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1、(10)申请公布号 CN 103551717 A (43)申请公布日 2014.02.05 CN 103551717 A (21)申请号 201310505159.4 (22)申请日 2013.10.23 201310434998.1 2013.09.22 CN B23K 10/02(2006.01) B23K 33/00(2006.01) B23K 37/04(2006.01) B23K 37/00(2006.01) (71)申请人 中国兵器工业第五二研究所 地址 315103 浙江省宁波市科技园区凌云路 199 号 (72)发明人 陈东高 马志华 王秀玲 王法科 明珠 陈东亮 杨武林 任宝。
2、辉 刘红伟 马冰 王冬生 张立君 聂砂 (74)专利代理机构 宁波诚源专利事务所有限公 司 33102 代理人 袁忠卫 景丰强 (54) 发明名称 中薄壁变直径铝合金壳体多级环焊缝的焊接 方法 (57) 摘要 一种中薄壁变直径铝合金壳体多级环焊缝的 焊接方法， 其特征在于包括如下步骤 ： 焊接接头 设计 ； 一次洁净 ； 焊缝背保护 ； 装配 ； 二次洁净 ； 采用自动变极性等离子焊机对铝合金壳体进行预 热和焊接 ； 所有多级焊缝焊接完成后采用自然冷 却方式使壳体温度降至室温。与传统的钨极氩弧 焊接工艺相比变极性等离子焊接工艺采用不开坡 口或开较小坡口， 尤其对于壁厚 10mm 以下的铝合 金。
3、壳体不用开焊接坡口， 可以一次焊接完成， 从而 降低了热输入、 减少了焊接缺陷发生概率 ； 预热 和焊接采用同一个设备， 提高了预热和焊接效率， 降低了焊接成本。 (66)本国优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103551717 A CN 103551717 A 1/2 页 2 1. 一种中薄壁变直径铝合金壳体多级环焊缝的焊接方法， 其特征在于包括如下步骤 ： 焊接接头设计 ： 根据壳体铝合金壁厚 2.0mm 20.0m。
4、m 进行焊接接头坡口设计， 确定 不开坡口或开小角度坡口 ； 一次洁净 ： 对需要焊接的铝合金壳体零部件进行酸碱清洗 ； 焊缝背保护 ： 采用带圆弧槽的陶瓷衬块进行焊缝背保护 ； 装配 ： 首先将陶瓷衬块分别置于焊接工装的支撑座， 然后将铝合金壳体零部件在焊 接工装上装配定位 ； 二次洁净 ： 焊前采用干燥压缩空气吹拂待焊部位 ； 采用自动变极性等离子焊机对装在定位后的铝合金壳体多级环焊缝视壁厚确定预 热或不预热 ； 采用自动变极性等离子焊机对定位后的铝合金壳体多级环焊缝进行依次焊接， 每一 级环焊缝的开焊时壳体温度均不能超过 110 ； 所有多级焊缝焊接完成后采用自然冷却方式使壳体温度降至室。
5、温 ； 将焊接后的铝合金壳体从焊接工装上拆卸下来。 2. 根据权利要求 1 所述的焊接方法， 其特征在于步骤所述的焊接接头设计如下 ： 所述的焊接接头当壁厚 t1=2.0mm 10mm 时， 不开坡口 ； 当板厚 t2=11.0mm 20.0mm 时， 在壳体外侧开单面 V 坡口， 坡口角度为 30 60， 预留 e=t2-9.0mm 钝边， 环焊缝装配 间隙 0.0mm 1.0mm。 3. 根据权利要求 1 所述的焊接方法， 其特征在于步骤中所述的焊缝背保护陶瓷衬 块， 长宽厚为25mm20mm4mm， 长度方向开槽宽3.0mm4.0mm， 深1.5mm3.0mm。 . 4. 根据权利要求 。
6、1 所述的焊接方法， 其特征在于所述的铝合金壳体包括依次相互焊接 的第一套筒和第二套筒， 前述第一套筒内径大于第二套筒内径， 前述第一套筒的外端焊接 有大法兰， 前述第二套筒的外端焊接有小法兰 ； 步骤中所述的焊接工装 包括 芯轴 ； 第一定位座， 设于前述的芯轴上并能绕芯轴转动， 用于定位大法兰 ； 第二定位座， 与前述的第一定位座间隔设置， 用于定位小法兰 ； 拉杆， 横向地设于前述的第一定位座和第二定位座之间并将第一定位座和第二定位座 连为一体 ； 大端支撑座， 能移动地设于前述的拉杆上， 外端具有与第一套筒相紧贴的第一垫块 ； 中端支撑座， 能移动地设于前述的拉杆上， 外端具有与第二套。
