一種管板角接接頭輔助焊接裝置及焊接方法
【專利摘要】本發明公開了一種管板角接接頭輔助焊接裝置及焊接方法。所述輔助焊接裝置包括金屬板和金屬管、工藝筋；所述金屬板上開有供金屬管端部穿過的孔，該孔的側壁均為K型坡口；所述金屬管的端部穿過金屬板上的孔，且金屬管的端面與金屬板的正面共面；所述工藝筋固定在金屬板的正面，且與金屬管的端面接觸；所述金屬管的外壁與金屬板的孔壁之間具有間隙。所述焊接方法先內側焊至坡口深度的2/3—4/5，再翻面焊接外側焊縫至全部填滿，最后完成內側剩余焊接。本發明可以控制管板的焊接變形，擁有良好焊縫外觀及內部質量，以適用于類似軌道交通等領域類似零部件的焊接。
【專利說明】
一種管板角接接頭輔助焊接裝置及焊接方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種管板角接接頭輔助焊接裝置及焊接方法，屬于管板焊接技術領 域。
【背景技術】
[0002] 對于厚度為10mm-25mm的中厚金屬板焊接，不管是對接接頭還是T型接頭，多采用 K型坡口焊接，以達到雙面焊雙面成型的目的，尤其管板對接的K型焊縫通過采用工裝或壓 金屬板壓緊的方式，可以較容易減小其變形，其焊接方式有埋弧焊、MAG焊(熔化極活性氣體 保護焊)等多種焊接方法，但對于管板角接的K型坡口焊接方法還未曾涉及。
[0003] 管板角接的K型焊縫的難點在于焊接變形和內部缺陷，尤其對于有垂直度和平面 度要求的零部件，更應該控制焊接變形。引起焊接變形的主要原因是焊接過程中的熱輸入 不均勻引起焊接殘余應力。影響焊接殘余應力和變形的因素有兩點：
[0004] -是焊縫及其周圍不均勻加熱的范圍和程度，即產生熱變形的范圍和程度；
[0005] 二是焊件本身的剛度及受到周圍拘束的程度，即阻止焊縫及其周圍加熱所產生熱 變形的程度。
[0006] 由于此類焊縫均為關鍵焊縫，焊后需要進行磁粉探傷和超聲波探傷，容易發現內 部含有氣孔、裂紋、夾渣、位熔合等缺陷，給返修帶來不便，影響焊接零部件質量穩定性，這 些缺陷產生的主要原因有：焊前預熱溫度不合適，焊前打磨清理不干凈，層間溫度控制不 夠，焊接參數不合適等。
[0007] 中國專利申請CN102513713A公開了一種不銹鋼復合金屬板制壓力容器殼體與插 入式不銹鋼接金屬管的焊接方法，其包括如下步驟：
[0008] a)、在不銹鋼復合金屬板制壓力容器殼體上開設不銹鋼接金屬管的金屬管孔，將 金屬管孔壁加工成K型或單V型的一次坡口；
[0009] b)、在一次坡口面上用高鉻鎳不銹鋼焊條堆焊一定厚度的過渡隔離層，形成二次 坡口；
[0010] C)、將堆焊后的不銹鋼復合金屬板制壓力容器殼體進行消除應力熱處理；
[0011] d)、根據復合金屬板上的不銹鋼復層的材質用同材質的不銹鋼焊條焊接不銹鋼接 金屬管與不銹鋼復合金屬板堆焊層間的角接接頭。由于先在不銹鋼復合金屬板基層側的一 次坡口上用高鉻鎳焊條堆焊一定厚度的過渡隔離層，然后用不銹鋼焊條焊接角接接頭，將 碳鋼或低合金鋼成分過渡為不銹鋼成分，焊縫塑性由小到大的過渡，避免了裂紋的發生，使 用性能可靠。
[0012] 然而該種焊接只是針對異種鋼或不銹鋼殼體與不銹鋼接金屬管之間的焊接，同時 還要在不銹鋼殼體開設的K型或V型坡口上堆焊過渡熔敷隔離層，再進行管板的焊接，由于 增加了過渡層，導致應力不均勻，容易產生裂紋，必須通過熱處理消除焊接殘余應力，工藝 施工難度較大，更重要的是無法徹底根除異種材料焊接產生裂紋的隱患，只適用于金屬板 厚較薄的殼體與接金屬管的焊接，對10-25mm的中厚金屬板碳鋼材質的管板焊接并不適 用。
【發明內容】
