齿状堆焊法.pdf

本发明属于焊接领域中堆焊工艺方法的改进。
    焊接过程中防止变形和避免残余应力的工艺方法分为两类：一是热焊法，对所焊工件进行焊前预热;焊后缓冷，可以有效地防止变形消除应力，但是热加工给焊接造成恶劣环境，消耗能源，并且难以适应于大型构件或已经过精加工后的堆焊件以及堆焊修复件。二是冷焊方法，其用于堆焊工艺中有六种方式：（1）反变形法;（2）刚性固定法;（3）敲击法;（4）选择较小的焊接规范;（5）开缓和槽法;（6）断续焊接法;上述六种方法可适用于各种不同的场合并能减小变形和残余应力。焊接应力与焊接变形是极为复杂的多因素现象，归结起来最重要的因素有两个：一是在焊接热循环过程中，焊接区附近母材中产生的塑性应变，二是熔敷金属从凝固开始冷确到室温时所产生的收缩和缩性应变，通常情况下是在焊接过程中所引起的温度变化，而焊道附近复杂的拘束使母材和熔敷金属不能随着温度的变化自由膨胀和收缩而发生的应力变化。所以才发展各种克服应力的焊接方法来消除这些复杂的拘束。通常防止变形的方法，在同样结构的情况下，较多考虑到的是尽可能用小的焊接线能量和较短的焊道施以母材较少的热，以减少拘束，而很少考虑到焊道本身（熔敷金属）的收缩应变是否能不施加给母材，同时给母材以更少的热和力，而能达到较好地综合效果。例如断续焊接法，其运用减少每条焊道的长度，有效地控制了施以母材的热量，但这种方法在堆焊工艺过程中还存在两个缺点：一是每条焊道无论分为几段，但最终还是连接成为一个焊道存在于一个整体平面上，虽然每段焊道的应力减小了，但所有各段焊道的应力仍然要叠加起来，所有总的应力并没有明显的减少，二是焊接效率较低。

    本发明是为了克服上述堆焊工艺的缺点，其目的是为了解决大面积，多层次，较复杂结构堆焊过程中避免产生的变形和过大的残余应力。

    本发明对常规堆焊方法的整体布局进行了改进，常规堆焊方法的整体布局是：每条焊道（无论长短，宽窄以及运行方向如何）之间都按相压三分之一排列，而且均是排列完第一层之后再进行第二层，第三层……。这样，堆焊金属最终是一个整体，而其应力也必然是互相叠加的整体，以整体的应力施加给母材，所以母材承受的焊接应力与变形随着堆焊熔敷金属量的增加而增加。变形（理论计算）为4毫米以上。而本发明的特点是在堆焊面上（对变形要求最苛刻的面）确定与要求不变形的面平行的焊道运行方向（图一），然后确定与堆焊面垂直，中心的位置为第一“峰”位置，“峰”就是将堆焊金属从母材表面一直向上一层一层堆焊，直至堆到整体要求的堆焊高度为止（图二）。这样，在堆焊面的中间位置就形成了一条多层焊道组成的齿状，然后按照一定的距离以第一“峰”位置的左右交替顺序确定第二，第三，……以至更多的“峰”位。在堆焊母材的表面就形成了多个“峰”和“谷”，其横断面就形成了锯齿状。然后，在第一“峰”位两边的“谷”中任选一个作为第一“谷”位，再按交替顺序将“谷”填平。每填一个“谷”也是从“谷”底一直堆焊至整体要求的堆焊高度，这就形成了先“峰”后“谷”的齿状堆焊法（图三）。齿状堆焊法中“峰”与“谷”之几何尺寸的关系如下：母材厚度：H;母材宽度：B;“峰”高（堆焊金属厚度）：F≤1/3H;焊道宽度（加强高度）：H1＝1/10H;焊道宽度：B1＝3H1;“峰”底宽度：F1＝（B1-1/3B1）3;“谷”底宽度：G＝2/3F1;“峰”顶宽度：F2＝G;“谷”顶宽度：G1＝F1;“峰”数：Fn＝B/F1+G;第一“峰”位：Fw1＝B/2;焊道长度：L1≤20B1。并要求焊条走向与不变形面平行。多个“峰”与“谷”将一个堆焊面的整体分割成无数个局部，而焊接应力与变形在每个局部被大量消除了，最后，堆焊面两端所剩的两“谷”是应力最集中的部位，而其应力已减小到仅仅是这两个“谷”自身的应力，其焊接变形量也仅仅是这两个“谷”所能导致的变量，对这两个“谷”中每层焊道都施加锤击，对整体而言其焊接应力可减至最小。本发明为了在堆焊过程中使变形和应力控制在较小的范围内（变形在0.04毫米内），齿状堆焊全过程实施严密监控，随时发现微量变形和应力的产生就针对具体情况采取措施（调整工艺参数）就能使堆焊过程中的变形和应力可以被控制并抵消在每个局部过程之中，而不至于叠加成为总体的误差达到难以消除的程度。图四所示：固定与被焊件相适应的框架，同时相对固定被焊件，以框架上固定的杠杆千分表相对母材表面测点的变量来确定焊接过程中母材的变形。在框架与母材对应位置上确定测量点，用杠杆千分表与进深尺配合，在每一次开始施焊时观察仪表变量来调节起弧点，电流大小来控制焊接变量的变化，使齿状堆焊过程中的变形和应力控制在较小范围内。