7、筒内壁相紧贴的第二垫 块 ； 以及 顶紧块， 能将前述的小法兰定位于第二定位座上。 5. 根据权利要求 4 所述的焊接方法， 其特征在于所述的中端支撑座的包括相互间隔设 置的低位支撑部和高位支撑部， 并且， 前述的低位支撑部和高位支撑部外端均设有第二垫 块。 6. 根据权利要求 4 所述的焊接方法， 其特征在于所述芯轴的后端具有轴承座， 该轴承 座内设有轴承， 所述第二定位座具有设于前述轴承座内并与轴承转动配合的转动部。 7. 根据权利要求 1 所述的焊接方法， 其特征在于步骤中所述的二次洁净采用的干燥 权 利 要 求 书 CN 103551717 A 2 2/2 页 3 空气湿度小于 5%，。
8、 压力为 0.1 0.3MPa。 8. 根据权利要求 1 所述的焊接方法， 其特征在于步骤中所述的采用自动变极性等 离子焊机对装在铝合金壳体多级环焊缝视壁厚 2.0mm 10.0mm 时不预热， 壁厚 11.0mm 20.0mm 时预热 50 80， 预热区域为坡口两侧各 10mm 范围。 9. 根据权利要求 1 所述的焊接方法， 其特征在于步骤所述的预热和步骤中所述的 焊接采用焊枪不动而铝合金壳体转动的方式进行。 10. 根据权利要求 1 所述的焊接方法， 其特征在于步骤所述的预热和步骤中所述 的焊接时均采用纯度为 99.999% 的纯氩为保护气体。 11. 根据权利要求 1 所述的焊接方法。
9、， 其特征在于步骤所述的焊接采用单面焊双面 成型， 而且仅焊接一层一道。 权 利 要 求 书 CN 103551717 A 3 1/5 页 4 中薄壁变直径铝合金壳体多级环焊缝的焊接方法 技术领域 0001 本发明涉及一种焊接方法， 属于焊接技术领域。 背景技术 0002 由于产品轻量化、 结构设计、 成本控制等需求， 现在很多储藏、 输送的结构件都采 用厚度在2.0mm20.0mm之间的中薄壁变直径铝合金壳体， 涉及不同直径的筒体之间以及 筒体与法兰之间的多级环焊缝的焊接。传统工艺由于焊接坡口设计不当、 焊接工艺和焊接 工装不完善， 造成壳体焊缝质量低， 容易产生气孔、 夹杂、 焊接裂纹和未。
10、焊透等焊接缺陷， 尤 其是焊接变形， 涉及多条环焊缝的相互影响导致壳体整体变形严重， 不能满足产品使用要 求。 0003 现在随着焊接技术快速发展， 尤其是变极性等离子焊接技术的出现， 为解决中薄 壁变直径铝合金壳体环焊缝的焊接提供了技术基础。变极性等离子焊接技术与常规钨极 氩弧焊接相对比电弧能量更集中， 焊接坡口更小甚至不需要开坡口就能获得优质的焊缝质 量， 采用高纯度的氩气进一步提高焊接质量， 设计的焊接工装对于防止铝合金壳体焊接变 形起到了重要作用。 发明内容 0004 本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种提高焊缝质量、 减 少焊接变形的中薄壁变直径铝合金壳体多级环焊缝。
11、的焊接方法。 0005 本发明所要解决的又一个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种操作简便 的中薄壁变直径铝合金壳体多级环焊缝的焊接方法。 0006 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为 ： 一种中薄壁变直径铝合金壳体多 级环焊缝的焊接方法， 其特征在于包括如下步骤 ： 0007 焊接接头设计 ： 根据壳体铝合金壁厚 2.0mm 20.0mm 进行焊接接头坡口设计， 确定不开坡口或开小角度坡口 ； 0008 一次洁净 ： 对需要焊接的铝合金壳体零部件进行酸碱清洗 ； 0009 焊缝背保护 ： 采用带圆弧槽的陶瓷衬块进行焊缝背保护 ； 0010 装配 ： 首先将陶瓷衬块分别置于焊接工装的支。
