中薄壁變直徑鋁合金殼體多級環焊縫的焊接方法
【專利摘要】一種中薄壁變直徑鋁合金殼體多級環焊縫的焊接方法，其特征在于包括如下步驟：焊接接頭設計；一次潔凈；焊縫背保護；裝配；二次潔凈；采用自動變極性等離子焊機對鋁合金殼體進行預熱和焊接；所有多級焊縫焊接完成后采用自然冷卻方式使殼體溫度降至室溫。與傳統的鎢極氬弧焊接工藝相比變極性等離子焊接工藝采用不開坡口或開較小坡口，尤其對于壁厚10mm以下的鋁合金殼體不用開焊接坡口，可以一次焊接完成，從而降低了熱輸入、減少了焊接缺陷發生概率；預熱和焊接采用同一個設備，提高了預熱和焊接效率，降低了焊接成本。
【專利說明】中薄壁變直徑鋁合金殼體多級環焊縫的焊接方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種焊接方法，屬于焊接【技術領域】。
【背景技術】
[0002]由于產品輕量化、結構設計、成本控制等需求，現在很多儲藏、輸送的結構件都采用厚度在2.0mm?20.0mm之間的中薄壁變直徑鋁合金殼體，涉及不同直徑的筒體之間以及筒體與法蘭之間的多級環焊縫的焊接。傳統工藝由于焊接坡口設計不當、焊接工藝和焊接工裝不完善，造成殼體焊縫質量低，容易產生氣孔、夾雜、焊接裂紋和未焊透等焊接缺陷，尤其是焊接變形，涉及多條環焊縫的相互影響導致殼體整體變形嚴重，不能滿足產品使用要求。
[0003]現在隨著焊接技術快速發展，尤其是變極性等離子焊接技術的出現，為解決中薄壁變直徑鋁合金殼體環焊縫的焊接提供了技術基礎。變極性等離子焊接技術與常規鎢極氬弧焊接相對比電弧能量更集中，焊接坡口更小甚至不需要開坡口就能獲得優質的焊縫質量，采用高純度的氬氣進一步提高焊接質量，設計的焊接工裝對于防止鋁合金殼體焊接變形起到了重要作用。

【發明內容】

[0004]本發明所要解決的技術問題是針對上述的技術現狀而提供一種提高焊縫質量、減少焊接變形的中薄壁變直徑鋁合金殼體多級環焊縫的焊接方法。
[0005]本發明所要解決的又一個技術問題是針對上述的技術現狀而提供一種操作簡便的中薄壁變直徑鋁合金殼體多級環焊縫的焊接方法。
[0006]本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為:一種中薄壁變直徑鋁合金殼體多級環焊縫的焊接方法，其特征在于包括如下步驟:
[0007]①焊接接頭設計:根據殼體招合金壁厚2.0mm?20.0mm進行焊接接頭坡口設計，確定不開坡口或開小角度坡口；
[0008]②一次潔凈:對需要焊接的鋁合金殼體零部件進行酸堿清洗；
[0009]③焊縫背保護:采用帶圓弧槽的陶瓷襯塊進行焊縫背保護；
[0010]④裝配:首先將陶瓷襯塊分別置于焊接工裝的支撐座，然后將鋁合金殼體零部件在焊接工裝上裝配定位；
[0011]⑤二次潔凈:焊前采用干燥壓縮空氣吹拂待焊部位；
[0012]⑥采用自動變極性等離子焊機對裝在定位后的鋁合金殼體多級環焊縫視壁厚確定預熱或不預熱；
[0013]⑦采用自動變極性等離子焊機對定位后的鋁合金殼體多級環焊縫進行依次焊接，每一級環焊縫的開焊時殼體溫度均不能超過110°c ；
[0014]⑧所有多級焊縫焊接完成后采用自然冷卻方式使殼體溫度降至室溫；
[0015]⑨將焊接后的鋁合金殼體從焊接工裝上拆卸下來。[0016]步驟①所述的焊接接頭設計如下:
[0017]進ー步，所述的焊接接頭當壁厚1^=2.0mm~IOmm時，不開坡ロ ；當板厚t2=ll.0mm~20.0mm時，在殼體外側開單面V坡ロ，坡口角度為30 °~60 °，預留e=t2-9.Ctam鈍邊,環焊縫裝配間隙0.Ctam~1.Ctam。
[0018]步驟③中所述的焊縫背保護陶瓷襯塊，長X寬X厚為25mmX20mmX4mm，長度方向開槽寬 3.0mm ~4.0mm,深 1.5mm ~3.0mm。?
