板材的窄间隙焊接坡口的制作方法

本实用新型涉及焊接技术领域，更具体地说，涉及高强度材质中厚板材的焊接技术。

背景技术：

随着海洋工程技术领域的不断发展，对高强度/超高强度钢材的需求也不断增加。应用于海洋工程的钢结构需要面对复杂恶劣的使用环境，对于结构的机械强度、抗腐蚀能力的要求都较高。因此，海洋工程钢结构，尤其是承载部件结构所使用的板材通常都为高强度/超高强度钢材，例如Q690、Q890、Q960等材质的钢材。比如，在海洋平台桩腿、海洋浮吊臂架等承载部件上，均要求使用Q690、Q890、Q960等高强度/超高强度钢材。由于机械强度和抗腐蚀能力的要求，板材的厚度也有一定的要求，一般使用板材厚度为30mm～200mm的中厚板。

高强度/超高强度钢材虽然具有很高的使用可靠性，但其加工难度较大，尤其是高强度/超高强度钢材的焊接，需要耗费大量的人力物力。现有技术中，对于高强度/超高强度钢的焊接一般采用手工电弧焊、多层多道焊的方式，焊接工作量大、效率低。在坡口的设计和施工上都是选用对称的双面V型大坡口形式。所谓对称，是指两侧坡口的深度相同，坡口根部位于板厚中心的位置。V型大坡口的坡口侧壁呈现明显倾斜角度，与竖直方向的夹角通常都在20°以上，坡口根部较窄，呈现尖端造型。在对称的双面V型大坡口的焊接过程中，通常包括如下的焊接步骤：先焊接正面坡口、然后从背面碳弧气刨清根、打磨、预热后再进行背面焊接的工艺。焊接工序多。由于V型大坡口开口较大，因此需要填充的金属量大，焊接收缩变形也较大，焊接接口的质量稳定性较差，一次焊接合格率低，返工量大。由此造成生产周期长，生产效率低，并且工人劳动强度大，生产环境恶劣。由于高强度/超高强度中厚板钢材的焊接周期长、效率低、质量不佳，因此严重制约了海洋工程装备的生产进度。

技术实现要素：

本实用新型提出一种适用于高强度/超高强度中厚板钢材的窄间隙焊接坡口。

根据本实用新型的一实施例，提出一种板材的窄间隙焊接坡口，窄间隙焊接坡口为双面U型，坡口的钝边中心偏离板厚中心，坡口根部由钝边的斜面通过圆角过渡，形成U型，坡口由根部向板材边缘逐渐开口形成坡口角度。

在一个实施例中，板材的板厚为T，坡口的钝边中心偏离板厚中心的距离为5％T～10％T。

在一个实施例中，钝边的厚度为1％T～10％T，钝边的斜面的水平夹角为13°～15°。

在一个实施例中，坡口根部的宽度为10％T～50％T，坡口根部的圆角半径为1％T～15％T。

在一个实施例中，坡口角度的竖直夹角为1°～4°。

在一个实施例中，板材的板厚为30mm～200mm。

在一个实施例中，钝边中心偏离板厚中心的距离为4mm～12mm。

在一个实施例中，钝边的厚度为2.5mm～3.5mm。

在一个实施例中，坡口根部的宽度为14mm～20mm，坡口根部的圆角半径为3mm～4mm。

在一个实施例中，板材的材质为Q690、Q890或Q960高强度钢。

本实用新型提出的板材的窄间隙焊接坡口解决了高强度/超高强度中厚板钢材焊接效率低、根部需人工碳刨清根、焊缝金属填充量大等问题。本实用新型的双面U型坡口形式适合于中厚板窄间隙MAG/MIG焊接。钝边不在板厚中心，而是以板厚中心向一侧偏移适当距离。利用本实用新型的窄间隙焊接坡口，焊接效率比传统焊接提高2～3倍，节约焊材20％～70％，能有效减小焊接变形、无需碳刨清根，减少人工，实现高强度/超高强度中厚板钢材的焊接效率及质量优化，降低工人劳动强度，改善生产环境，优化生产质量。

附图说明

本实用新型上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1揭示了根据本实用新型的一实施例的窄间隙焊接坡口的结构图。