12、撑座， 然后将铝合金壳体零部件 在焊接工装上装配定位 ； 0011 二次洁净 ： 焊前采用干燥压缩空气吹拂待焊部位 ； 0012 采用自动变极性等离子焊机对装在定位后的铝合金壳体多级环焊缝视壁厚确 定预热或不预热 ； 0013 采用自动变极性等离子焊机对定位后的铝合金壳体多级环焊缝进行依次焊接， 每一级环焊缝的开焊时壳体温度均不能超过 110 ； 0014 所有多级焊缝焊接完成后采用自然冷却方式使壳体温度降至室温 ； 0015 将焊接后的铝合金壳体从焊接工装上拆卸下来。 说 明 书 CN 103551717 A 4 2/5 页 5 0016 步骤所述的焊接接头设计如下 ： 0017 进 一 步。
13、， 所 述 的 焊 接 接 头 当 壁 厚 t1=2.0mm 10mm 时， 不 开 坡 口 ； 当 板 厚 t2=11.0mm 20.0mm 时， 在壳体外侧开单面 V 坡口， 坡口角度为 30 60， 预留 e=t2-9.0mm 钝边， 环焊缝装配间隙 0.0mm 1.0mm。 0018 步骤中所述的焊缝背保护陶瓷衬块， 长 宽 厚为 25mm20mm4mm， 长度方 向开槽宽 3.0mm 4.0mm， 深 1.5mm 3.0mm。. 0019 所述的铝合金壳体包括依次相互焊接的第一套筒和第二套筒， 前述第一套筒内径 大于第二套筒内径， 前述第一套筒的外端焊接有大法兰， 前述第二套筒的外端。
14、焊接有小法 兰 ； 步骤中所述的焊接工装 0020 包括 0021 芯轴 ； 0022 第一定位座， 设于前述的芯轴上并能绕芯轴转动， 用于定位大法兰 ； 0023 第二定位座， 与前述的第一定位座间隔设置， 用于定位小法兰 ； 0024 拉杆， 横向地设于前述的第一定位座和第二定位座之间并将第一定位座和第二定 位座连为一体 ； 0025 大端支撑座， 能移动地设于前述的拉杆上， 外端具有与第一套筒相紧贴的第一垫 块 ； 0026 中端支撑座， 能移动地设于前述的拉杆上， 外端具有与第二套筒内壁相紧贴的第 二垫块 ； 以及 0027 顶紧块， 能将前述的小法兰定位于第二定位座上。 0028 第。
15、一定位座、 第二定位座、 大端支撑座和小端支撑座协同配合将待焊接的各部件 有效定位， 便于实施焊接工艺， 同时， 焊接时对各部件影响较少， 不会使变直径铝合金壳体 产生变形。 0029 所述的中端支撑座的包括相互间隔设置的低位支撑部和高位支撑部， 并且， 前述 的低位支撑部和高位支撑部外端均设有第二垫块。 0030 所述芯轴的后端具有轴承座， 该轴承座内设有轴承， 所述第二定位座具有设于前 述轴承座内并与轴承转动配合的转动部。 0031 作为优选， 步骤中所述的二次洁净采用的干燥空气湿度小于 5%， 压力为 0.1 0.3MPa。 0032 进一步， 步骤中所述的采用自动变极性等离子焊机对装在。
16、铝合金壳体多级环焊 缝视壁厚 2.0mm 10.0mm 时不预热， 壁厚 11.0mm 20.0mm 时预热 50 80， 预热区域 为坡口两侧各 10mm 范围。 0033 作为优选， 步骤所述的预热和步骤中所述的焊接采用焊枪不动而铝合金壳体 转动的方式进行。 0034 步骤所述的预热和步骤中所述的焊接时均采用纯度为 99.999% 的纯氩为保 护气体。同时采用高纯氩作为预热和焊接的保护气体， 防止了预热时坡口氧化和影响焊接 质量 ； 0035 步骤所述的焊接采用单面焊双面成型， 而且仅焊接一层一道。 0036 与现有技术相比， 本发明的优点在于 ： 与传统的钨极氩弧焊接工艺相比变极性 说 。
17、明 书 CN 103551717 A 5 3/5 页 6 等离子焊接工艺采用不开坡口或开较小坡口， 尤其对于壁厚 10mm 以下的铝合金壳体不用 开焊接坡口， 可以一次焊接完成， 从而降低了热输入、 减少了焊接缺陷发生概率 ； 对于中 薄壁变直径铝合金壳体多级环焊缝预热和焊接采用同一个设备， 提高了预热和焊接效率， 降低了焊接成本 ； 设计的焊接工装同时既能支撑具有多级环焊缝的壳体防止焊接变形， 又能实现多级环焊缝的背保护， 保证环焊缝背部焊接质量和焊缝成形。 附图说明 0037 图 1 为实施例 1 中焊接完成后的中薄壁变直径铝合金壳体。 0038 图 2 为实施例 1 中焊接工装结构示意图。
