适用于横焊位置的单面焊双面成型焊接方法及焊接结构与流程

本发明涉及一种适用于横焊位置的单面焊双面成型焊接方法及焊接结构。

背景技术：

随着核电行业的发展，小型反应堆凭借初始投资小、建造周期短、移动性强等优点得到了快速发展，可以有效解决电网难以延伸区域的供电问题，如具有开发价值的海岛、海上钻井平台、电网工程难度较大的无电区等。小型反应堆整体尺寸相比大型核电设备小很多，壁厚也相对较薄≤100mm，所以此类反应堆容器可体母材大多采用镍基合金或低合金钢。堆容器壳体环缝焊接时，由于结构设计原因及内部空间狭窄导致无法内壁焊接，焊缝只能从外壁焊接并保证单面焊双面成型。壳体环缝可采用立装横焊焊接或卧装水平焊接。

对于国内外大多数制造厂，对于镍基合金壳体环缝立装横焊单面焊双面成型，多采用手工氩弧焊焊接，手工焊生产效率底，并且焊工劳动强度大，长时间在高温烘烤和有毒烟尘的环境中操作会导致由于人为因素产生焊接缺陷。

技术实现要素：

本发明提供一种适用于横焊位置的单面焊双面成型焊接方法及焊接结构，能够实现单面焊双面成型，获得良好的焊缝质量，改善焊缝外观成型，提高生产效率，大大减少了人工劳动强度，同时提出焊道打磨及探伤要求，减少了人为因素导致的焊接缺陷。

为了达到上述目的，本发明提供一种适用于横焊位置的单面焊双面成型焊接方法，包含以下步骤：

步骤s1、装配待焊接的上端母材和下端母材，上端母材与下端母材之间竖直接触，上端母材和下端母材之间形成横向焊接坡口；

步骤s2、采用自动氩弧焊方式在焊接坡口底部进行焊接，形成打底焊层；

步骤s3、采用自动氩弧焊方式在打底焊层上进行焊接，形成填充焊层，填充焊层填满整个焊接坡口；

步骤s4、采用自动氩弧焊方式在填充焊层上和填充焊层与母材交接处进行焊接，形成盖面焊层。

所述的上端母材具有底部坡口，该底部坡口包含：上部坡口、下部坡口和钝边，所述的上部坡口连接上端母材的外侧面和下部坡口，上部坡口与水平面之间的角度为7°～15°，下部坡口连接上部坡口和钝边，下部坡口与垂直面之间的角度为30°～50°，上部坡口与下部坡口之间的过渡圆角半径为2～8mm，上部坡口与下部坡口的直线交接处距离上端母材内侧面的距离为6～10mm，钝边连接下部坡口和上端母材的内侧面，钝边的高度为1～2mm；

所述的下端母材具有底部坡口，该底部坡口包含：上部坡口、下部坡口和钝边，所述的上部坡口连接下端母材的外侧面和下部坡口，上部坡口与水平面之间的角度为3°～10°，下部坡口连接上部坡口和钝边，下部坡口与垂直面之间的角度为30°～50°，上部坡口与下部坡口之间的过渡圆角半径为2～8mm，上部坡口与下部坡口的直线交接处距离下端母材内侧面的距离为6～10mm，钝边连接下部坡口和下端母材的内侧面，钝边的高度为1～2mm。

所述的焊接形成打底焊层的方法包含：

调节焊枪钨棒位置，使钨棒根部距离焊缝中心线偏下0.5～1.5mm；

在上端母材和下端母材的内侧面固定安装背保护工装，背保护工装完全覆盖上端母材与下端母材之间的缝隙，并与上端母材和下端母材之间形成封闭的腔体空间，向该封闭的腔体空间内通入纯度为99.99％的纯氩气体，气体流量为30～60l/min，通气时间≥15min；

采用不摆动的自动氩弧焊直进焊焊接方式在焊接坡口底部钝边处进行焊接，形成打底焊道，该打底焊道将上端母材的钝边和下端母材的钝边完全熔合在一起。

所述的焊接形成填充焊层的方法包含：采用多层多道自动氩弧焊不摆动焊的焊接方式来焊接形成多层填充焊层，在打底焊道上焊接第一层填充焊层，在第一层填充焊层上焊接第二层填充焊层，以此类推，直至填充焊层将焊接坡口填满为止，每一层填充焊层包含至少两个填充焊道；