图2揭示了对本实用新型的窄间隙焊接坡口进行正面焊接的示意图。

图3揭示了对本实用新型的窄间隙焊接坡口进行背面机械清根的示意图。

图4揭示了对本实用新型的窄间隙焊接坡口进行双面同时焊接的示意图。

具体实施方式

参考图1所示，图1揭示了根据本实用新型的一实施例的窄间隙焊接坡口的结构图。该窄间隙焊接坡口为双面U型，坡口的钝边中心偏离板厚中心，坡口根部由钝边的斜面通过圆角过渡，形成U型，坡口由根部向板材边缘逐渐开口形成坡口角度。继续参考图1，板材的板厚为T，板厚中心位于T/2处。本实用新型的窄间隙焊接坡口的钝边中心并不位于板厚中心处，而是偏离板厚中心T1的距离，在一个实施例中，T1为5％T～10％T。在图1所示的实施例中，钝边中心从板厚中心向背面偏移，也就是说，钝边中心距离板材正面边缘的距离为T/2+T1，而距离板材背面边缘的距离为T/2-T1。两侧板材的钝边互相靠拢，由钝边的斜面和过渡的圆角形成U型的坡口根部。在一个实施例中，钝边的厚度f为1％T～10％T，钝边的斜面的水平夹角β为13°～15°。由于钝边是斜面的结构，因此钝边的厚度也是略有变化的，在靠近板材的位置较宽，而在顶端的位置较窄。由钝边的斜面和过渡的圆角形成U型的坡口根部的宽度T2为10％T～50％T，坡口根部的圆角半径R为1％T～15％T。坡口由根部向板材边缘逐渐开口形成坡口角度，但本实用新型的窄间隙焊接坡口的侧壁的倾斜角度较小，更加接近于竖直。在一个实施例中，坡口角度的竖直夹角α为1°～4°。由于坡口角度较小，因此需要填充的焊材也较少，和传统的V型大坡口相比较，本实用新型的窄间隙焊接坡口需要使用的焊材能够节省很多。

在一个实施例中，板材的板厚T为30mm～200mm，板材的材质为Q690、Q890或Q960高强度钢。针对上述的板厚和材质，窄间隙焊接坡口的其他参数可设置如下：钝边中心偏离板厚中心的距离T1为4mm～12mm。钝边的厚度f为2.5mm～3.5mm。坡口根部的宽度T2为14mm～20mm，坡口根部的圆角半径R为3mm～4mm。

图2～图4揭示了对本实用新型的窄间隙焊接坡口进行焊接的过程。对于本实用新型提出的窄间隙焊接坡口，采用窄间隙MAG焊接(熔化极活性气体保护电弧焊)机头，该窄间隙MAG焊接机头适用于对接焊缝的窄间隙坡口焊接，通过焊枪的摇动和摆动，使焊丝朝向侧壁，可以使坡口两个侧壁熔透良好，实现一层一焊道的高品质、高效率、稳定的焊接。结合图2～图4所示，焊接过程可以分为：坡口加工及装配、正面焊接、背面机械清根、双面同时焊接几个阶段。坡口加工及装配后形成的窄间隙焊接坡口的结构如图1所示。图2揭示了对本实用新型的窄间隙焊接坡口进行正面焊接的示意图。图3揭示了对本实用新型的窄间隙焊接坡口进行背面机械清根的示意图。图4揭示了对本实用新型的窄间隙焊接坡口进行双面同时焊接的示意图。

在一个实施例中，焊接的过程如下：

坡口加工及装配步骤，进行窄间隙焊接坡口的加工及装配，形成如图1所示的窄间隙焊接坡口结构，在装配时，坡口根部间隙为0～2mm，即两侧的钝边顶端之间留有0～2mm的间隙。

正面焊接步骤，如图2所示，先进行预热，预热后进行正面焊接4～6层，每层厚度约4mm。

背面机械清根步骤，如图3所示，为避免母材对焊缝金属的稀释作用，从背面进行机械清根，清根深度约10mm～16mm。清根完成后剩余焊缝金属在板厚中心附近，在图3中，剩余焊缝金属位于板厚中心T/2处。