[0013] 為實現管板角接的K型坡口焊接，并具有良好的焊接外觀效果(重點保證金屬管子 與金屬板的垂直度及金屬管子端部與金屬板子的平面度)及內部質量(無裂紋、氣孔、夾渣、 未焊透、未熔合），本發明旨在提供一種管板角接接頭輔助焊接裝置及焊接方法，該焊接方 法首先要解決的問題是如何控制中厚金屬板厚度的管板角接接頭K型坡口焊接變形，從而 可以控制焊接變形，擁有良好焊縫外觀及內部質量，以適用于類似軌道交通等領域類似零 部件的焊接。進一步要解決的問題是如何減少焊接時的翻面次數，進而降低勞動強度，提高 工作效率。
[0014] 為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：
[0015] -種管板角接接頭輔助焊接裝置，包括金屬板和金屬管，其結構特點是，還包括工 藝筋;所述金屬板上開有供金屬管端部穿過的孔，該孔的側壁均為K型坡口；所述金屬管的 端部穿過金屬板上的孔，且金屬管的端面與金屬板的正面共面;所述工藝筋固定在金屬板 的正面，且與金屬管的端面接觸;所述金屬管的外壁與金屬板的孔壁之間具有間隙。
[0016] 本發明的輔助焊接裝置可以使中厚金屬板與金屬管的角接焊接質量得到了控制， 焊縫經磁粉探傷和超聲波探傷達到了 EN 15085《軌道車輛及其部件的焊接》中CPB級焊縫質 量要求，焊接變形得到了很好的控制。
[0017] 本發明所述的金屬管的端面與金屬板的正面共面是指在肉眼看來為一個平面，金 屬管端面與金屬板近似在同一平面上，避免了校正等工序，提高了工作效率。
[0018] 根據本發明的實施例，還可以對本發明作進一步的優化，以下為優化后形成的技 術方案：
[0019]優選地，所述金屬管為金屬圓管，金屬板上開圓孔;優選金屬管外壁與金屬板的圓 孔內壁之間的環形間隙為;優選K型坡口為環狀K型對稱坡口。
[0020]優選地，所述工藝筋有兩條;優選工藝筋的長度大于金屬板孔的最大徑向尺寸至 少100mm;更優選工藝筋的長度大于金屬板孔的最大徑向尺寸100mm-150mm。
[0021 ] 在本發明中，所述金屬板厚tl為10mm-25mm，金屬管壁厚t2為10mm-50mm。
[0022]優選地，所述K型坡口的正反面坡口角度a均為45° - 50°。
[0023] 為了方便分段焊接，所述K型坡口的根部具有鈍邊；優選該鈍邊的長度c為1mm-2mm 〇
[0024] -種管板角接接頭焊接方法，其包括如下步驟：
[0025] S1、在金屬板上開孔，并在孔內壁上加工K型坡口；
[0026] S2、將金屬板的正面通過工藝筋墊起，并固定金屬板和工藝筋；
[0027] S3、將金屬管穿過金屬板的孔，在金屬管外壁與孔內壁之間設有間隙，且保證金屬 管端面與金屬板的正面共面；
[0028] S4、固定工藝筋和金屬管，在金屬管與金屬板接觸的外側部分的V型坡口處點焊多 段打底焊縫，并預熱金屬管與金屬板接觸的內側部分的V型坡口以及周邊母材;優選打底焊 縫為三段，每段長度為15mm-20mm;
[0029] S5、對金屬板的孔內側K型坡口根部焊道打底焊接，使根部焊道熔透后，部分焊縫 金屬透過金屬管與金屬板接觸的外側部分的V型坡口，完成打底焊接；
[0030] S6、打底焊接后，清理焊縫表面的氧化皮，再進行填充層的焊接，焊至K型坡口深度 的至少一半時，翻面去掉工藝筋，并對K型坡口的外側V型坡口根部進行清根；
[0031] S7、清根完成后，對K型坡口的外側V型坡口處焊縫及周邊進行預熱，再進行外側多 層多道焊接，直至外側焊縫全部填滿，最后完成K型坡口內側剩余深度的焊接。
[0032] 由此，內側焊縫焊接時會產生向內側彎曲的焊接變形，外側焊接時會產生向外側 彎曲的焊接變形，兩者相互抵消，從而控制焊接變形，擁有良好焊縫外觀及內部質量。
[0033] 所述K型坡口為圓環狀;優選K型坡口的正反面坡口角度a均為45° - 50°。