[0019]所述的鋁合金殼體包括依次相互焊接的第一套筒和第二套筒，前述第一套筒內徑大于第二套筒內徑，前述第一套筒的外端焊接有大法蘭，前述第二套筒的外端焊接有小法蘭；步驟④中所述的焊接エ裝
[0020]包括
[0021]芯軸；
[0022]第一定位座，設于前述的芯軸上并能繞芯軸轉動，用于定位大法蘭；
[0023]第二定位座，與前述的第一定位座間隔設置，用于定位小法蘭；
[0024]拉桿,橫向地設于前述的第一定位座和第二定位座之間并將第一定位座和第二定位座連為一體；
[0025]大端支撐座，能移動地設于前述的拉桿上，外端具有與第一套筒相緊貼的第一墊塊；
[0026]中端支撐座，能移動地設`于前述的拉桿上，外端具有與第二套筒內壁相緊貼的第二墊塊；以及
[0027]頂緊塊，能將前述的小法蘭定位于第二定位座上。
[0028]第一定位座、第二定位座、大端支撐座和小端支撐座協同配合將待焊接的各部件有效定位，便于實施焊接エ藝，同時，焊接時對各部件影響較少，不會使變直徑鋁合金殼體產生變形。
[0029]所述的中端支撐座的包括相互間隔設置的低位支撐部和高位支撐部，并且，前述的低位支撐部和高位支撐部外端均設有第二墊塊。
[0030]所述芯軸的后端具有軸承座，該軸承座內設有軸承，所述第二定位座具有設于前述軸承座內并與軸承轉動配合的轉動部。
[0031]作為優選，步驟⑤中所述的二次潔凈采用的干燥空氣濕度小于5%，壓カ為0.1~0.3MPa。
[0032]進一歩，步驟⑥中所述的采用自動變極性等離子焊機對裝在鋁合金殼體多級環焊縫視壁厚2.0mm~10.0mm時不預熱，壁厚11.0mm~20.0mm時預熱50°C~80°C,預熱區域為坡ロ兩側各IOmm范圍。
[0033]作為優選，步驟⑥所述的預熱和步驟⑦中所述的焊接采用焊槍不動而鋁合金殼體轉動的方式進行。
[0034]步驟⑥所述的預熱和步驟⑦中所述的焊接時均采用純度為99.999%的純氬為保護氣體。同時采用高純氬作為預熱和焊接的保護氣體，防止了預熱時坡ロ氧化和影響焊接
質量;
[0035]步驟⑥所述的焊接采用單面焊雙面成型，而且僅焊接ー層一道。
[0036]與現有技術相比，本發明的優點在于:①與傳統的鎢極氬弧焊接エ藝相比變極性等離子焊接エ藝采用不開坡ロ或開較小坡ロ，尤其對于壁厚IOmm以下的鋁合金殼體不用開焊接坡ロ，可以一次焊接完成，從而降低了熱輸入、減少了焊接缺陷發生概率；②對于中薄壁變直徑鋁合金殼體多級環焊縫預熱和焊接采用同一個設備，提高了預熱和焊接效率，降低了焊接成本；③設計的焊接エ裝同時既能支撐具有多級環焊縫的殼體防止焊接變形，又能實現多級環焊縫的背保護，保證環焊縫背部焊接質量和焊縫成形。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1為實施例1中焊接完成后的中薄壁變直徑鋁合金殼體。
[0038]圖2為實施例1中焊接エ裝結構示意圖。
[0039]圖3為實施例1中焊接時狀態圖。
【具體實施方式】
[0040]以下結合附圖實施例對本發明作進ー步詳細描述。
[0041]實施例1,如圖1所示,本實施例中的招合金殼體包括依次相互焊接的第一套筒2a和第二套筒3a，第一套筒2a內徑大于第二套筒3a內徑，第一套筒2a的外端焊接有大法蘭la，第二套筒3a的外端焊接有小法蘭4a。
