板材的窄間隙焊接坡口的製作方法
2023-05-20 15:40:01
本實用新型涉及焊接技術領域，更具體地說，涉及高強度材質中厚板材的焊接技術。
背景技術：
隨著海洋工程技術領域的不斷發展，對高強度/超高強度鋼材的需求也不斷增加。應用於海洋工程的鋼結構需要面對複雜惡劣的使用環境，對於結構的機械強度、抗腐蝕能力的要求都較高。因此，海洋工程鋼結構，尤其是承載部件結構所使用的板材通常都為高強度/超高強度鋼材，例如Q690、Q890、Q960等材質的鋼材。比如，在海洋平臺樁腿、海洋浮吊臂架等承載部件上，均要求使用Q690、Q890、Q960等高強度/超高強度鋼材。由於機械強度和抗腐蝕能力的要求，板材的厚度也有一定的要求，一般使用板材厚度為30mm～200mm的中厚板。
高強度/超高強度鋼材雖然具有很高的使用可靠性，但其加工難度較大，尤其是高強度/超高強度鋼材的焊接，需要耗費大量的人力物力。現有技術中，對於高強度/超高強度鋼的焊接一般採用手工電弧焊、多層多道焊的方式，焊接工作量大、效率低。在坡口的設計和施工上都是選用對稱的雙面V型大坡口形式。所謂對稱，是指兩側坡口的深度相同，坡口根部位於板厚中心的位置。V型大坡口的坡口側壁呈現明顯傾斜角度，與豎直方向的夾角通常都在20°以上，坡口根部較窄，呈現尖端造型。在對稱的雙面V型大坡口的焊接過程中，通常包括如下的焊接步驟：先焊接正面坡口、然後從背面碳弧氣刨清根、打磨、預熱後再進行背面焊接的工藝。焊接工序多。由於V型大坡口開口較大，因此需要填充的金屬量大，焊接收縮變形也較大，焊接接口的質量穩定性較差，一次焊接合格率低，返工量大。由此造成生產周期長，生產效率低，並且工人勞動強度大，生產環境惡劣。由於高強度/超高強度中厚板鋼材的焊接周期長、效率低、質量不佳，因此嚴重製約了海洋工程裝備的生產進度。
技術實現要素：
本實用新型提出一種適用於高強度/超高強度中厚板鋼材的窄間隙焊接坡口。
根據本實用新型的一實施例，提出一種板材的窄間隙焊接坡口，窄間隙焊接坡口為雙面U型，坡口的鈍邊中心偏離板厚中心，坡口根部由鈍邊的斜面通過圓角過渡，形成U型，坡口由根部向板材邊緣逐漸開口形成坡口角度。
在一個實施例中，板材的板厚為T，坡口的鈍邊中心偏離板厚中心的距離為5％T～10％T。
在一個實施例中，鈍邊的厚度為1％T～10％T，鈍邊的斜面的水平夾角為13°～15°。
在一個實施例中，坡口根部的寬度為10％T～50％T，坡口根部的圓角半徑為1％T～15％T。
在一個實施例中，坡口角度的豎直夾角為1°～4°。
在一個實施例中，板材的板厚為30mm～200mm。
在一個實施例中，鈍邊中心偏離板厚中心的距離為4mm～12mm。
在一個實施例中，鈍邊的厚度為2.5mm～3.5mm。
在一個實施例中，坡口根部的寬度為14mm～20mm，坡口根部的圓角半徑為3mm～4mm。
在一個實施例中，板材的材質為Q690、Q890或Q960高強度鋼。
本實用新型提出的板材的窄間隙焊接坡口解決了高強度/超高強度中厚板鋼材焊接效率低、根部需人工碳刨清根、焊縫金屬填充量大等問題。本實用新型的雙面U型坡口形式適合於中厚板窄間隙MAG/MIG焊接。鈍邊不在板厚中心，而是以板厚中心向一側偏移適當距離。利用本實用新型的窄間隙焊接坡口，焊接效率比傳統焊接提高2～3倍，節約焊材20％～70％，能有效減小焊接變形、無需碳刨清根，減少人工，實現高強度/超高強度中厚板鋼材的焊接效率及質量優化，降低工人勞動強度，改善生產環境，優化生產質量。
附圖說明
本實用新型上述的以及其他的特徵、性質和優勢將通過下面結合附圖和實施例的描述而變的更加明顯，在附圖中相同的附圖標記始終表示相同的特徵，其中：
