桁架臂相贯线焊接坡口切割工艺研究

梁　　卫　　郭玉钊　陈　　磊

（河南卫特汽车起重机有限公司，新乡 453400）

桁架臂相贯线焊接坡口切割工艺研究

梁卫郭玉钊陈磊

（河南卫特汽车起重机有限公司，新乡 453400）

本文在相贯线两面角数学模型建立的基础上，针对桁架臂结构中管-管、管-板相贯接头焊接坡口，通过采用合适的坡口切割方式、选择相应坡口角、实际割炬偏转角等关键工艺参数，获得良好坡口质量，从而保证焊接可靠性及良好的外观质量。

桁架臂相贯接头割炬偏转角定角度坡口变角度坡口

引言

管-管相贯、管-板相贯广泛应用于履带吊桁架臂、汽车起重机副臂结构中。采用相贯线切割机加工管端相贯线，为保证焊接质量和可靠性，需要于相贯线处设计焊接坡口。参考桁架臂中相贯接头空间几何关系、管壁厚等因素，往往采用不同样式焊接坡口。为方便后续割炬偏转角计算，有必要建立相贯线两面角数学模型。

1相贯线两面角数学模型

根据AWS（美国焊接学会标准），相贯线每一点处焊接坡口角取决于该点的局部两面角由于相贯线任意点局部两面角不断变化，焊接坡口角度随之不断改变。据相关文献［1-3］，对于马鞍式相贯管接头（支管内壁与主管外壁相贯，见图4）而言，相贯线任意点两面角为：

式中，α为轴交角；φ为相贯线任意一点在主管上圆周角；β为扭转角；为相贯线任意点在支管上圆周角；d为支管直径；t为支管壁厚；a为相贯管轴线偏心值；D为主管直径。

针对强夯桁架臂而言，相贯接头多采用倾斜相交对心形式，即：β=0，a=0；对于管板相贯而言D=∞，即φ=0；因而本文所讨论相贯线任意点两面角为：

（1）管-管相贯形式

（2）管-板相贯形式

2焊接坡口角的选择

相贯线坡口角取决于两面角的大小，根据AWS规定（两面角Ψ，坡口角ρ）：

135°≤Ψ≤180°，ρ=90°

90°≤Ψ＜135°，ρ=Ψ-45°

70°≤Ψ＜90°，ρ=Ψ/2

0≤Ψ＜70°，ρ=35°

事实上对于Ψ≤40°而言，加工坡口时厚管时管厚会急剧变化影响切割质量，在焊接时焊丝“干伸长”很大，对于根部焊接质量很难保证。此外坡口尺寸变化剧烈，导致焊缝外观质量很难控制。因此设计时须避免小角度相贯。

3　实际切割角

如图1所示，两面角Ψ、坡口角ρ、理论切割角A都是在两面角所在的相贯线法剖面内。显然，为获得相关规范所要求的坡口角，理论切割角需满足：A=90°-Ψ+ρ。

图1两面角ψ、坡口角ρ、理论切割角A示意图

由于法剖面沿相贯线不断改变方向，若按理论切割角进行切割则要求割炬的空间位置需要在相贯线上各点的两面角的法平面即法剖面内，这将使整个机构复杂化，并使其难以控制。一般数控相贯线切割机割炬的切割面均在被切管素线与其轴线所构成的轴剖面内，因此为了合理控制割炬方向必须换算出割炬在轴剖面内的切割角，即实际切割角ω。根据经验公式［2］，实际切割角ω与理论切割角A关系可近似表示为：

式中，γ为法剖面与轴剖面之间的夹角。对于倾斜相交无偏心管-管相贯而言：

对于管-板相贯而言：

4桁架臂结构中相贯线坡口设计

4.1定角度坡口

从焊接工艺角度考虑，希望相贯线的坡口角ρ不变或者变化较小；为此在切割相贯线和焊接坡口时需要改变切割角A的方法，使ρ不变或者变化较小。定角度坡口切割方式主要针对以下情况：

（1）薄壁腹管t≤3管-管相贯，坡口角变化对于坡口尺寸变化影响不大。如图所示，切割角A变化范围-17～54°，由于管壁薄坡口尺寸变化△≤2，实践表明选择30°定角度坡口可获得较好焊接外观质量。