[0042]如圖2所示，本實施例中的焊接エ裝包括芯軸1、第一定位座2、第二定位座7、拉桿
4、大端支撐座3、中端支撐座5及頂緊塊8。
[0043]第一定位座2設于芯軸上并能繞芯軸I轉動，用于定位大法蘭la，第二定位座7與第一定位座2間隔設置，用于定位小法蘭4a ;拉桿4橫向地設于第一定位座2和第二定位座7之間并將第一定位座2和第二定位座7連為一體。
[0044]大端支撐座3能移動地設于拉桿4上，外端具有與第一套筒2a相緊貼的第一墊塊31 ;中端支撐座5能移動地設于拉桿4上，外端具有與第二套筒3a內壁相緊貼的第二墊塊53。
[0045]頂緊塊8能將小法蘭4a定位于第二定位座7上，在驅動機構(圖中無顯示)的作用下相對第二定位座7能移動。
[0046]中端支撐座5的包括相互間隔設置的低位支撐部52和高位支撐部51，并且，低位支撐部52和高位支撐部51外端均設有第二墊塊53。大端支撐座3和中端支撐座5通過螺紋配合與芯軸I外壁連接。芯軸I的前端通過軸承61與第一定位座2轉動配合，芯軸I的后端具有軸承座11，該軸承座11內設有軸承62，第二定位座7具有設于軸承座11內并與軸承62轉動配合的轉動部71。
[0047]工作原理:第一定位座2與變位機轉盤通過螺栓連接。首先分別將大法蘭la、第一套筒2a、第二套筒3a由第二定位座2 —側穿過，將大法蘭Ia貼靠在第一定位座2上，將第ー套筒2a與大法蘭la、第一套筒2a與第二套筒3a相互接合，調節芯軸I (順時針轉動)使大法蘭Ia與第一套筒2a形成的焊接坡ロ置于大端支撐座3上的第一墊塊31上，使第一套筒2a與第二套筒3a形成的焊接坡ロ置于中端支撐座5上的第二墊塊53上，并貼合緊密，一方面使大端支撐座3和中端支撐座5對殼體大環焊縫和中環焊縫起支撐作用，另ー方面保證焊縫在焊接時背面成形和焊接質量。
[0048]第二步，將小法蘭4a由エ裝第二定位座7 —側穿過，使小法蘭4a與第二定位座7貼合，并將小法蘭4a與第二套筒3a形成的小環焊縫置于小端支撐座6上的墊塊10上，使之貼合緊密，一方面使小端移動支撐座7和小法蘭支撐座6對殼體小環焊縫起支撐作用，另一方面保證焊縫在焊接時背面成形和焊接質量。
[0049]第三步，將頂緊塊8頂緊殼體小法蘭4a，調整芯軸I保證殼體水平并固定殼體在焊接時不發生移動和晃動。
[0050]第四步，焊接完成后，現將頂緊塊8移開，調節芯軸I (逆時針轉動)將殼體整體從工裝上卸下。
[0051 ] 第一定位座、第二定位座、大端支撐座和小端支撐座協同配合將待焊接的各部件有效定位，便于實施焊接工藝，同時，焊接時對各部件影響較少，不會使變直徑鋁合金殼體產生變形。
[0052]本實施例為3.0mm壁厚具有三級環焊縫的5A06鋁合金變直徑殼體進行焊接。它包括以下步驟:
[0053]( I)焊接接頭設計和焊接方式設計:焊接接頭確定不開坡口，采用變極性等焊接工藝單面焊雙面成型，設定焊縫裝配間隙為0_，焊槍100不動，鋁合金殼體10轉動的方式預熱和焊接(如圖3所示)；(2)清洗:對需要焊接的鋁合金殼體大小筒和大小法蘭進行酸堿清洗；(3)裝配:將瓷襯塊分別置于三級移動支撐座，然后將殼體零部件在專用焊接工裝上一次性裝配定位，并調節芯軸從內側撐起殼體；(4) 二次潔凈:焊前采用干燥壓縮空氣吹拂三級焊縫待焊部位；(5)預熱:因壁厚3.0mm確定不預熱；(6)焊接:采用自動變極性等離子焊機對裝在所述工裝上的鋁合金殼體三級環焊縫進行依次焊接；(7)冷卻:所有三級焊縫焊接完成后采用自然冷卻方式使殼體溫度降至室溫；(8)拆卸工裝:最后通過芯軸拆卸工裝，取出鋁合金殼體。