所述的焊接形成每一层填充焊层的方法包含：

当焊接坡口的宽度能够容纳两个填充焊道且焊接第一层填充焊层时，先在下端母材边缘和打底焊层上焊接第一道填充焊道，再在上端母材边缘、第一道填充焊道和打底焊层上焊接第二道填充焊道；

当焊接坡口的宽度能够容纳两个填充焊道且焊接非第一层填充焊层时，先在下端母材边缘和上一层填充焊层上焊接第一道填充焊道，再在上端母材边缘、第一道填充焊道和上一层填充焊层上焊接第二道填充焊道；

当焊接坡口的宽度能够容纳三个填充焊道时，先在下端母材边缘和上一层填充焊层上焊接第一道填充焊道，再在上端母材边缘和上一层填充焊层上焊接第二道填充焊道，最后在第一道填充焊道、第二道填充焊道和上一层填充焊层上焊接第三道填充焊道；

当焊接坡口的宽度能够容纳n个填充焊道时，n≥4，先在下端母材边缘和上一层填充焊层上焊接第一道填充焊道，再在第一道填充焊道和上一层填充焊层上焊接第二道填充焊道，接着在第二道填充焊道和上一层填充焊层上焊接第三道填充焊道，以此类推，直至焊接至第n-2道填充焊道，在上端母材边缘和上一层填充焊层上焊接第n-1道填充焊道，最后在第n-2道填充焊道、第n-1道填充焊道和上一层填充焊层上焊接第n道填充焊道。

所述的焊接形成盖面焊层的方法包含：采用不摆动的自动氩弧焊直进焊焊接方式在填充焊层上和填充焊层与母材交接处进行焊接，形成盖面焊层，该盖面焊层包含n个盖面焊道，n≥4；

先在最后一层填充焊层上和下端母材与最后一层填充焊层的交接处焊接第一道盖面焊道，再在第一道盖面焊道和最后一层填充焊层上焊接第二道盖面焊道，接着在第二道盖面焊道和最后一层填充焊层上焊接第三道盖面焊道，以此类推，直至焊接至第n-2道盖面焊道，在上端最后一层填充焊层上和上端边缘与最后一层填充焊层的交接处焊接第n-1道盖面焊道，最后在第n-2道盖面焊道、第n-1道盖面焊道和最后一层填充焊层上焊接第n道盖面焊道。

焊接打底焊层、填充焊层和盖面焊层时，焊接主气体和焊接辅助气体都采用纯度为99.99％的纯氩气体，焊接主气体流量为15～30l/min，焊接辅助气体流量为20～50l/min；

焊接打底焊层和焊接盖面焊层的焊接参数为：

当焊丝直径为1.0mm时，焊接电流的峰值电流为200～250a，基值电流为100～160a，焊接电压为8～12v，焊接速度为75～100mm/min，送丝速度为800～1300mm/min；

当焊丝直径为1.2mm时，焊接电流的峰值电流为220～260a，基值电流为130～170a，焊接电压为8～12v，焊接速度为75～100mm/min，送丝速度为800～1300mm/min；

当焊丝直径为1.6mm时，焊接电流的峰值电流为230～270a，基值电流为140～170a，焊接电压为8～14v，焊接速度为75～100mm/min，送丝速度为800～1200mm/min；

焊接填充焊层的焊接参数为：

当焊丝直径为1.0mm时，焊接电流的峰值电流为200～270a，基值电流为100～170a，焊接电压为8～12v，焊接速度为75～110mm/min，送丝速度为800～1300mm/min；

当焊丝直径为1.2mm时，焊接电流的峰值电流为220～280a，基值电流为130～180a，焊接电压为8～12v，焊接速度为75～110mm/min，送丝速度为800～1300mm/min；

当焊丝直径为1.6mm时，焊接电流的峰值电流为230～280a，基值电流为140～180a，焊接电压为8～14v，焊接速度为70～110mm/min，送丝速度为800～1200mm/min。