双面同时焊接步骤，也称为填充步骤，正反面同时焊接以提高焊接效率。在填充盖面完成后，进行后热缓冷以防止冷裂纹的产生。

本实用新型的窄间隙焊接坡口将钝边中心设置在偏离板厚中心的位置，钝边中心向背面偏移一定距离，结合窄间隙MAG焊接机头及合理焊接工艺，可实现高强度/超高强度钢中厚板的高效、节能、环保焊接，所得焊缝外观成形良好。并且相比于传统的钝边在厚度中心位置的坡口形式，焊接完成后可有效减小因两侧不同收缩量引起的翘曲变形，优化后变形程度几乎为零。

并且与传统的双面V型大坡口形式的手工焊接方法相比，本实用新型的窄间隙坡口形式结合窄间隙MAG焊接机头及合理焊接工艺，由传统的一层多道改为一层一道使焊缝截面积极大地减小，提高生产效率2-3倍。缩短生产工时、节约焊接材料20％-70％，并且满足大型金属结构件对于高焊接效率和高焊接质量的要求。

下面介绍一个应用实例，焊接板材为Q690材质、板厚为178mm的超高强度中厚板材，进行中厚板窄间隙MAG/MIG焊接的双面U型坡口焊接。

坡口加工及装配步骤。板厚T为178mm，钝边中心距板厚中心向背面偏移量T1为12mm，坡口角度α为2°，坡口根部的宽度T2为18mm，钝边厚度f为3mm，钝边的斜面水平夹角β为15°，坡口根部的圆角半径R为3.2mm。装配时根部间隙为1mm，焊前去除坡口及周围20mm范围内的铁锈、油污。焊前进行150-200℃预热，焊接过程中，如果层间温度低于150℃时，及时补充预热，使层温处于150-230℃范围内。

正面焊接步骤。正面坡口焊接，先进行预热，预热后进行正面焊接5层，每层厚度约4mm，焊接参数见表1所示。正面焊接中会使用到打底焊、填充焊和盖面焊几种不同的焊接形式，不同的焊接形式采用不同的焊接参数。

背面机械清根步骤。正面完成对应焊层后，进行背面的机械清根，为减少母材对焊缝金属的稀释作用，完全清除钝边，清根深度约16mm，清根完成后剩余焊缝金属在板厚中心附近。

双面同时焊接步骤。背面机械清根完成后，开始正反面同时焊接，每层填充约4mm，焊接过程中严格控制层间温度及工艺参数，焊接参数见表1。双面同时焊接中会使用到打底焊、填充焊和盖面焊几种不同的焊接形式，不同的焊接形式采用不同的焊接参数。焊接至表面2～3层后，相应调整焊接参数，满足最终焊后余高。填充盖面完毕后，加热至320℃保温两小时，缓冷。

表1：焊接工艺参数

本实用新型的高强度/超高强度钢中厚板窄间隙焊接坡口，焊接钝边位置偏离板厚中心，结合以上窄间隙MAG焊接机头及合理焊接工艺，实现了高强度/超高强度钢中厚板的高效、节能、环保焊接，并且焊接完成后两侧不同收缩量引起的翘曲变形几乎为零。所得焊缝外观成形良好，无损探伤UT合格，焊缝宏观断面焊层清晰，厚度十分均匀。焊缝中无任何焊接缺陷存在，焊缝金属与坡口底部及侧壁的母材熔合良好。与传统X型坡口焊缝截面对比，焊缝面积减小60％，焊接应力与变形更小，焊接生产率提高2倍。

本实用新型提出的板材的窄间隙焊接坡口解决了高强度/超高强度中厚板钢材焊接效率低、根部需人工碳刨清根、焊缝金属填充量大等问题。本实用新型的双面U型坡口形式适合于中厚板窄间隙MAG/MIG焊接。钝边不在板厚中心，而是以板厚中心向一侧偏移适当距离。利用本实用新型的窄间隙焊接坡口，焊接效率比传统焊接提高2～3倍，节约焊材20％～70％，能有效减小焊接变形、无需碳刨清根，减少人工，实现高强度/超高强度中厚板钢材的焊接效率及质量优化，降低工人劳动强度，改善生产环境，优化生产质量。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本实用新型的，熟悉本领域的人员可在不脱离本实用新型的实用新型思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本实用新型的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。