[0054]實施例2，本實施例為4.0mm壁厚具有四級環焊縫的7A05鋁合金變直徑殼體進行焊接。它包括以下步驟:
[0055]( I)焊接接頭設計和焊接方式設計:焊接接頭確定不開坡口，采用變極性等焊接工藝單面焊雙面成型，設定焊縫裝配間隙為0_，焊槍不動，殼體轉動的方式預熱和焊接；(2)清洗:對需要焊接的鋁合金殼體大、中、小筒和大小法蘭進行酸堿清洗；(3)裝配:將瓷襯塊分別置于四級移動支撐座，然后將殼體零部件在專用焊接工裝上一次性裝配定位，并調節芯軸從內側撐起殼體；(4) 二次潔凈:焊前采用干燥壓縮空氣吹拂四級焊縫待焊部位；(5)預熱:因壁厚4.0mm確定不預熱；(6)焊接:采用自動變極性等離子焊機對裝在所述工裝上的鋁合金殼體四級環焊縫進行依次焊接；(7)冷卻:所有三級焊縫焊接完成后采用自然冷卻方式使殼體溫度降至室溫；(8)拆卸工裝:最后通過芯軸拆卸工裝，取出鋁合金殼體。采用的焊接工裝參考實施例1。
[0056]實施例3，本實施例為12.0mm壁厚具有三級環焊縫的5A06鋁合金變直徑殼體進行焊接。它包括以下步驟:
[0057](I)焊接接頭設計和焊接方式設計:焊接接頭確定開30°坡口，采用變極性等焊接工藝單面焊雙面成型，設定焊縫裝配間隙為Omm?1.0mm,焊槍不動,殼體轉動的方式預熱和焊接；(2)清洗:對需要焊接的鋁合金殼體大小筒和大小法蘭進行酸堿清洗；(3)裝配:將瓷襯塊分別置于三級移動支撐座，然后將殼體零部件在專用焊接工裝上一次性裝配定位，并調節芯軸從內側撐起殼體；(4) 二次潔凈:焊前采用干燥壓縮空氣吹拂三級焊縫待焊部位；(5)預熱:采用自動變極性等離子焊機對裝在所述工裝上的鋁合金殼體三級環焊縫預熱50°C?80°C ； (6)焊接:采用自動變極性等離子焊機對裝在所述工裝上的鋁合金殼體三級環焊縫進行依次焊接；(7)冷卻:所有三級焊縫焊接完成后采用自然冷卻方式使殼體溫度降至室溫；(8)拆卸工裝:最后通過芯軸拆卸工裝，取出鋁合金殼體。采用的焊接工裝參考實施例1。
[0058]上述三個實施例中的多級鋁合金殼體焊縫進行焊后檢測，未發現焊接裂紋、氣孔、未焊透等缺陷，焊縫質量達到I級，焊縫錯變量小于0.2mm，殼體焊接變形明顯改善，滿足產品設計要求。
【權利要求】
1.ー種中薄壁變直徑鋁合金殼體多級環焊縫的焊接方法，其特征在于包括如下步驟: ①焊接接頭設計:根據殼體招合金壁厚2.0mm~20.0mm進行焊接接頭坡ロ設計,確定不開坡ロ或開小角度坡ロ； ②一次潔凈:對需要焊接的鋁合金殼體零部件進行酸堿清洗； ③焊縫背保護:采用帶圓弧槽的陶瓷襯塊進行焊縫背保護； ④裝配:首先將陶瓷襯塊分別置于焊接エ裝的支撐座，然后將鋁合金殼體零部件在焊接エ裝上裝配定位； ⑤二次潔凈:焊前采用干燥壓縮空氣吹拂待焊部位； ⑥采用自動變極性等離子焊機對裝在定位后的鋁合金殼體多級環焊縫視壁厚確定預熱或不預熱； ⑦采用自動變極性等離子焊機對定位后的鋁合金殼體多級環焊縫進行依次焊接，每ー級環焊縫的開焊時殼體溫度均不能超過110°C ； ⑧所有多級焊縫焊接完成后采用自然冷卻方式使殼體溫度降至室溫； ⑨將焊接后的鋁合金殼體從焊接エ裝上拆卸下來。