    本发明齿状堆焊法将熔敷金属分割成一个“峰”与“谷”，除第一层熔敷金属给母材较多的热与力之外，第二层以上的熔敷金属，逐渐可以自由收缩变形，层数越多反而给母材的热与力越少，再采用小规范，锤击，冷却等常规方法来处理第一层焊道所导致的变形与应力，采用本发明就可以相对提高焊接效率，例如，要在一块＝20mm，0.5M2的不锈钢板上，堆焊起高度为10mm的熔敷金属，采用普通堆焊法，断续焊接法和齿状堆焊法进行对比，从表-1可以看出齿状堆焊法的优越性，齿状堆焊法克服了断续焊接法在结构拘束力叠加方面的缺点，改变了其施焊顺序的整体概念，使堆焊第三层以上的应力几乎在熔敷金属自身得到抵消，不传导施加给母材，同时又吸取了断续焊接法小的线能量之优点，在防止变形与残余应力上得到了较好的效果并提高了焊接效率，给多层堆焊之冷焊不变形提供了新的方法。

    表-1

    序号    项目    普通堆焊法    断续焊法    齿状堆焊法

    1    焊道数    140    420    280

    2    焊道宽mm    10    10    6

    3    焊道长mm    250    85    250

    4    每层变形量：1    2.6    0.85    0.09

    （mm）    2    2.4    0.73    0.04

    3    2.2    0.64    0.015

    横向    4    2.0    0.55    0

    5    1.8    0.45    0

    5    横向变形总量    11.0    3.22    0.145

    6    焊接用时间（分钟）    210    840    500

    7    层间温度℃    120    50    50

    【附图说明】

    图一

    1，2，3，4，5为焊道运行方向

    A″为不允许变形面

    B为堆焊面

    图二

    1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12为堆焊顺序

    H为整体要求堆焊高度

    A为母材

    Y第一“峰”

    附图三

    1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13为施焊顺序

    A为母材

    Y-第一“峰”

    Z-第一“谷”

    图四

    A为母材

    B″为堆焊金属

    C为变形面

    D为千分表

    E为框架

    实施例

    连续聚脂3APA3釜，釜体直径1415mm，釜长3841mm，釜容积为7.5M3，釜体以日本SUS304不锈钢为母材。釜体南侧，主动轴的填料箱发生严重磨损，需堆补金属达6公斤以上，填料箱与釜体为焊接结构，填料箱端面与轴承支座机械密封等部件精密联接，修复焊接变形量必须控制在0.2毫米以下。焊接过程中对施焊面彻底清洗并对施焊外围施加3Kg/cm2循环冷水。以手工钨极氩弧施焊，采用较小的线能量，并对接触母材的每条焊道施以6Kg/cm2气压锤击，按照“峰先谷后”排列顺序的齿状堆焊法施焊。在填料箱内壁根据每四分之一周长焊道焊完后，千分表读数的实际变化，随时调整，确定下一焊道线能量波动伏度和新的起弧点。用焊接测温仪随时测定热传导范围，层间温度。每堆焊完一个“峰”或填完一个“谷”，测定应力值，并用进深尺测定端面变量。堆焊焊道247道将被磨损面填平，填料箱端面与原始状态相差0.04毫米，低于变形要求，且应力在许用应力范围之内，比常规冷焊方法的理论变形量减少90%以上。