一种回弹式方管焊接内侧气体保护装置的制作方法

本发明涉及大型不锈钢焊接方管的制造，特别涉及核电站核岛设备余热排出热交换器中的大型不锈钢方管外侧焊接内侧气体保护的装置以及气体保护方法。

背景技术：

方管为一种常见的型材，广泛应用于厂房建设、高层建筑、桥梁建设和其他大型钢结构中。大型不锈钢方管常用于条件苛刻、环境恶劣工况的产品结构中，例如核电站核岛设备余热排出热交换器，常年浸泡在安全壳下的冷却水中，设备管束支撑部分由规格为260mm×260mm的大型不锈钢方管构成，长度为2～4m，换热管内高速流动的介质会对其产生高频振动，方管的支承起到重要的作用。这种大型不锈钢方管壁厚达20mm，轧制成型难度大，造价昂贵。

相比之下，由两根规格相同的c形钢对接焊接成形的不锈钢方管更实惠，制造难度及成本大大降低。c形钢对接焊缝焊接质量要求高，焊后整条焊缝要进行严格的无损检测。由于其结构限制，焊接时仅能焊接外侧，对于不锈钢材质且单侧坡口的结构应采用钨极气体保护焊接进行焊缝首层的焊接方法，其效果为从一侧焊接使熔化金属透过焊缝在背侧形成焊道使整条焊缝完全焊透。这种焊接方法要求c型钢组对时保留一定间隙来确保熔化金属能够透过焊缝，内侧焊道冷却过程中必须对其表面进行惰性气体保护来防止氧化，焊缝一旦氧化将无法满足无损检测。对于钨极气体保护焊接通常选用氩气作为保护气体，焊道位置氩气浓度越高焊缝质量越好，对于这种形式的焊缝焊接时通常需要两名人员，一人进行焊接，另一人在背侧进行气体保护。

不锈钢方管长度为2～4m，内侧空间仅为220mm×220mm，为保证内侧焊缝质量，对气体保护有以下要求：1.焊接时背侧气体保护装置应能够达到方管内侧整条焊道各位置；2.气体保护装置应始终贴合在焊道背侧；3.气体保护装置需要准确跟随焊接位置并笼罩熔池，并且在焊道冷却的过程中始终确保其表面氩气浓度；4.焊缝焊接时受电弧热量产生收缩和塌陷时气体保护装置能满足在方管内侧自由移动。不锈钢材质导热系数小，热量比较难散去，高温熔池存在的时间也比较长，而且气体保护装置笼罩焊缝区域设计不宜过长，会导致氩气未经过焊道便从焊缝流失而降低氩气浓度。若气体保护不当在方管内侧人员不可达位置造成焊道氧化物则难以去除，需要将焊缝全部清除重新焊接，还会造成方管报废的后果，造成较大损失。综上所述不锈钢方管焊接内侧气体保护存在一定难度。

技术实现要素：

基于上述技术背景，本发明人进行了锐意进取，设计出一种回弹式方管焊接内侧气体保护装置，该装置包括氩气保护罩、轮轴组件、导向组件和摆动组件，轮轴组件位于氩气保护罩和导向轮组之间，摆动轮组安装在轮轴组件的侧边，在摆动轮组上连接弹力绳。本发明所述的回弹式方管焊接内侧气体保护装置仅由一人便可同时完成外侧焊接和内侧气体保护，且本发明所述的气体保护装置可有效提高焊道位置焊接部位的氩气浓度，防止氧气与焊道接触，用其进行保护的不锈钢管焊接后内侧焊缝表面纹路平滑无氧化物，焊接质量较高。

本发明的第一方面在于提供一种回弹式方管焊接内侧气体保护装置，该装置包括氩气保护罩1、轮轴组件2、导向组件3和摆动轮组4，所述轮轴组件2位于氩气保护罩1和导向轮组3之间，摆动轮组4安装在轮轴组件2的侧边。

所述氩气保护罩1包括管嘴11、进气侧挡板12、焊接侧挡板14、u形板15和连接螺柱16，u形板15位于进气侧挡板12和焊接侧挡板14之间；

u形板15、进气侧挡板12和焊接侧挡板14连接形成无盖的长方形盒体；

管嘴11安装在进气侧挡板12上，在u形板15的底面设有连接螺柱16，该连接螺柱16位于u形板15的外侧，垂直于u形板15的底面。

所述氩气保护罩1还包括折流板13，折流板13安装在进气侧挡板12上，与进气侧挡板12垂直，与u形板15的底面平行，且与u形板15的侧面相连，与焊接侧挡板14之间存在空隙。