本发明还提供一种适用于横焊位置的单面焊双面成型焊接方法形成的焊接结构，该焊接结构包含：

上端母材和下端母材之间形成的横向焊接坡口，该横向焊接坡口具有位于母材内侧端的底部、位于上端母材侧的上端母材坡口侧壁、位于下端母材侧的下端母材坡口侧壁、以及位于母材外侧端的顶部；

打底焊层，其位于焊接坡口的底部，将上端母材的钝边和下端母材的钝边完全熔合在一起，完全覆盖住上端母材和下端母材之间的缝隙；

多层填充焊层，其填充满整个焊接坡口，第一层填充焊层位于打底焊层上，第二层填充焊层位于第一层填充焊层上，以此类推，最后一层填充焊层位于倒数第二层填充焊层上；

盖面焊层，其位于填充焊层上和填充焊层与母材交接处，完全覆盖住焊接坡口的顶部边缘。

所述的上端母材坡口侧壁包含：上部坡口和下部坡口，上部坡口与水平面之间的角度为7°～15°，下部坡口与垂直面之间的角度为30°～50°，上部坡口与下部坡口之间过渡圆角的半径为2～8mm，上部坡口与下部坡口的直线交接处距离上端母材内侧面的距离为6～10mm；

所述的下端母材坡口侧壁包含：上部坡口和下部坡口，上部坡口与水平面之间的角度为3°～10°，下部坡口与垂直面之间的角度为30°～50°，上部坡口与下部坡口之间过渡圆角的半径为2～8mm，上部坡口与下部坡口的直线交接处距离下端母材内侧面的距离为6～10mm。

所述的每一层填充焊层至少包含两个填充焊道，每一层填充焊层包含的填充焊道数量与该层填充焊层所处的焊接坡口的宽度相关，焊接坡口的宽度越宽，所需的填充焊道数量越多；

当填充焊层包含两个填充焊道且该填充焊层为第一层填充焊层时，第一道填充焊道位于下端母材边缘和打底焊层上，第二道填充焊道位于上端母材边缘、第一道填充焊道和打底焊层上；

当填充焊层包含两个填充焊道且该填充焊层不是第一层填充焊层时，第一道填充焊道位于下端母材边缘和上一层填充焊层上，第二道填充焊道位于上端母材边缘、第一道填充焊道和上一层填充焊层上；

当填充焊层包含三个填充焊道时，第一道填充焊道位于下端母材边缘和上一层填充焊层上，第二道填充焊道位于上端母材边缘和上一层填充焊层上，第三道填充焊道位于第一道填充焊道、第二道填充焊道和上一层填充焊层上；

当填充焊层包含n个填充焊道时，n≥4，第一道填充焊道位于下端母材边缘和上一层填充焊层上，第二道填充焊道～第n-2道填充焊道都位于上一道填充焊道和上一层填充焊层上，第n-1道填充焊道位于上端母材边缘和上一层填充焊层上，第n道填充焊道位于第n-2道填充焊道、第n-1道填充焊道和上一层填充焊层上。

所述的盖面焊层包含n个盖面焊道，n≥4，第一道盖面焊道位于下端母材与最后一层填充焊层的交接处和最后一层填充焊层上，第二道盖面焊道～第n-2道盖面焊道都位于上一道盖面焊道和最后一层填充焊层上，第n-1道盖面焊道位于上端母材与最后一层填充焊层的交接处和最后一层填充焊层上，第n道盖面焊道位于第n-2道盖面焊道、第n-1道盖面焊道和最后一层填充焊层上。

本发明采用自动氩弧焊横焊，能够实现单面焊双面成型，获得良好的焊缝质量，改善焊缝外观成型，提高生产效率，大大减少了人工劳动强度，同时提出焊道打磨及探伤要求，减少了人为因素导致的焊接缺陷。

