机头的位置上。这样，在进行焊接时，在待焊接管道随转动轴转动的过程中，焊接机头对对接接头进行焊接。另外，在进行焊接吋，还需采用惰性气体作为保护气体，比如既可以单独选用Ar (氩气)或He (氦气)作为保护气体，也可以选用Ar与He的体积比为3 7的氩氦混合气作为保护气体。采用本发明方法对待焊接母材进行焊接时，工作流程如图3所示，包括如下步骤第一歩，选择保护气体和钨极在选择保护气体时，可选用惰性气体氩气、氦气或者氩氦混合气中的任意ー种作为焊接保护气体以避免在进行焊接时焊缝中出现夹渣或气孔，影响焊接效果。另外，当选用氩气作为保护气体时，氩气的纯度α > 99. 99%;当选用氩氦混合气作为保护气体时，优选氩气和氦气的体积比为3 7的氩氦混合气。优选地，在进行焊接时，在对焊接母材的焊接正面进行保护时，保护气体的流量为20-25L/min ;在对焊接母材的焊接背面进行保护时，保护气体的流量为10-15L/min。在进行焊接时，可选用直径为3. 2-4. 0mm，锥度的范围为30° -40°，优选30°、35°或40°，且钨极平台的直径为0-0. 5mm的钨极，优选铈钨极。第二步，焊ロ组对将要焊接在一起的待焊接母材组合在一起，并由两个切面接ロ组对形成对接接头，并使该对接接头的组对间隙≤I. 0mm，组对的错变量≤ I. Omm ;然后采用手工TIG焊接对待焊接对接接头进行点固焊接，以使待焊接母材固定连接在一起。在进行TIG手工点固焊接时，先在对接接头所在的圆周上选取2-4个或更多个不重合的点为点固点，优选地，这些点固点在对接接头所在的圆周上均匀分布；然后再在这些点固点上进行点固焊接，且使点固长度为5. 0-10. Omm。
在进行点固焊接时，焊接电流值为恒值，其取值范围为40-70A。优选地，当
3.Omm彡壁厚H彡4. Omm时，焊接电流的取值范围为40-50A ;当4. Omm <壁厚H彡5. Omm时，焊接电流的取值范围为50-60A ;当5. Omm <壁厚H彡6. Omm时，焊接电流的取值范围为60-70A。第三步，打底焊接用超声波与TIG复合电弧焊机作为自动焊接设备的焊接电源，在脉冲焊接电流上叠加ー个超声波电信号以产生稳定的超声波-TIG复合电弧，并使用该超声波-TIG复合电弧对待焊接对接接头进行不添丝打底焊接。其中，超声波电信号的频率为15KHz (千赫兹)，焊接电流的脉冲频率为200ppm(脉冲次数/分钟)，占空比为50%，且在进行打底焊接吋，选用平台直径为Omm的钨极(即钨极的平台端为尖端)。当然，也可以根据焊接电源的规格将超声波电信号的频率及焊接电流的脉冲频率调节为其他值。另外，由于待焊接母材的材质及厚度的不同，焊接电流的峰值和基值、弧压及焊接 速度也会不同，具体如表I所示。表I :
材质厚度H(mm)接j流:難—弧_一
3.0<H<3.5130-14065-708.7-8.955
3.5<H<4.0140-15070-758.9-9.155
不4.0くHS4.5150-16075-809.1-9.350
锈-----
钢4.5<时.0160-17080-859.3-9.550
5.0<H<5.5170-18085-909.5-9.745
5.5<H<6.0180-19090-959.7-9.945
3.0<H<3.5150-16075-808.7-8.955
3.5<H<4.0160-17080-858.9-9.155
碳钢-----
ま4.0<H<4.5170-18085-909.1-9.350
4.5<H<5.0180-19090-959.3-9.550
金钢 _______
5.0<H<5.5190-20095-1009.5-9.745
5.5<H<6.0200-210100-1059.7-9.945第四歩，盖面焊接采用脉冲焊接方法对位于待焊接管道的对接接头处的焊缝进行盖面焊接，使焊缝高于焊接母材，焊接完成。在进行盖面焊接时，选用0_ <平台直径< O. 5mm的钨极，且焊接エ艺參数如表2所示。表 2
权利要求