在焊接侧挡板14上端设有圆形豁口，该豁口位于焊接侧挡板14的中间。

所述轮轴组件2包括牵引环21、连接块22和轴23，所述连接块22对称连接在轴23的两侧，牵引环21安装在轴23的前端，在轴23上设有通孔。

轴23上的通孔与连接螺柱16为小间隙配合，

所述牵引环21与管嘴11位于气体保护装置的同一侧。

所述导向组件3包括导向板31、导向轮轴32和导向轮33，导向轮33通过导向轮轴32安装在导向板31上，在导向板31上设有通孔；

该通孔与连接螺柱16为小间隙配合。

连接螺柱16依次穿过轴23上的通孔和导向板31上的通孔，优选通过连接螺母6紧固在连接螺柱16上；

所述导向轮33与导向轮轴32对称安装在导向板31的四角位置。

所述摆动轮组4上连接弹力绳5，优选地，摆动轮组4包括摆臂41、连接杆42、滚轮43和滚轮轴44，滚轮43和滚轮轴44位于摆臂41的下端，在相邻摆臂41之间安装连接杆42，该连接杆42安装在摆臂41的中间位置，摆臂41的上端与轮轴组件2相连；

连接杆42与进气侧挡板12平行；

在两连接杆42之间设有弹力绳5，所述弹力绳5与u形板15的侧面平行。

本发明的第二方面提供了如上所述回弹式方管焊接内侧气体保护装置用于焊接的使用方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、c型钢组对成方管，调整焊接间隙，在焊缝两侧固定定位板；