附图说明

图1是本发明提供的一种适用于横焊位置的单面焊双面成型焊接方法的流程图。

图2是焊接坡口的示意图。

图3是图2中i部的放大示意图。

图4是打底焊的焊接示意图。

图5是填充焊的焊接示意图。

图6是盖面焊的焊接示意图。

图7是本发明提供的焊接结构的示意图。

具体实施方式

以下根据图1～图7，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种适用于横焊位置的单面焊双面成型焊接方法，包含以下步骤：

步骤s1、装配待焊接的上端母材和下端母材，上端母材与下端母材之间竖直接触，上端母材和下端母材之间形成横向焊接坡口；

步骤s2、采用自动氩弧焊方式在焊接坡口底部进行焊接，形成打底焊层；

步骤s3、采用自动氩弧焊方式在打底焊层上进行焊接，形成填充焊层，填充焊层填满整个焊接坡口；

步骤s4、采用自动氩弧焊方式在填充焊层上和填充焊层与母材交接处进行焊接，形成盖面焊层。

本发明主要针对镍基合金进行焊接，也可以对不锈钢材质进行焊接，上端母材和下端母材如果是镍基合金，那么采用镍基合金作为焊料来进行焊接，上端母材和下端母材如果是不锈钢，那么则采用不锈钢作为焊料来进行焊接。

如图2所示，所述的上端母材与下端母材竖直放置，上端母材(试件a)设置在下端母材(试件b)上，试件a和试件b的壁厚l≤100mm，从试件a和试件b的外侧进行焊接。

所述的试件a具有底部坡口，该底部坡口包含：上部坡口101、下部坡口102和钝边103。所述的上部坡口101连接试件a的外侧面和下部坡口102，上部坡口101与水平面之间的角度α为7°～15°。下部坡口102连接上部坡口101和钝边103，下部坡口102与垂直面之间的角度γ2为30°～50°，如图3所示，上部坡口101与下部坡口102之间具有过渡圆角，该过渡圆角的半径r为2～8mm，上部坡口101与下部坡口102的直线交接处距离试件a内侧面的距离h为6～10mm。钝边103连接下部坡口102和试件a的内侧面，钝边103的高度δ为1～2mm。

所述的试件b也具有底部坡口，该底部坡口包含：上部坡口201、下部坡口202和钝边203。所述的上部坡口201连接试件b的外侧面和下部坡口202，上部坡口201与水平面之间的角度β为3°～10°。下部坡口202连接上部坡口201和钝边203，下部坡口202与垂直面之间的角度γ1为30°～50°，上部坡口201与下部坡口202之间具有过渡圆角，该过渡圆角的半径为2～8mm，上部坡口201与下部坡口202的直线交接处距离试件b内侧面的距离为6～10mm。钝边203连接下部坡口202和试件b的内侧面，钝边203的高度δ为1～2mm。

因为试件a位于上侧，试件b位于下侧，所以令试件a上的上部坡口101倾斜角度α大于试件b上的上部坡口201倾斜角度β，这样能够保证焊接时焊缝金属能够与上端母材金属更好的熔合，装配后错变量≤1.5mm。

在对上端母材和下端母材之间的焊接坡口进行焊接之前，需要做必要的焊接前准备，包含：

采用酒精或丙酮清理焊接坡口及焊接坡口周围，清洁并清理焊接坡口表面、待焊面及边缘，使焊接坡口无水渍、无氧化物、无油污、无积渣和其他任何可能影响焊接质量的外来物质。

焊机机头包含焊枪和行走机构，焊枪包含钨棒和送丝机构，采用的钨棒直径为焊丝直径为电流采用脉冲电流，按照设定好的焊接程序，将焊机机头沿工件焊缝行走一遍，检查焊枪、钨极、送丝嘴与焊接坡口之间的距离，将各部分调到方便起弧的位置，保证焊接过程中的电弧稳定。

如图4所示，步骤s2中，焊接形成打底焊层的方法包含：

调节焊枪钨棒位置，使钨棒根部距离焊缝中心线偏下0.5～1.5mm；

在上端母材和下端母材的内侧面固定安装背保护工装，该背保护工装可以采用焊接方式或者粘结方式与上端母材和下端母材连接，背保护工装应该能够完全覆盖上端母材与下端母材之间的缝隙，并与上端母材和下端母材之间形成封闭的腔体空间z，在进行打底焊之前，向该封闭的腔体空间z内通入纯度为99.99％的纯氩气体，气体流量为30～60l/min，通气时间≥15min；