1.一种焊接薄焊接母材的切面对接接头的方法，所述焊接母材的厚度< 6. Omm，其特征在于，该焊接方法包括如下步骤 第一歩，选择保护气体和钨极 所述保护气体为氩气、氦气或者氩氦混合气中的任意ー种，且当保护气体为氩气时，氩气的纯度α > 99.99% ;当保护气体为氩氦混合气时，氩气和氦气的体积比为3 7 ； 所述钨极的直径为3. 2-4. 0mm，锥度为30° -40°，且钨极平台的直径为0-0. 5mm ; 第二步，焊ロ组对 先将两个待焊接母材的切面接ロ组合在一起形成切面对接接头，且组对间隙< I. Omm,组对的错变量< I. Omm ;然后采用手工TIG焊接技术对所述对接接头进行点固焊接以使待焊接母材固定连接在一起； 第三步，打底焊接 用超声波与TIG复合电弧焊机作为自动焊接设备的焊接电源，将超声波电信号叠加在脉冲焊接电流上以产生稳定的超声波-TIG复合电弧，对所述对接接头进行不添丝打底焊接； 在进行打底焊接时，所述超声波电信号的频率为15KHz，所述焊接电流的脉冲频率为200ppm,占空比为50%，弧压范围为8. 7-9. 9V，焊接速度为45-55mm/min，当所述待焊接母材的材质为不锈钢时，所述焊接电流的峰值范围为130-190A，基值范围为65-95A ;当所述待焊接母材的材质为碳钢或低合金钢时，所述焊接电流的峰值范围为150-210A，基值范围为 75-105A ； 第四歩，盖面焊接 采用脉冲焊接方法对所述对接接头处的焊缝进行盖面焊接以使焊缝高于所述焊接母材，焊接完成。
2.根据权利要求I所述的焊接薄焊接母材的切面对接接头的方法，其特征在于，所述保护气体对所述焊接母材的焊接正面进行保护时，流量范围为20-25L/min ;所述保护气体对所述焊接母材的焊接背面进行保护时，流量范围为10-15L/min。
3.根据权利要求I或2所述的焊接薄焊接母材的切面对接接头的方法，其特征在于，在该方法的第一歩中，用于对所述焊接母材进行打底焊接的钨极的平台的直径为0mm，用于对所述焊接母材进行盖面焊接的钨极的平台的直径为0-0. 5mm。
4.根据权利要求3所述的焊接薄焊接母材的切面对接接头的方法，其特征在于，用于对所述焊接母材进行盖面焊接的钨极的平台的直径为O. 3-0. 5mm。
5.根据权利要求I或2所述的焊接薄焊接母材的切面对接接头的方法，其特征在于，在该方法的第二步中，在将所述待焊接母材的切面接ロ对接在一起后，在所述对接接头上选取至少两个不重合的点固点，并在所述点固点上对所述待焊接母材进行点固焊接以使所述待焊接母材固定连接在一起，且点固长度为5. 0-10. 0mm。
6.根据权利要求5所述的焊接薄焊接母材的切面对接接头的方法，其特征在于，在所述对接接头所在的圆周上选取2-4个点固点，且所述点固点在所述圆周上均匀分布。
7.根据权利要求I或2所述的焊接薄焊接母材的切面对接接头的方法，其特征在于，在该方法的第三步中， 当所述待焊接母材的材质为不锈钢时当所述待焊接母材的厚度为3. 0-3. 5mm时，所述焊接电流的峰值范围为130-140A，基值范围为65-70A，弧压范围为8. 7-8. 9V，焊接速度为55mm/min ； 当所述待焊接母材的厚度为3. 5-4. Omm时，所述焊接电流的峰值范围为140-150A，基值范围为70-75A，弧压范围为8. 9-9. IV，焊接速度为55mm/min ； 当所述待焊接母材的厚度为4. 0-4. 5mm时，所述焊接电流的峰值范围为150-160A，基值范围为75-80A，弧压范围为9. 1-9. 3V，焊接速度为50mm/min ； 当所述待焊接母材的厚度为4. 5-5. Omm时，所述焊接电流的峰值范围为160-170A，基值范围为80-85A，弧压范围为9. 3-9. 5V，焊接速度为50mm/min ； 当所述待焊接母材的厚度为5. 0-5. 5mm时，所述焊接电流的峰值范围为170-180A，基值范围为85-90A，弧压范围为9. 5-9. 7V，焊接速度为45mm/min ； 当所述待焊接母材的厚度为5. 5-6. Omm时，所述焊接电流的峰值范围为180-190A，基值范围为90-95A，弧压范围为9. 7-9. 