圖1揭示了根據本實用新型的一實施例的窄間隙焊接坡口的結構圖。
圖2揭示了對本實用新型的窄間隙焊接坡口進行正面焊接的示意圖。
圖3揭示了對本實用新型的窄間隙焊接坡口進行背面機械清根的示意圖。
圖4揭示了對本實用新型的窄間隙焊接坡口進行雙面同時焊接的示意圖。
具體實施方式
參考圖1所示，圖1揭示了根據本實用新型的一實施例的窄間隙焊接坡口的結構圖。該窄間隙焊接坡口為雙面U型，坡口的鈍邊中心偏離板厚中心，坡口根部由鈍邊的斜面通過圓角過渡，形成U型，坡口由根部向板材邊緣逐漸開口形成坡口角度。繼續參考圖1，板材的板厚為T，板厚中心位於T/2處。本實用新型的窄間隙焊接坡口的鈍邊中心並不位於板厚中心處，而是偏離板厚中心T1的距離，在一個實施例中，T1為5％T～10％T。在圖1所示的實施例中，鈍邊中心從板厚中心向背面偏移，也就是說，鈍邊中心距離板材正面邊緣的距離為T/2+T1，而距離板材背面邊緣的距離為T/2-T1。兩側板材的鈍邊互相靠攏，由鈍邊的斜面和過渡的圓角形成U型的坡口根部。在一個實施例中，鈍邊的厚度f為1％T～10％T，鈍邊的斜面的水平夾角β為13°～15°。由於鈍邊是斜面的結構，因此鈍邊的厚度也是略有變化的，在靠近板材的位置較寬，而在頂端的位置較窄。由鈍邊的斜面和過渡的圓角形成U型的坡口根部的寬度T2為10％T～50％T，坡口根部的圓角半徑R為1％T～15％T。坡口由根部向板材邊緣逐漸開口形成坡口角度，但本實用新型的窄間隙焊接坡口的側壁的傾斜角度較小，更加接近於豎直。在一個實施例中，坡口角度的豎直夾角α為1°～4°。由於坡口角度較小，因此需要填充的焊材也較少，和傳統的V型大坡口相比較，本實用新型的窄間隙焊接坡口需要使用的焊材能夠節省很多。
在一個實施例中，板材的板厚T為30mm～200mm，板材的材質為Q690、Q890或Q960高強度鋼。針對上述的板厚和材質，窄間隙焊接坡口的其他參數可設置如下：鈍邊中心偏離板厚中心的距離T1為4mm～12mm。鈍邊的厚度f為2.5mm～3.5mm。坡口根部的寬度T2為14mm～20mm，坡口根部的圓角半徑R為3mm～4mm。
圖2～圖4揭示了對本實用新型的窄間隙焊接坡口進行焊接的過程。對於本實用新型提出的窄間隙焊接坡口，採用窄間隙MAG焊接(熔化極活性氣體保護電弧焊)機頭，該窄間隙MAG焊接機頭適用於對接焊縫的窄間隙坡口焊接，通過焊槍的搖動和擺動，使焊絲朝向側壁，可以使坡口兩個側壁熔透良好，實現一層一焊道的高品質、高效率、穩定的焊接。結合圖2～圖4所示，焊接過程可以分為：坡口加工及裝配、正面焊接、背面機械清根、雙面同時焊接幾個階段。坡口加工及裝配後形成的窄間隙焊接坡口的結構如圖1所示。圖2揭示了對本實用新型的窄間隙焊接坡口進行正面焊接的示意圖。圖3揭示了對本實用新型的窄間隙焊接坡口進行背面機械清根的示意圖。圖4揭示了對本實用新型的窄間隙焊接坡口進行雙面同時焊接的示意圖。
在一個實施例中，焊接的過程如下：
坡口加工及裝配步驟，進行窄間隙焊接坡口的加工及裝配，形成如圖1所示的窄間隙焊接坡口結構，在裝配時，坡口根部間隙為0～2mm，即兩側的鈍邊頂端之間留有0～2mm的間隙。
正面焊接步驟，如圖2所示，先進行預熱，預熱後進行正面焊接4～6層，每層厚度約4mm。
背面機械清根步驟，如圖3所示，為避免母材對焊縫金屬的稀釋作用，從背面進行機械清根，清根深度約10mm～16mm。清根完成後剩餘焊縫金屬在板厚中心附近，在圖3中，剩餘焊縫金屬位於板厚中心T/2處。
雙面同時焊接步驟，也稱為填充步驟，正反面同時焊接以提高焊接效率。在填充蓋面完成後，進行後熱緩冷以防止冷裂紋的產生。