采用不摆动的自动氩弧焊直进焊焊接方式在焊接坡口底部钝边处进行焊接，形成打底焊道，该打底焊道将上端母材的钝边和下端母材的钝边完全熔合在一起；

打底焊焊后对焊缝进行目视检查(vt)及液体渗透检查(pt)。

打底焊的焊接参数如表1所示，主气体流量为15～30l/min，辅助气体流量为20～50l/min，主气体和辅助气体都采用纯度为99.99％的纯氩气体；

表1打底焊焊接参数

如图5所示，步骤s3中，焊接形成填充焊层的方法包含：

采用多层多道自动氩弧焊不摆动焊焊接方式焊接形成多层填充焊层，直至填充焊层将焊接坡口填满为止，每一层填充焊层包含至少两个填充焊道，具体来说，在打底焊道上焊接第一层填充焊层，在第一层填充焊层上焊接第二层填充焊层，以此类推，在倒数第二层填充焊层上焊接最后一层填充焊层。

当焊接坡口的宽度能够容纳2个焊道数量时，由下到上焊接，先焊接焊道2，然后焊接焊道3，再焊接下一层的焊接焊道4和焊道5。

当焊接坡口的宽度能够容纳3个焊道数量时，焊道排道顺序为a-b-c，先焊接最下侧位于下端母材边缘的焊道a，然后焊接靠近上侧母材边缘的焊道b，最后焊接焊道c；

当焊接坡口的宽度能够容纳4个焊道数量时，焊道排道顺序为d-e-f-g，先焊接下端母材侧焊道d，然后焊接焊道e，此时剩余空间可容纳两个焊道，应先焊接靠近上侧母材边缘的焊道f，最后焊接g焊道；

当焊接坡口的宽度能够容纳n个焊道数量时，首先从下端母材侧位于下端母材边缘处开始焊接，在下端母材边缘和上一层填充焊层上焊接形成第一个焊道，然后由下而上依次焊接，在第一个焊道和上一层填充焊层上焊接形成第二个焊道，在第二个焊道和上一层填充焊层上焊接形成第三个焊道，直至焊接形成第n-2个焊道为止，此时的剩余空间仅可容纳两个焊道，先从上端母材侧位于上端母材边缘处开始焊接，在上端母材边缘和上一层填充焊层上焊接形成第n-1个焊道，最后在第n-2个焊道、第n-1个焊道和上一层填充焊层上焊接形成第n个焊道。

填充焊的焊接参数如表2所示，主气体流量为15～30l/min，辅助气体流量为20～50l/min；

填充焊的焊接过程中，当焊接坡口中的焊接金属的厚度≥5mm时，可以去除背保护工装。

表2填充焊焊接参数

每一道焊道都必须彻底清渣，焊道与焊道之间的搭接区域必须打磨，圆滑过渡。对焊道接头处和弧坑区域必须打磨圆滑，去除弧坑不良组织、氧化物及杂质。打磨后及时清理残留物，不得有焊渣碎片。

每个焊道焊接后对焊缝进行目视检查(vt)及液体渗透检查(pt)。

如图6所示，步骤s4中，焊接形成盖面焊层的方法包含：

采用不摆动的自动氩弧焊直进焊焊接方式在填充焊层上和填充焊层与母材交接处进行焊接，形成盖面焊层；

盖面焊焊接参数与打底焊焊接参数一致；

焊道排布顺序为ι-ii-iii-iv-v，如图6所示，由下而上焊接，先焊接焊道ι，然后依次焊接ii和焊道iii，此时剩余空间容纳两个焊道，应先焊接上面靠近母材的焊道iv，最后焊接焊道v；