（2）管板垂直相贯或相贯线各点两面角变化不大。下节臂主弦管与耳座板相贯，如图 2、图3所示（α=84.5°即相贯线各点两面角ψ范围84.5～95.5°，坡口角范围39.5～48.5°变化不大），坡口尺寸变化△≤1.5，参考坡口形式，多采用35°定角度坡口切割。

图2薄壁腹管

图3主弦管-板相贯

4.2变角度坡口

对于轴交角较小，管壁较厚的管-管、管-板相贯，若依旧采用定角度坡口切割将导致一端坡口太大，增加焊接难度，影响焊接可靠性及外观质量。为此采用变角度坡口，截取相贯线上近点（θ=0°起弧点）、侧端点 1 （θ=90°）、远点（θ=180°）、侧端点2（θ=270°）四处作为参考，输入此处实际切割角，通过不断改变实际切割角ω，获得连续变化的坡口，如图4所示。

图4管-管倾斜相交相贯线示意图

由于被切割管匀速旋转（水平主轴Z），割炬在每一区间内匀速轴向偏转，实际上可以得知被切割管任意θ处此时割炬实际偏转角。即在初步设定四处参考点数值后，被切割管任意θ处割炬偏转角便随之确定。可再选取θ=45°、θ=135°、θ=215°、θ=305°点，检验坡口尺寸是否合适，通过适当修正（=0°起弧点）、侧端点 1 （=90°）、远点（=180°）、侧端点2（=270°）输入值，以期望获得变化平缓，便于焊接的坡口形式。针对不同壁厚，不同轴交角，四处参考点的数值不断变化。根据实际试验修正理论计算值，见表1。

表1管-管相贯线焊接坡口实际切割角参数

针对厚壁管相贯，设计时需要避免小轴交角的倾斜相交。如桁架臂中一结构支撑管φ114×25等径对心倾斜相交，轴交角α为60°；相贯线两面角变化范围60～129°，尤其在 θ=45～90°区间，两面角 ψ 自 87°变化至124°，仅仅依靠四处参考点很难做到坡口变化平缓，而且近点处很难处理，若加工坡口焊接时焊丝“干伸长”太大，很难保证焊缝根部质量。

表2轴交角α为85°时切割工艺参数

为方便计算坡口切割角，可编制excle表格，输入相贯接头各参数得到相贯线任意点两面角、实际坡口切割角等参数，对于调节四个参考点实际坡口切割角数值带来方便，具体如图5所示。

图5坡口实际切割角计算表

5结语

（1）对于桁架臂马鞍式相贯接头，通过采用合适的坡口切割方式、选择相应坡口角、实际割炬偏转角等关键工艺参数，可以获得良好坡口质量，从而保证焊接可靠性及外观质量。

（2）对于厚壁管，仅仅依靠四处参考点很难做到坡口变化平缓，需要参考θ=45°、θ=135°两点，对参考点数值作出调整。

（3）为方便调整参数可编制简单、便捷excle表格，通过公式运算获得较准确割炬偏转角。

［1］李宝清、贾安东.多管、板相贯坡口切割的数学模型［J］.天津大学学报，2000，33（5）：583-586

［2］沈嘉琦.火焰自动切管机割炬轨迹控制研究：［硕士学位论文］.天津：天津大学，2002

［3］李小刚，吕碧峰，姚伟伟，等.相交双管焊接坡口的数据化处理.中国机械工程，2004，15（4）：355～357

Truss Arm Intersecting Line Welding Groove Cutting Technology Research

LIANG Wei，GUO Yuzhao，CHEN Lei
（Henan waight Automobile Crane Co.Ltd，Xinxiang 453400）

thispaperisbasedonestablishmentinphase mathematic model of intersection line of the dihedral angle，for truss arm structure of tube and tube plate intersecting joint welding groove，throughtheuseofappropriategroovecuttingmode，selectthe appropriate slope angle and actual torch the deflection angle of key process parameters，to reach good quality of groove，so as to ensure the reliability and good appearance quality of welding.

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