一种无衬垫单面焊双面成型打底焊缝质量控制方法 【技术领域】
本发明涉及焊接技术，特别涉及无衬垫单面焊双面成型打底焊缝质量控制方法，其是一种背面无需添加任何辅助成型衬垫而可以在不同的焊接坡口尺寸、组装间隙条件下实现单面焊双面成型熔化极气体保护打底焊的焊接工艺技术，可以广泛应用于厚钢板或钢管的熔化极气体保护打底焊接。
背景技术
当前，在厚钢板和钢管焊接时，单面焊双面成型打底焊接工艺应用广泛，涉及到锅炉及压力容器制造、管道安装焊接、造船、机械制造、建筑钢结构等领域。与双面焊接相比，单面焊双面成型打底焊接工艺省去了焊件翻转及背面清理焊根的工序，工人劳动强度低，焊接效率高，尤其是在无法进行双面焊的场合，其优势更加明显。
然而，当前普遍应用的单面焊双面成型打底焊接工艺有两大特点：
第一，为了保证焊缝背面成型质量，在焊接坡口背面粘贴各种专用衬垫，如铜衬垫、陶瓷衬垫、焊剂垫等，例如中国专利申请号CN200610122611.9公开了一种利用背面陶瓷衬垫的CO2气体保护单面焊双面成形焊接工艺，而如中国专利申请号CN200710022737.3则公开了一种背面添加焊剂的单面焊双面成型埋弧焊接技术与装置。此两类均属于单面焊背面强迫成型焊接，衬垫装置的选择与添加增加了生产成本与装置的复杂性，同时工人的工作量也显著增加；
第二、在常用的单面焊双面自由成型打底焊接中，通常对焊接坡口尺寸(坡口角度、坡口钝边)、组装间隙有非常严格的要求，在上述尺寸固定的情况下利用一套稳定的焊接工艺规范进行焊接，保证焊缝背面成型质量。例如：已经公开应用的压力管道环缝焊接打底焊，采用熔化极气体保护焊单面焊双面成型时，坡口角度约30°，坡口钝边尺寸约1.6mm，组装间隙1.5～2.0mm。为了保证坡口尺寸及组装间隙的精确，施工现场需要配备专用的坡口加工机以及管道对口器，对焊接公辅设施的配置要求很高，无形中增加了焊接成本，同时使焊接操作复杂化。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种无衬垫单面焊双面成型打底焊缝质量控制方法，针对厚钢板和钢管的背面无需添加任何辅助成型衬垫而可以在不同的焊接坡口尺寸、组装间隙条件下实现单面焊双面成型熔化极气体保护打底焊的焊接工艺技术，既减少了因为添加成型衬垫而带来的成本增加，又降低了焊接对坡口尺寸以及组装间隙的要求，从而解决了不同坡口尺寸以及组装间隙条件下单面焊双面成型打底焊接的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种无衬垫单面焊双面成型打底焊缝质量控制方法，将焊接坡口设计采用复合V型坡口，即坡口钝边、自坡口钝边向外偏折形成下V型坡口、自下V型坡口向外偏折形成上V型坡口；下V型坡口一侧边与坡口中心轴线成30°～40°角β；上V型坡口一侧边与坡口中心轴线成13°～15°角α；下V型坡口高度(m)值大小随板厚而定；焊接电压为20～24V，焊接速度0.2～0.3m/min，焊接电流115～165A；坡口钝边尺寸(R)1.0～2.4mm；焊接组装间隙(G)为0～3.6mm，其中，焊接坡口钝边尺寸(R)增加，焊接电流则相应的增加，而如果焊接组装间隙增加，焊接电流则需要相应的降低。
进一步，焊接用保护气体选用纯CO2，流量为15～20L/min。
本发明利用厚钢板或钢管进行单面焊双面成型打底焊接，采用不同的焊接坡口钝边尺寸以及组装间隙，通过适当调整焊接工艺规范来保证背面打底焊缝的成型质量，从中可以得到能够保证最佳背面焊缝成型质量的坡口钝边尺寸、组装间隙以及焊接工艺规范的优化组合。