步骤2、将回弹式方管焊接内侧气体保护装置置于步骤1得到的方管中；

步骤3、进行焊接。

本发明所述的回弹式方管焊接内侧气体保护装置及其使用方法具有以下优势：

(1)本发明所述的回弹式方管焊接内侧气体保护装置可在方管内侧狭长空间内进行自由移动，不会由于方管内侧间距的变化而卡在方管内侧；

(2)本发明所述的回弹式方管焊接内侧气体保护装置在使用过程中始终与内侧焊缝区域贴合，有效防止氧气与焊道接触，避免焊道被氧化；

(3)本发明所述的回弹式方管焊接内侧气体保护装置在氩气保护罩内侧设有折流板，减少氩气的损失，提高了焊道位置焊接部位的氩气浓度；

(4)本发明所述的回弹式方管焊接内侧气体保护装置仅由一人便可同时完成外侧焊接和内侧气体保护，有效节省资源；

(5)本发明所述的回弹式方管焊接内侧气体保护装置使用方法简单，用其进行保护的不锈钢管焊接后内侧焊缝表面纹路平滑无氧化物，焊接质量较高。

附图说明

图1示出本发明一种优选实施方式的回弹式方管焊接内侧气体保护装置在方管内侧的结构示意图；

图2示出本发明一种优选实施方式的回弹式方管焊接内侧气体保护装置的主视图；

图3示出本发明一种优选实施方式的回弹式方管焊接内侧气体保护装置在方管内侧的左视图；

图4示出本发明一种优选实施方式的回弹式方管焊接内侧气体保护装置在方管内沿图3中a-a向剖视图以及氩气在氩气保护罩与焊缝间流向示意图；

图5示出方管组对结构示意图；

图6示出不锈钢方管焊接变形趋势示意图；

图7示出氩气保护罩结构示意图；

图8示出氩气保护罩沿图7中a-a向的剖视图；

图9示出氩气保护罩焊接侧挡板结构示意图；

图10示出轮轴组件结构示意图；

图11示出导向轮组结构示意图；

图12示出摆动轮组结构示意图；

图13示出摆动轮组中连接杆结构示意图；

图14示出摆动轮组中摆臂结构示意图。

附图标号说明

1-氩气保护罩；

11-管嘴；

12-进气侧挡板；

13-折流板；

14-焊接侧挡板；

15-u形板；

16-连接螺柱；

2-轮轴组件；

21-牵引环；

22-连接块；

23-轴；

3-导向轮组；

31-导向板；

32-导向轮轴；

33-导向轮；

4-摆动轮组；

41-摆臂；

42-连接杆；

43-滚轮；

44-滚轮轴；

5-弹力绳；

6-连接螺母；

7-方管；

71-c形钢；

71-定位板；

8-氩气导管；

a-氩气保护罩长度；

b-导向轮组导向轮外侧间距；

c-方管内侧间距；

d-c形钢焊接间隙；

l-氩气保护罩螺柱间距。

具体实施方式

下面将对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

本发明的第一方面在于提供一种回弹式方管焊接内侧气体保护装置，所述保护装置用于两根规格相同的c型钢对接进行钨极惰性气体保护焊焊接成型，该装置包括氩气保护罩1、轮轴组件2、导向轮组3和摆动轮组4。所述轮轴组件2位于氩气保护罩1和导向轮组3之间，摆动轮组4安装在轮轴组件2的侧边。

在本发明中，氩气保护罩1用于在c型钢进行钨极气体保护焊时，为焊道外侧并向其表面输送惰性气体，确保焊道位置具有较高浓度的惰性气体，避免内侧气体冷却过程中发生氧化。

本发明所述的氩气保护罩1为长方体，内部为空腔，用于储存氩气，该氩气保护罩1包括管嘴11、进气侧挡板12、焊接侧挡板14、u形板15和连接螺柱16。

根据本发明一种优选地实施方式，u形板15位于进气侧挡板12和焊接侧挡板14之间，u形板15、进气侧挡板12和焊接侧挡板14连接形成无盖的长方形盒体，所述管嘴11安装在进气侧挡板12上，如图1、图3、图4和图8所示，管嘴11连接外界和氩气保护罩1内部。优选地，管嘴11位于进气侧挡板12的中心位置，位于进气侧挡板12的外侧，管嘴11用于为氩气保护罩1内输送氩气。

在u形板15的底面设有连接螺柱16，该链接螺柱16位于u形板15的外侧，与u形板15的底面垂直，如图7和图8所示，用于连接氩气保护罩1、轮轴组件2和导向轮组3。

根据本发明一种优选地实施方式，所述氩气保护罩1还包括折流板13。

该折流板13安装在进气侧挡板12的内侧，位于管嘴11的上方，与进气侧挡板12垂直，与u形板15的底面平行，与u形板15的侧面相连，且与焊接侧挡板14之间存在空隙，如图4、图8所示。该折流板13可对输送到焊道处的氩气进行导向，使氩气仅能从折流板13与焊接侧挡板14之间的空隙流出，使其流过焊接处时保持较高的氩气浓度，防止焊道与空气接触，避免焊道被氧化。

根据本发明进一步优选地实施方式，所述折流板13与焊接侧挡板14之间的距离为5～15mm，优选地，所述折流板13与焊接侧挡板14之间的距离为10mm。经试验发现，当折流板13与焊接侧挡板14之间的距离为5～15mm时，焊道焊接处具有较高的浓度，焊接后内侧焊缝表面更加平滑，焊接质量更高。

更优选地，所述焊接侧挡板14上端设有圆形豁口，该豁口位于焊接侧挡板14上端的中间位置，如图9所示。经试验发现，设置该圆形豁口可防止透过焊缝形成的内侧焊道与侧挡板14熔合，避免影响最终的焊接质量，豁口应尽量小，避免氩气流失，降低焊道处的氩气浓度，导致焊缝表面被氧化，影响焊接质量。

在本发明中，所述氩气保护罩1的长度为240～320mm，优选地，所述氩气保护罩1的长度为260～300mm，更优选为280mm。经试验发现，当氩气保护罩为240～320mm时，可保证焊道焊接处的氩气浓度较高，在冷却过程中不易被氧化，具有较高的焊接质量。

本发明中，所述轮轴组件2用于连接摆动轮组4、氩气保护罩1和导向轮组3。该轮轴组件2包括牵引环21、连接块22和轴23，牵引环21和连接块22均安装在轴23上，所述连接块22对称连接在轴23的两侧，牵引环21安装在轴23的前侧，如图10所示。所述轴23上设有通孔，优选地，该通孔贯穿轴23的上、下表面，更优选地，该通孔位于轴23上表面的中轴线上，该中轴线与轴23上表面的长边平行。轮轴组件2和氩气保护罩1通过连接螺柱16和该通孔相连接。

根据本发明一种优选地实施方式，该通孔与连接螺柱16为小间隙配合，且该通孔的直径大于连接螺柱16的直径，保证连接螺柱16可以插入该通孔，同时安装后不会发生左右位移，避免氩气保护罩1偏离焊道，影响焊接质量。