焊接完成后打磨表面满足探伤要求，进行液体渗透检查(pt)、超声波检查(ut)及射线检查(rt)。

如图7所示，本发明还提供一种适用于横焊位置的单面焊双面成型焊接形成的焊接结构，包含：

上端母材和下端母材之间形成的横向焊接坡口11，该横向焊接坡口11具有位于母材内侧端的底部1011、位于上端母材侧的上端母材坡口侧壁、位于下端母材侧的下端母材坡口侧壁、以及位于母材外侧端的顶部1012；

打底焊层12，其位于焊接坡口11的底部，将上端母材的钝边和下端母材的钝边完全熔合在一起，完全覆盖住上端母材和下端母材之间的缝隙；

多层填充焊层13，其填充满整个焊接坡口11，第一层填充焊层位于打底焊层上，第二层填充焊层位于第一层填充焊层上，以此类推，最后一层填充焊层位于倒数第二层填充焊层上；

盖面焊层14，其位于填充焊层上和填充焊层与母材交接处，完全覆盖住焊接坡口11的顶部边缘。

进一步，如图2和图7所示，所述的上端母材坡口侧壁包含：上部坡口101和下部坡口102，上部坡口101与水平面之间的角度α为7°～15°，下部坡口102与垂直面之间的角度γ2为30°～50°，上部坡口101与下部坡口102之间过渡圆角的半径r为2～8mm，上部坡口101与下部坡口102的直线交接处距离上端母材内侧面的距离h为6～10mm。

如图2和图7所示，所述的下端母材坡口侧壁包含：上部坡口201和下部坡口202，上部坡口201与水平面之间的角度β为3°～10°，下部坡口202与垂直面之间的角度γ1为30°～50°，上部坡口201与下部坡口202之间过渡圆角的半径r为2～8mm，上部坡口201与下部坡口202的直线交接处距离下端母材内侧面的距离h为6～10mm。

如图7所示，所述的每一层填充焊层13至少包含两个焊道，每一层填充焊层包含的焊道数量与该层填充焊层所处的焊接坡口的宽度相关，焊接坡口的宽度越宽，所需的焊道数量越多。

当填充焊层包含两个焊道且该填充焊层为第一层填充焊层时，如图7所示，第一道焊道2位于下端母材边缘和打底焊层1上，第二道焊道3位于上端母材边缘、第一道焊道2和打底焊层1上。

当填充焊层包含两个焊道且该填充焊层不是第一层填充焊层时，如图7所示，第一道焊道4位于下端母材边缘和上一层填充焊层上，第二道焊道5位于上端母材边缘、第一道焊道4和上一层填充焊层上。

当填充焊层包含三个焊道时，如图7所示，第一道焊道a位于下端母材边缘和上一层填充焊层上，第二道焊道b位于上端母材边缘和上一层填充焊层上，第三道焊道c位于第一道焊道a、第二道焊道b和上一层填充焊层上。

当填充焊层包含四个焊道时，第一道焊道d位于下端母材边缘和上一层填充焊层上，第二道焊道e位于第一道焊道d和上一层填充焊层上，第三道焊道f位于上端母材边缘和上一层填充焊层上，第四道焊道g位于第二道焊道e、第三道焊道f和上一层填充焊层上。

当填充焊层包含n个(n>4)焊道时，第一道焊道位于下端母材边缘和上一层填充焊层上，第二道焊道～第n-2道焊道都位于上一道焊道和上一层填充焊层上，第n-1道焊道位于上端母材边缘和上一层填充焊层上，第n道焊道位于第n-2道焊道、第n-1道焊道和上一层填充焊层上。

如图7所示，所述的盖面焊层包含：至少四个焊道，以n个(n>4)焊道为例，第一道焊道位于下端母材与最后一层填充焊层的交接处和最后一层填充焊层上，第二道焊道～第n-2道焊道都位于上一道焊道和最后一层填充焊层上，第n-1道焊道位于上端母材与最后一层填充焊层的交接处和最后一层填充焊层上，第n道焊道位于第n-2道焊道、第n-1道焊道和最后一层填充焊层上。

本发明采用自动氩弧焊横焊，能够实现单面焊双面成型，获得良好的焊缝质量，改善焊缝外观成型，提高生产效率，大大减少了人工劳动强度，同时提出焊道打磨及探伤要求，减少了人为因素导致的焊接缺陷。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。