2.根據權利要求1所述的焊接方法，其特征在于步驟①所述的焊接接頭設計如下: 所述的焊接接頭當壁厚tl=2.0mm~IOmm時，不開坡ロ ；當板厚t2=ll.0mm~20.0mm時，在殼體外側開單面V坡ロ，坡口角度為30°~60°，預留e=t2-9.0mm鈍邊，環焊縫裝配間隙 0.0mm ~1.0mm。
3.根據權利要求1所述的焊接方法，其特征在于步驟③中所述的焊縫背保護陶瓷襯塊，長X寬X厚為25臟X 2CtamX4臟，長度方向開槽寬3.Ctam~4.Ctam,深1.5臟~3.0臟。?
4.根據權利要求1所述的焊接方法，其特征在于所述的鋁合金殼體包括依次相互焊接的第一套筒和第二套筒，前述第一套筒內徑大于第二套筒內徑，前述第一套筒的外端焊接有大法蘭，前述第二套筒的外端焊接有小法蘭；步驟④中所述的焊接エ裝 包括 芯軸； 第一定位座，設于前述的芯軸上并能繞芯軸轉動，用于定位大法蘭； 第二定位座，與前述的第一定位座間隔設置，用于定位小法蘭； 拉桿，橫向地設于前述的第一定位座和第二定位座之間并將第一定位座和第二定位座連為一體； 大端支撐座，能移動地設于前述的拉桿上，外端具有與第一套筒相緊貼的第一墊塊； 中端支撐座，能移動地設于前述的拉桿上，外端具有與第二套筒內壁相緊貼的第二墊塊；以及 頂緊塊，能將前述的小法蘭定位于第二定位座上。
5.根據權利要求4所述的焊接方法，其特征在于所述的中端支撐座的包括相互間隔設置的低位支撐部和高位支撐部，并且，前述的低位支撐部和高位支撐部外端均設有第二墊塊。
6.根據權利要求4所述的焊接方法，其特征在于所述芯軸的后端具有軸承座，該軸承座內設有軸承，所述第二定位座具有設于前述軸承座內并與軸承轉動配合的轉動部。
7.根據權利要求1所述的焊接方法，其特征在于步驟⑤中所述的二次潔凈采用的干燥空氣濕度小于5%，壓カ為0.1~0.3MPa。
8.根據權利要求1所述的焊接方法，其特征在于步驟⑥中所述的采用自動變極性等離子焊機對裝在招合金殼體多級環焊縫視壁厚2.0mm~10.0mm時不預熱,壁厚11.0mm~20.0mm時預熱50°C~80°C，預熱區域為坡ロ兩側各IOmm范圍。
9.根據權利要求1所述的焊接方法，其特征在于步驟⑥所述的預熱和步驟⑦中所述的焊接采用焊槍不動而鋁合金殼體轉動的方式進行。
10.根據權利要求1所述的焊接方法，其特征在于步驟⑥所述的預熱和步驟⑦中所述的焊接時均采用純度為99.999%的純氬為保護氣體。
11.根據權利要求1所述的焊接方法，其特征在于步驟⑥所述的焊接采用單面焊雙面成型，而且僅焊接ー層 一道。
【文檔編號】B23K10/02GK103551717SQ201310505159
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月23日 優先權日:2013年9月22日
【發明者】陳東高, 馬志華, 王秀玲, 王法科, 明珠, 陳東亮, 楊武林, 任寶輝, 劉紅偉, 馬冰, 王冬生, 張立君, 聶砂 申請人:中國兵器工業第五二研究所