9V，焊接速度为45mm/min ； 当所述待焊接母材的材质为碳钢或低合金钢时 当所述待焊接母材的厚度为3. 0-3. 5mm时，所述焊接电流的峰值范围为150-160A，基值范围为75-80A，弧压范围为8. 7-8. 9V，焊接速度为55mm/min ； 当所述待焊接母材的厚度为3. 5-4. Omm时，所述焊接电流的峰值范围为160-170A，基值范围为80-85A，弧压范围为8. 9-9. IV，焊接速度为55mm/min ； 当所述待焊接母材的厚度为4. 0-4. 5mm时，所述焊接电流的峰值范围为170-180A，基值范围为85-90A，弧压范围为9. 1-9. 3V，焊接速度为50mm/min ； 当所述待焊接母材的厚度为4. 5-5. Omm时，所述焊接电流的峰值范围为180-190A，基值范围为90-95A，弧压范围为9. 3-9. 5V，焊接速度为50mm/min ； 当所述待焊接母材的厚度为5. 0-5. 5mm时，所述焊接电流的峰值范围为190-200A，基值范围为95-100A，弧压范围为9. 5-9. 7V，焊接速度为45mm/min ； 当所述待焊接母材的厚度为5. 5-6. Omm时，所述焊接电流的峰值范围为200-210A，基值范围为100-105A，弧压范围为9. 7-9. 9V，焊接速度为45mm/min。
8.根据权利要求I或2所述的焊接薄焊接母材的切面对接接头的方法，其特征在于，在该方法的第四步中，在进行盖面焊接时，焊接电流的脉冲频率为200ppm，占空比为50%，当所述待焊接焊缝的宽度为3. 0-4. Omm吋，焊枪的摆动幅度为I. 5-2. Omm,所述焊接电流的峰值的范围为100-110A、基值的范围为50-55A，弧压的范围为8. 7-8. 9，送丝速度为55mm/min ； 当所述待焊接焊缝的宽度为4. 0-5. Omm吋，焊枪的摆动幅度为2. 5-3. Omm,所述焊接电流的峰值的范围为110-120A、基值的范围为55-60A，弧压的范围为8. 9-9. 1，送丝速度为60mm/miη ； 当所述待焊接焊缝的宽度为5. 0-6. Omm时，焊枪的摆动幅度为3. 5-4. 0mm，所述焊接电流的峰值的范围为120-130A、基值的范围为60-65A，弧压的范围为9. 1-9. 3mm，送丝速度为65mm/min ； 当所述待焊接焊缝的宽度为6. 0-7. Omm时，焊枪的摆动幅度为4. 5-5. 0mm，所述焊接电流的峰值的范围为130-140A、基值的范围为65-70A，弧压的范围为9. 3-9. 5V，送丝速度为70mm/miη ；当所述待焊接焊缝的宽度为7. 0-8. Omm时，焊枪的摆动幅度为5. 5-6. 0mm，所述焊接电流的峰值的范围为140-150A、基值的范围为75-80A，弧压的范围为9. 7-9. 9V，送丝速度为75mm/min0
9.根据权利要求I或2所述的焊接薄焊接母材的切面对接接头的方法，其特征在于，所述待焊接母材为管材或板材。
全文摘要
本发明涉及对由切面接口组对形成的切面对接接头进行焊接的方法，尤其涉及对用于核电工程中的薄焊接母材的切面对接接头进行焊接的方法。为解决现有技术中管材机加周期及焊接周期较长，焊接成本高且存在局部区间未焊透的风险的问题。本发明提出一种焊接薄焊接母材的切面对接接头的方法，焊接母材的厚度≤6.0mm，选择保护气体和钨极；焊口组对；用超声波与TIG复合电弧焊机作为自动焊接设备的焊接电源，将超声波电信号叠加在脉冲焊接电流上以产生稳定的超声波-TIG复合电弧，对切面对接接头进行不添丝打底焊接；盖面焊接，焊接完成。采用这种焊接方法减少了开设坡口的工艺步骤、焊接工作量、焊接填充材料的耗费量，提高了焊接效率，降低了焊接成本。
文档编号B23K9/167GK102699545SQ20121017523
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月31日 优先权日2012年5月31日
发明者冯英超, 曹冬巍, 王挺, 胡广杰, 董玉川, 韩乃山, 魏清海 申请人:中国核工业二三建设有限公司