利用直流逆变焊接电源进行熔化极气体保护打底焊接，焊丝自动送进，手工操作焊枪完成焊接过程。鉴于半自动气体保护焊接的特点，焊接工艺规范的调整仅限于焊接电流，焊接电压和焊接速度控制在一定范围内。
焊接坡口形式设计采用复合V型坡口，其中，对打底焊缝背面成型质量影响较大的下V型角度选择为30°～40°时，有利于焊接工艺规范的调整。该角度如果过大，则容易在焊缝背面烧穿；如果太小，则容易出现背面未焊透缺陷。m值大小随板厚而定。
焊接用保护气体选用纯CO2，流量为15～20L/min，选用Φ1.2mm的低合金高强钢气体保护实芯焊丝。焊丝干伸长度约20mm。焊接前将焊接坡口及其两侧30mm清理干净，包括锈蚀、油污、水分等，保证无焊接缺陷以及焊接接头力学性能良好。钢板及钢管组装时利用标准尺寸的塞片严格控制组装间隙。
在已经公开的技术中没有发现在不同的坡口尺寸、组装间隙条件下进行无衬垫单面焊双面成型打底焊接的工艺技术。
本发明的有益效果
本发明提供了一种适用于厚钢板和钢管的背面无需添加任何辅助成型衬垫而可以在不同的焊接坡口尺寸、组装间隙条件下实现单面焊双面成型熔化极气体保护打底焊的焊接工艺技术，并给出了能够保证最佳背面焊缝成型质量的焊接坡口钝边尺寸、组装间隙以及焊接工艺规范的优化组合，在实际应用中既减少了因为添加成型衬垫而带来的生产成本及工作量的增加，又降低了焊接过程对坡口尺寸以及组装间隙的要求，并解决了不同坡口尺寸以及组装间隙条件下单面焊双面成型打底焊接的问题，环境条件的适应性强，应用方便。
【附图说明】
图1为本发明焊接坡口形式设计示意图；
图2为本发明能够保证最佳背面焊缝成型质量的坡口钝边尺寸、组装间隙以及焊接工艺规范的优化组合及其变化规律曲线。
【具体实施方式】
本发明的具体实施方式如下：
分别选用三种不同类型的常见低合金钢，按照图1所示开坡口，焊接坡口钝边尺寸R加工为1.6mm，组装间隙G为2.4mm，并采用表1中与之对应的焊接工艺规范，焊接用保护气体选用纯CO2，流量为15～20L/min。焊丝干伸长度约20mm。通过图2可以根据焊接坡口钝边尺寸以及组装情况方便的选择理想的焊接工艺规范，保证单面焊双面成型打底焊缝的背面成型质量。
表1所示为部分能够保证最佳背面焊缝成型质量的坡口钝边尺寸、组装间隙以及焊接工艺规范的优化组合。当焊接电压、焊接速度及焊接坡口角度在一定范围内固定时，主要通过焊接电流的调整来匹配焊接坡口钝边尺寸以及组装间隙的变化，并且能够得到背面成型良好地单面焊双面成型打底焊缝。焊接坡口钝边尺寸增加，焊接电流需要相应的增加，而如果焊接组装间隙增加，焊接电流则需要相应的降低。
图2所示为能够保证最佳背面焊缝成型质量的坡口钝边尺寸、组装间隙以及焊接工艺规范的优化组合及其变化规律曲线。利用位于曲线上的坡口尺寸及焊接工艺组合可以得到背面成型质量良好的焊缝，而曲线以外的工艺则难以保证。单面焊双面成型背面焊缝成型质量主要通过下面的定量和定性指标来衡量。焊缝余高、焊缝宽度、焊缝表面均匀程度、焊缝与母材边缘过渡情况等。其中，前两者为定量指标，焊缝余高要求不能超过2mm，而焊缝宽度要求不能超过坡口原始宽度4mm，即坡口每侧母材熔化量不能多于2mm；后两者为宏观定性指标，要求焊缝表面铺展均匀、美观，不能有明显缩颈和咬边等缺陷，焊缝与母材边缘平滑过渡，不能有明显的过渡台阶及尖锐棱角等。图2所示曲线上的坡口状态及工艺组合能够满足上述背面焊缝成型质量要求。
表2所示为三种不同类型的常见低合金钢无衬垫单面焊双面成型气体保护打底焊接实例。实施效果如表3所示。
表1部分坡口钝边尺寸、组装间隙以及焊接工艺组合
表2三种常见低合金钢无衬垫单面焊双面成型气体保护打底焊接实例
表3三种常见低合金钢单面焊双面成型气体保护打底焊接实施效果