18、。 0039 图 3 为实施例 1 中焊接时状态图。 具体实施方式 0040 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。 0041 实施例1， 如图1所示， 本实施例中的铝合金壳体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 内径大于第二套筒 3a 内径， 第一套筒 2a 的外端焊接有大法兰 1a， 第二套筒 3a 的外端焊接有小法兰 4a。 0042 如图2所示， 本实施例中的焊接工装包括芯轴1、 第一定位座2、 第二定位座7、 拉杆 4、 大端支撑座 3、 中端支撑座 5 及顶紧块 8。 0043 第一定位座2设于芯轴上并能绕芯轴1转动， 用于定位大法兰1a， 第二。
19、定位座7与 第一定位座 2 间隔设置， 用于定位小法兰 4a ； 拉杆 4 横向地设于第一定位座 2 和第二定位 座 7 之间并将第一定位座 2 和第二定位座 7 连为一体。 0044 大端支撑座 3 能移动地设于拉杆 4 上， 外端具有与第一套筒 2a 相紧贴的第一垫块 31 ； 中端支撑座 5 能移动地设于拉杆 4 上， 外端具有与第二套筒 3a 内壁相紧贴的第二垫块 53。 0045 顶紧块 8 能将小法兰 4a 定位于第二定位座 7 上， 在驱动机构 ( 图中无显示 ) 的作 用下相对第二定位座 7 能移动。 0046 中端支撑座 5 的包括相互间隔设置的低位支撑部 52 和高位支撑部。
20、 51， 并且， 低位 支撑部 52 和高位支撑部 51 外端均设有第二垫块 53。大端支撑座 3 和中端支撑座 5 通过螺 纹配合与芯轴 1 外壁连接。芯轴 1 的前端通过轴承 61 与第一定位座 2 转动配合， 芯轴 1 的 后端具有轴承座 11， 该轴承座 11 内设有轴承 62， 第二定位座 7 具有设于轴承座 11 内并与 轴承 62 转动配合的转动部 71。 0047 工作原理 ： 第一定位座2与变位机转盘通过螺栓连接。 首先分别将大法兰1a、 第一 套筒 2a、 第二套筒 3a 由第二定位座 2 一侧穿过， 将大法兰 1a 贴靠在第一定位座 2 上， 将第 一套筒 2a 与大法兰。
21、 1a、 第一套筒 2a 与第二套筒 3a 相互接合， 调节芯轴 1（顺时针转动） 使 大法兰 1a 与第一套筒 2a 形成的焊接坡口置于大端支撑座 3 上的第一垫块 31 上， 使第一套 筒 2a 与第二套筒 3a 形成的焊接坡口置于中端支撑座 5 上的第二垫块 53 上， 并贴合紧密， 一方面使大端支撑座 3 和中端支撑座 5 对壳体大环焊缝和中环焊缝起支撑作用， 另一方面 保证焊缝在焊接时背面成形和焊接质量。 0048 第二步， 将小法兰 4a 由工装第二定位座 7 一侧穿过， 使小法兰 4a 与第二定位座 7 说 明 书 CN 103551717 A 6 4/5 页 7 贴合， 并将小。
22、法兰 4a 与第二套筒 3a 形成的小环焊缝置于小端支撑座 6 上的垫块 10 上， 使 之贴合紧密， 一方面使小端移动支撑座7和小法兰支撑座6对壳体小环焊缝起支撑作用， 另 一方面保证焊缝在焊接时背面成形和焊接质量。 0049 第三步， 将顶紧块8顶紧壳体小法兰4a， 调整芯轴1保证壳体水平并固定壳体在焊 接时不发生移动和晃动。 0050 第四步， 焊接完成后， 现将顶紧块 8 移开， 调节芯轴 1（逆时针转动） 将壳体整体从 工装上卸下。 0051 第一定位座、 第二定位座、 大端支撑座和小端支撑座协同配合将待焊接的各部件 有效定位， 便于实施焊接工艺， 同时， 焊接时对各部件影响较少， 。