轴23为长方体状，所述牵引环21固定在轴23的侧面，牵引环21用于连接牵引绳控制本装置在方管内的移动。优选地，所述牵引环21与管嘴11位于气体保护装置的同一侧。

所述连接块22位于轴23的侧面，对称连接在轴23上，用于连接摆动轮组4。

所述导向组件3包括导向板31、导向轮轴32和导向轮33，本发明所述导向组件3用于调整本装置在方管内的横向位置，可有效避免氩气保护罩1偏离焊缝区域。

在本发明中，导向轮33通过导向轮轴32安装在导向板31上，如图11所示，导向轮33可以良好地引导氩气保护罩1不偏离焊缝焊接区域，使氩气保护罩1始终笼罩焊道熔池。

在导向板31上设有通孔，优选地，该通孔贯穿导向板31的上、下表面，更优选地，该通孔位于导向板31上表面的中轴线上，如图11所示，该中轴线与导向板31上表面的长边平行。连接螺柱16依次穿过轴23上的通孔和导向板31上的通孔，优选通过连接螺母6紧固在连接螺柱16上，使氩气保护罩1、轮轴组件2和导向组件3固定连接，如图2、图3和图4所示。

优选地，所述导向板31上的通孔与连接螺母16为小间隙配合，且该通孔的直径大于连接螺母16的直径，保证连接螺柱16可以穿过该通孔即可，小间隙配合可以有效避免连接螺柱16在通孔内左右晃动，防止氩气保护罩偏离焊道，使焊道焊接部位的氩气浓度较高，避免焊接后焊道表面冷却过程中被氧化，影响焊接质量。

所述螺母6内设有内螺纹，连接螺柱16的底端设有外螺纹，通过该内螺纹和外螺纹的相互配合，连接螺母6紧固在连接螺柱16上。

根据本发明一种优选地实施方式，所述导向轮33与导向轮轴32对称安装在导向板31上，优选地，所述导向轮33与导向轮轴32对称安装在导向板31的四角位置，如图3和图11所示，可有效保证氩气保护罩1不偏离焊道，避免焊接处氩气浓度降低，影响焊接质量。

根据本发明进一步优选地实施方式，位于导向板31两端相对的两导向轮33的外侧间距比方管7内侧宽度小4～12mm，优选为6～10mm，本发明人发现，当导向组3最宽处比方管7内侧宽度小4～12mm时，不仅导向轮组3始终能够使本发明所述装置平稳在方管7内移动，可随意调节本装置在方管7内的位置，还可保证方管7首层焊接焊缝收缩量为2～4mm，保证具有较高的焊接质量。

在本发明中，该回弹式方管焊接内侧气体保护装置还包括弹力绳5，该弹力绳5连接在摆动轮组4上。

根据本发明一种优选地实施方式，本发明所述摆动轮组4包括摆臂41、连接杆42、滚轮43和滚轮轴44，该连接杆42、滚轮43和滚轮轴44均安装在摆臂41上，所述滚轮43和滚轮轴44位于摆臂41的下端，在两相邻摆臂41之间安装连接杆42，该连接杆42安装在摆臂41的中间位置，摆臂41的上端与轮轴组件2相连，如图12所示。

根据本发明一种优选地实施方式，在摆臂41的上下两端均设有连接孔，如图3、图12和图14所示，上端连接孔与连接块22相连，使摆动轮组4连接在轮轴组件2上，且摆臂41可在连接块22上转动；下端连接孔与滚轮轴44相连，滚轮43通过滚轮轴44安装在摆臂41上，滚轮43可保证本发明所述气体保护装置在方管7内滚动位移，避免对方管7内部造成损伤。在摆臂41的中间位置设有螺纹孔，如图14所示，该螺纹孔用于安装连接杆42。

根据本发明进一步优选地实施方式，在连接杆42的两端设有外螺纹，如图13所示，该外螺纹与摆臂41中间位置的螺纹孔相配合，连接杆42和摆臂41通过该外螺纹和螺纹孔相连接。两连接杆42与进气侧挡板12平行。