[0034] 步驟S6中，焊至K型坡口深度的2/3-4/5時，翻面去掉工藝筋，步驟S7中，K型坡口 內側剩余深度為K型坡口深度的1/5-1/3。
[0035] 焊接方式為MAG焊，保護氣為含C02的富氬保護氣;優選Ar和C02的體積分數之比為 (80% - 90%): (10% - 20%);優選MAG焊的焊絲為實心焊絲，直徑為1.2mm- 1.6mm，氣體流 量為15L/min-20L/min，焊接電流為180-240A，焊接電壓為28-32V，焊接速度為250mm/ min-350mm/min，層間溫度為 50-100°(：，步驟34、37中，預熱溫度為150°(：-200°(：。
[0036] 本發明采用上述對稱K型坡口焊接工藝焊接類似管板結構，可以使中厚金屬板與 金屬圓管的角接焊接質量得到了控制，焊縫經磁粉探傷和超聲波探傷達到了EN 15085《軌 道車輛及其部件的焊接》中CPB級焊縫質量要求，焊接變形得到了很好的控制，金屬圓管端 部與鋼板近似在同一平面上，避免了校正等工序，提高了工作效率。
[0037]與現有技術相比，本發明的有益效果是:本發明采用上述方法6KJ/cm - 13KJ/cm熱 輸入焊接完成的管板角接焊縫，金屬圓管端部與鋼板基本在同一平面，變形量小，同時金屬 圓管與鋼板的垂直度也保持很好，經磁粉探傷和超聲波探傷檢測后，未見明顯缺陷，符合 EN15085中CPB級焊縫質量要求，無焊后校正或返修工序，大大提高了焊接效率。
【附圖說明】
[0038]圖1是本發明一個實施例的結構原理圖；
[0039]圖2是圖1的俯視圖。
[0040] 在圖中
[0041] 1-金屬板，2-金屬管;3-工藝筋;4-K型對稱坡口；5-根部;A-金屬板正面。
【具體實施方式】
[0042] 以下將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。需要說明的是，在不沖突的情 況下，本發明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。為敘述方便，下文中如出現 "上"、"下"、"左"、"右"字樣，僅表示與附圖本身的上、下、左、右方向一致，并不對結構起限 定作用。
[0043] -種管板角接接頭K型坡口 MAG焊焊接方法，按以下步驟進行：
[0044] 1)采用機加設備對中厚金屬板(圖1中金屬板1)加工環狀K型坡口，優選為K型對稱 坡口。K型對稱坡口的正反面坡口角度a均為45° - 50°，根部留有鈍邊c為1 一2mm;
[0045] 1)采用機加設備加工金屬管，圖1中金屬管2,優選為金屬圓管，金屬圓管外徑尺寸 小于金屬板子環狀K型坡口內徑2-3mm；
[0046] 2)采用機加設備加工兩條截面尺寸大于50 X 50mm，長度大于金屬板子環狀K型坡 口 100-150mm的工藝筋3;
[0047] 3)將金屬板1用2條工藝筋3墊起，點焊固定住工藝筋3和金屬板1的正面；
[0048] 4)將金屬管2穿入金屬板1，保證金屬管2和金屬板1在同一平面上，保證金屬管2與 金屬板1的環形孔裝配間隙b為2-3_;
[0049] 5)點焊固定住工藝筋3和金屬管2,點焊固定住工藝筋3和金屬管2,同時均勻分布 點焊金屬板1和金屬管2外側（靠近工藝筋的單V型坡口）三段長15-20mm長的環狀打底焊 縫；
[0050] 6)預熱金屬板1與金屬管2接觸的內側焊縫坡口（遠離工藝筋的單V型坡口）及周邊 母材至 150-200 °C;
[0051] 7)采用MAG焊(熔化極活性氣體保護焊)實心焊絲進行K型坡口鋼板內側根部焊道 的打底焊接，使根部焊道熔透后，部分焊縫金屬透過坡口正面，完成打底焊接；
[0052] 8)打底焊接后，待溫度降至50°C-100°C左右，清理焊縫表面的氧化皮、飛濺后，再 進行填充層的焊接，焊至坡口深度2/3-4/5時，翻面去掉工藝筋，并用車床對外側坡口根部 進行清根；