23、不会使变直径铝合金壳体 产生变形。 0052 本实施例为 3.0mm 壁厚具有三级环焊缝的 5A06 铝合金变直径壳体进行焊接。它 包括以下步骤 ： 0053 （1） 焊接接头设计和焊接方式设计 ： 焊接接头确定不开坡口， 采用变极性等焊接工 艺单面焊双面成型， 设定焊缝装配间隙为 0mm， 焊枪 100 不动， 铝合金壳体 10 转动的方式预 热和焊接 ( 如图 3 所示 ) ；（2） 清洗 ： 对需要焊接的铝合金壳体大小筒和大小法兰进行酸碱 清洗 ；（3） 装配 ： 将瓷衬块分别置于三级移动支撑座， 然后将壳体零部件在专用焊接工装上 一次性装配定位， 并调节芯轴从内侧撑起壳体 ；（4） 二。
24、次洁净 ： 焊前采用干燥压缩空气吹拂 三级焊缝待焊部位 ；（5） 预热 ： 因壁厚 3.0mm 确定不预热 ； (6） 焊接 ： 采用自动变极性等离子 焊机对装在所述工装上的铝合金壳体三级环焊缝进行依次焊接 ；（7） 冷却 ： 所有三级焊缝 焊接完成后采用自然冷却方式使壳体温度降至室温 ；（8） 拆卸工装 ： 最后通过芯轴拆卸工 装， 取出铝合金壳体。 0054 实施例 2， 本实施例为 4.0mm 壁厚具有四级环焊缝的 7A05 铝合金变直径壳体进行 焊接。它包括以下步骤 ： 0055 （1） 焊接接头设计和焊接方式设计 ： 焊接接头确定不开坡口， 采用变极性等焊接工 艺单面焊双面成型， 设。
25、定焊缝装配间隙为 0mm， 焊枪不动， 壳体转动的方式预热和焊接 ；（2） 清洗 ： 对需要焊接的铝合金壳体大、 中、 小筒和大小法兰进行酸碱清洗 ；（3） 装配 ： 将瓷衬块 分别置于四级移动支撑座， 然后将壳体零部件在专用焊接工装上一次性装配定位， 并调节 芯轴从内侧撑起壳体 ；（4） 二次洁净 ： 焊前采用干燥压缩空气吹拂四级焊缝待焊部位 ；（5） 预热 ： 因壁厚 4.0mm 确定不预热 ； (6） 焊接 ： 采用自动变极性等离子焊机对装在所述工装上 的铝合金壳体四级环焊缝进行依次焊接 ；（7） 冷却 ： 所有三级焊缝焊接完成后采用自然冷 却方式使壳体温度降至室温 ；（8） 拆卸工装 。
26、： 最后通过芯轴拆卸工装， 取出铝合金壳体。采 用的焊接工装参考实施例 1。 0056 实施例3， 本实施例为12.0mm壁厚具有三级环焊缝的5A06铝合金变直径壳体进行 焊接。它包括以下步骤 ： 0057 （1） 焊接接头设计和焊接方式设计 ： 焊接接头确定开 30坡口， 采用变极性等焊 接工艺单面焊双面成型， 设定焊缝装配间隙为 0mm 1.0mm， 焊枪不动， 壳体转动的方式预 热和焊接 ；（2） 清洗 ： 对需要焊接的铝合金壳体大小筒和大小法兰进行酸碱清洗 ；（3） 装 配 ： 将瓷衬块分别置于三级移动支撑座， 然后将壳体零部件在专用焊接工装上一次性装配 定位， 并调节芯轴从内侧撑起壳。
27、体 ；（4） 二次洁净 ： 焊前采用干燥压缩空气吹拂三级焊缝待 说 明 书 CN 103551717 A 7 5/5 页 8 焊部位 ；（5） 预热 ： 采用自动变极性等离子焊机对装在所述工装上的铝合金壳体三级环焊 缝预热 50 80 ； (6） 焊接 ： 采用自动变极性等离子焊机对装在所述工装上的铝合金壳 体三级环焊缝进行依次焊接 ；（7） 冷却 ： 所有三级焊缝焊接完成后采用自然冷却方式使壳 体温度降至室温 ；（8） 拆卸工装 ： 最后通过芯轴拆卸工装， 取出铝合金壳体。采用的焊接工 装参考实施例 1。 0058 上述三个实施例中的多级铝合金壳体焊缝进行焊后检测， 未发现焊接裂纹、 气孔、 未焊透等缺陷， 焊缝质量达到级， 焊缝错变量小于 0.2mm， 壳体焊接变形明显改善， 满足产 品设计要求。 说 明 书 CN 103551717 A 8 1/2 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103551717 A 9 2/2 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 103551717 A 10 。