两连接杆42之间设有弹力绳5，所述弹力绳5与u形板15的侧面平行，如图2所示，该弹力绳5具有较大弹力，弹力绳5一方面可保证本装置顺利装入方管中，由于弹力绳5的回弹作用，还可保证氩气保护罩1受弹力绳5回弹拉力上升抵在方管7内壁焊缝处，使氩气保护罩1始终贴合在焊道背侧，确保在焊道冷却的过程中其表面氩气浓度较高。

根据本发明第二方面，提供所述回弹式方管焊接内侧气体保护装置用于焊接的使用方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、c型钢组对成方管，调整焊接间隙，在焊缝两侧固定定位板。

将c型钢组对成方管7，并调整好焊接间隙，如图1、图3和图5所示，焊缝为外坡口。

在本发明中，所述c型钢组对间隙为3～5mm，优选为4mm。

然后在焊缝上端焊接定位板72，所述定位板72焊接在c型钢焊缝的两侧，用于固定焊缝的间隙，如图5所示。本发明人在焊接过程中发现，首层焊接时，焊接位置焊缝冷却收缩会使附近区域焊缝逐渐变小，导致最终焊接得到的方管宽度逐渐减小，如图6所示，不利于后续的使用。因此，在本发明中，用焊接定位板72的方式，保证两c型钢之间的焊缝间隙不变。

根据本发明一种优选地实施方式，所述定位板72沿方管7长度方向等间距布置，如图5所示。所述间距为150～250mm，优选为180～220mm，更优选为200mm。经试验发现，当间距为200mm时，不仅可以减少定位板72的设置，提高工作效率，还可使焊缝间隙保持不变，保证焊接质量。

步骤2、将回弹式方管焊接内侧气体保护装置置于步骤1得到的方管中。

焊接前选定焊接方向，将轮轴组件2、导向轮组3沿连接螺柱16穿入后用连接螺母6预紧，使轮轴组件2、导向轮组3紧固在氩气保护罩1上，将摆臂41分别安装在连接块22上，并保证摆臂41可绕着连接块22自由转动，安装时轮轴组件牵引环21与氩气保护罩管嘴11位于同一侧。

各零件安装完成后，将弹力绳5连接在连接杆42上，弹力绳5使两连接杆42间产生拉力并靠在导向板31上，此时本装置高度e大于方管内侧间距c，如图2和图5所示。弹力绳5根据其弹性可选择一根或多根。在管嘴11上密封连接足够长的氩气导管8，如图1所示，在牵引环21上连接一条牵引绳，氩气导管8和牵引绳的长度应大于方管7的长度。

将连接杆42向外掰开，使整个气体保护装置的高度低于方管7内侧间距c，并从焊接侧另一端送入方管中，连接杆42受弹力绳5拉力作用将氩气保护罩1顶至与方管7内壁顶端贴合。用一根与方管7长度接近的轻质量圆棒抵在本装置进气端，将其推至方管7焊接起始端，并确保牵引绳在送入端露出并可轻松拉动。当操作者在焊接起始端接触到本装置后，在内侧调节氩气保护罩1与焊缝的位置，使焊接侧挡板14与方管7焊接端齐平，保证焊接侧挡板14与方管7焊接端没有空隙，保证初始焊接处具有较高的氩气浓度。

步骤3、进行焊接。

接通氩气使其从氩气导管8进入氩气保护罩1中，并调节好气体流速，从焊接侧开始焊接，焊接及焊缝冷却过程中应始终保持氩气流动畅通。当焊接遇到第一块定位板72，在距其10～20mm时停止焊接并将该定位板72拆除。同时焊接人员可透过焊缝观察氩气保护罩1所在位置并将牵引绳朝焊接方向拉动至进气侧挡板12与下一块定位板72重合，且焊接侧挡板14仍处于焊道下方，如图4所示，即氩气保护罩1覆盖两个定位板72间焊缝位置。待确认位置后继续焊接，并按同样的方式沿焊接方向完成整条焊缝的焊接以及气体保护。

整个焊接过程中，氩气进入氩气保护罩1后通过折流板13的导向流向焊道，并随焊道焊接的延长始终对焊道进行充分保护。氩气流动过程中氩气保护罩1中无氧气进入，确保焊道焊接处氩气处于较高的浓度，如图4所示，保证焊接质量。

焊接过程中焊缝位置受热收缩向下塌陷，方管焊缝位置内侧间距c变小，摆动轮组4会受下压力继续向外侧摆动并始终受弹力绳5拉力作用使氩气保护罩1与方管7内壁贴合，达到气体保护的最佳效果。

本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。