[0053] 9)清根完成后，對外側坡口處焊縫及周邊進行預熱至150-200°C，再用MAG焊進行 外側多層多道焊接，直至外側焊縫全部填滿，再用MAG焊完成內側剩余的1/5-1/3深度的焊 接。
[0054] 本發明的工作原理：
[0055] 這種先內側焊至坡口深度的2/3-4/5，再翻面焊接外側焊縫至全部填滿，再完成 內側剩余焊接的方法，起到以下作用：
[0056] (1)內側焊縫焊接時會產生向內側彎曲的焊接變形，外側焊接時會產生向外側彎 曲的焊接變形，兩者相互抵消；
[0057] (2)內側焊縫焊至坡口深度的2/3-4/5,而外側焊縫打底、填充、蓋面焊接一次全 部完成，原因是內側焊縫先焊接，焊接時引起的收縮量最大，后續逐道遞減，只有外側焊道 更多才能抵消內側焊縫焊接時產生的應力變形；
[0058] (3)這樣操作簡便，通過自制的2條工藝筋連接中厚金屬板和金屬圓管，約束了相 互間的焊接變形，減少了焊接翻面次數，降低了勞動強度，提高了工作效率，最重要的是不 需要焊接工裝夾具，即可很好的控制了焊接變形，焊縫質量高，適用于軌道交通等領域類似 部件的焊接。
[0059] MAG焊的保護氣體為80 % -90 % Ar+10 % -20 % C02 (體積分數）。
[0060] 本發明的焊絲為實心焊絲，直徑為1.2-1.6mm，氣體流量為15-20L/min，焊接電 流為180-240A，焊接電壓為28-32V，焊接速度為250-350mm/min，層間溫度為50-100°C，預 熱溫度為150-200 °C。
[0061]本發明采用上述對稱K型坡口焊接工藝焊接類似管板結構，可以使中厚金屬板與 金屬圓管的角接焊接質量得到了控制，焊縫經磁粉探傷和超聲波探傷達到了EN 15085《軌 道車輛及其部件的焊接》中CPB級焊縫質量要求，焊接變形得到了很好的控制，金屬圓管端 部與鋼板近似在同一平面上，避免了校正等工序，提高了工作效率。
[0062] 本發明中，金屬管2優選為金屬圓管，圖1中tl:10-25mm，t2:10-50mm，t3為截面 尺寸大于50 X 50mm，長度大于金屬板1的圓孔直徑100-150mm。
[0063]以下以一個實例詳細介紹本發明：
[0064] 采用實心焊絲，富氬保護氣體（80%Ar+20%⑶2)，選用一塊400mm(鋼板縱向）X 220mm(鋼板橫向）X25mm(厚）的Q345D低合金高強鋼板，一個巾180mm(直徑巾A) X25mm(壁 厚）X 115mm(長度）的Q345D材質金屬圓管以及2個90_X90_X 300mm的Q235B材質工藝筋。 用6KJ/cm - 13KJ/cm的熱輸入焊接管板角接K型坡口焊縫。焊接前，鋼板用機械加工的方法 加工環形對稱K型坡口，然后按圖1中的方法組對，先對內側待焊部位進行預熱，然后焊接坡 口至整個坡口深度的2/3-4/5,再用車床等機加設備將外側坡口根部進行清根處理，打磨 干凈后將外側焊縫一次焊滿，再焊接內側剩余部分。實心焊絲富氬氣體MAG焊焊接參數如表 1所示：
[0065]表1熱輸入6KJ/cm - 13KJ/cm實心焊絲富氬氣體保護MAG焊焊接工藝參數
[0067]上述實施例闡明的內容應當理解為這些實施例僅用于更清楚地說明本發明，而不 用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式 的修改均落入本申請所附權利要求所限定的范圍。
【主權項】