本實用新型的窄間隙焊接坡口將鈍邊中心設置在偏離板厚中心的位置，鈍邊中心向背面偏移一定距離，結合窄間隙MAG焊接機頭及合理焊接工藝，可實現高強度/超高強度鋼中厚板的高效、節能、環保焊接，所得焊縫外觀成形良好。並且相比於傳統的鈍邊在厚度中心位置的坡口形式，焊接完成後可有效減小因兩側不同收縮量引起的翹曲變形，優化後變形程度幾乎為零。
並且與傳統的雙面V型大坡口形式的手工焊接方法相比，本實用新型的窄間隙坡口形式結合窄間隙MAG焊接機頭及合理焊接工藝，由傳統的一層多道改為一層一道使焊縫截面積極大地減小，提高生產效率2-3倍。縮短生產工時、節約焊接材料20％-70％，並且滿足大型金屬結構件對於高焊接效率和高焊接質量的要求。
下面介紹一個應用實例，焊接板材為Q690材質、板厚為178mm的超高強度中厚板材，進行中厚板窄間隙MAG/MIG焊接的雙面U型坡口焊接。
坡口加工及裝配步驟。板厚T為178mm，鈍邊中心距板厚中心向背面偏移量T1為12mm，坡口角度α為2°，坡口根部的寬度T2為18mm，鈍邊厚度f為3mm，鈍邊的斜面水平夾角β為15°，坡口根部的圓角半徑R為3.2mm。裝配時根部間隙為1mm，焊前去除坡口及周圍20mm範圍內的鐵鏽、油汙。焊前進行150-200℃預熱，焊接過程中，如果層間溫度低於150℃時，及時補充預熱，使層溫處於150-230℃範圍內。
正面焊接步驟。正面坡口焊接，先進行預熱，預熱後進行正面焊接5層，每層厚度約4mm，焊接參數見表1所示。正面焊接中會使用到打底焊、填充焊和蓋面焊幾種不同的焊接形式，不同的焊接形式採用不同的焊接參數。
背面機械清根步驟。正面完成對應焊層後，進行背面的機械清根，為減少母材對焊縫金屬的稀釋作用，完全清除鈍邊，清根深度約16mm，清根完成後剩餘焊縫金屬在板厚中心附近。
雙面同時焊接步驟。背面機械清根完成後，開始正反面同時焊接，每層填充約4mm，焊接過程中嚴格控制層間溫度及工藝參數，焊接參數見表1。雙面同時焊接中會使用到打底焊、填充焊和蓋面焊幾種不同的焊接形式，不同的焊接形式採用不同的焊接參數。焊接至表面2～3層後，相應調整焊接參數，滿足最終焊後餘高。填充蓋面完畢後，加熱至320℃保溫兩小時，緩冷。
表1：焊接工藝參數
本實用新型的高強度/超高強度鋼中厚板窄間隙焊接坡口，焊接鈍邊位置偏離板厚中心，結合以上窄間隙MAG焊接機頭及合理焊接工藝，實現了高強度/超高強度鋼中厚板的高效、節能、環保焊接，並且焊接完成後兩側不同收縮量引起的翹曲變形幾乎為零。所得焊縫外觀成形良好，無損探傷UT合格，焊縫宏觀斷面焊層清晰，厚度十分均勻。焊縫中無任何焊接缺陷存在，焊縫金屬與坡口底部及側壁的母材熔合良好。與傳統X型坡口焊縫截面對比，焊縫面積減小60％，焊接應力與變形更小，焊接生產率提高2倍。
本實用新型提出的板材的窄間隙焊接坡口解決了高強度/超高強度中厚板鋼材焊接效率低、根部需人工碳刨清根、焊縫金屬填充量大等問題。本實用新型的雙面U型坡口形式適合於中厚板窄間隙MAG/MIG焊接。鈍邊不在板厚中心，而是以板厚中心向一側偏移適當距離。利用本實用新型的窄間隙焊接坡口，焊接效率比傳統焊接提高2～3倍，節約焊材20％～70％，能有效減小焊接變形、無需碳刨清根，減少人工，實現高強度/超高強度中厚板鋼材的焊接效率及質量優化，降低工人勞動強度，改善生產環境，優化生產質量。
上述實施例是提供給熟悉本領域內的人員來實現或使用本實用新型的，熟悉本領域的人員可在不脫離本實用新型的實用新型思想的情況下，對上述實施例做出種種修改或變化，因而本實用新型的保護範圍並不被上述實施例所限，而應該是符合權利要求書提到的創新性特徵的最大範圍。