1. 一種管板角接接頭輔助焊接裝置，包括金屬板（1)和金屬管(2)，其特征在于，還包括 工藝筋（3);所述金屬板（1)上開有供金屬管（2)端部穿過的孔，該孔的側壁均為K型坡口 (4);所述金屬管(2)的端部穿過金屬板(1)上的孔，且金屬管(2)的端面與金屬板(1)的正面 (A)共面;所述工藝筋(3)固定在金屬板（1)的正面(A)，且與金屬管(2)的端面接觸;所述金 屬管(2)的外壁與金屬板的孔壁之間具有間隙。2. 根據權利要求1所述的管板角接接頭輔助焊接裝置，其特征在于，所述金屬管（2)為 金屬圓管，金屬板（1)上開圓孔;優選金屬管（2)外壁與金屬板的圓孔內壁之間的環形間隙 為;優選K型坡口（4)為環狀K型對稱坡口。3. 根據權利要求1所述的管板角接接頭輔助焊接裝置，其特征在于，所述工藝筋（3)有 兩條;優選工藝筋的長度大于金屬板（1)孔的最大徑向尺寸至少IOOmm;更優選工藝筋的長 度大于金屬板(1)孔的最大徑向尺寸IOOmm-150mm。4. 根據權利要求1-3之一所述的管板角接接頭輔助焊接裝置，其特征在于，所述金屬板 (1)厚 10mm-25mm，金屬管（2 )壁厚 10mm-50mm。5. 根據權利要求1-3之一所述的管板角接接頭輔助焊接裝置，其特征在于，所述K型坡 口（4)的正反面坡口角度α均為45° - 50°。6. 根據權利要求1-3之一所述的管板角接接頭輔助焊接裝置，其特征在于，所述K型坡 口⑷的根部(5)具有鈍邊;優選該鈍邊的長度c為lmm-2mm。7. -種管板角接接頭焊接方法，其特征在于，包括如下步驟： 51、 在金屬板（1)上開孔，并在孔內壁上加工K型坡口（4); 52、 將金屬板（1)的正面通過工藝筋(3)墊起，并固定金屬板（1)和工藝筋(3); 53、 將金屬管（2)穿過金屬板（1)的孔，在金屬管（2)外壁與孔內壁之間設有間隙，且保 證金屬管(2)端面與金屬板(1)的正面共面； 54、 固定工藝筋(3)和金屬管(2)，在金屬管(2)與金屬板（1)接觸的外側部分的V型坡口 處點焊多段打底焊縫，并預熱金屬管(2)與金屬板（1)接觸的內側部分的V型坡口以及周邊 母材； 55、 對金屬板（1)的孔內側K型坡口根部焊道打底焊接，使根部焊道熔透后，部分焊縫金 屬透過金屬管(2)與金屬板(1)接觸的外側部分的V型坡口，完成打底焊接； 56、 打底焊接后，清理焊縫表面的氧化皮，再進行填充層的焊接，焊至K型坡口深度的至 少一半時，翻面去掉工藝筋，并對K型坡口的外側V型坡口根部進行清根； 57、 清根完成后，對K型坡口的外側V型坡口處焊縫及周邊進行預熱，再進行外側多層多 道焊接，直至外側焊縫全部填滿，最后完成K型坡口內側剩余深度的焊接。8. 根據權利要求7所述的管板角接接頭焊接方法，其特征在于，所述K型坡口為圓環狀； 優選K型坡口的正反面坡口角度α均為45° - 50°。9. 根據權利要求7所述的管板角接接頭焊接方法，其特征在于，步驟S6中，焊至K型坡口 深度的2/3-4/5時，翻面去掉工藝筋，步驟S7中，K型坡口內側剩余深度為K型坡口深度的1/ 5-1/3〇10. 根據權利要求7-9之一所述的管板角接接頭焊接方法，其特征在于，焊接方式為MAG 焊，保護氣為含CO2的富氬保護氣;優選Ar和CO2的體積分數之比為(80%-90%) : (10% - 20%); 優選MAG焊的焊絲為實心焊絲，直徑為1.2mm -1.6mm，氣體流量為15 L/min-20L/min，焊接 電流為180-240A，焊接電壓為28-32V，焊接速度為250 mm/min-350mm/min，層間溫度為50-100°C，步驟S4、S7中，預熱溫度為150°C_200°C。
【文檔編號】B23K9/32GK105880815SQ201610424192
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月15日
【發明人】尉法兵, 黃志 , 劉穎
【申請人】通號軌道車輛有限公司