空間多位置擺動(dòng)電弧窄間隙MAG焊熔滴過渡與焊縫成形研究.pdf

1、制造大型厚壁結(jié)構(gòu)件時(shí)不可避免的需要在非水平位置焊接，較大的焊接工作量也對(duì)焊接效率提出了更高的要求。窄間隙MAG焊是一種高效的焊接技術(shù)，目前主要應(yīng)用于厚板的水平位置焊接。本文將擺動(dòng)電弧技術(shù)應(yīng)用于窄間隙MAG焊接中，開發(fā)適用于空間多位置的擺動(dòng)電弧窄間隙焊接工藝，實(shí)現(xiàn)厚壁結(jié)構(gòu)的高效化空間多位置焊接。論文在設(shè)計(jì)開發(fā)擺動(dòng)電弧窄間隙焊炬的基礎(chǔ)上，對(duì)空間多位置擺動(dòng)電弧窄間隙MAG焊熔滴過渡與焊縫成形進(jìn)行了研究，分析了平焊、立向下焊、仰焊及立向上焊熔池

2、特征及形成過程，根據(jù)不同位置的焊縫成形特點(diǎn)，建立了焊接參數(shù)與焊縫成形尺寸的統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)模型，并優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了管道擺動(dòng)電弧窄間隙全位置焊接，獲得了成形良好的管道窄間隙全位置焊接接頭。
　　針對(duì)空間多位置窄間隙MAG焊接工藝要求，在綜合考慮其它電弧擺動(dòng)方案優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，確定了導(dǎo)電嘴弧形擺動(dòng)方案，并開發(fā)設(shè)計(jì)了擺動(dòng)電弧窄間隙MAG焊炬及其配套噴嘴。采用工藝試驗(yàn)的方法檢驗(yàn)了擺動(dòng)電弧窄間隙MAG焊炬的可靠性。焊炬性能穩(wěn)定可靠，可以進(jìn)行大規(guī)

3、范、長持續(xù)時(shí)間的窄間隙焊接，為熔滴過渡和熔池行為的研究提供了條件。
　　采用高速攝像系統(tǒng)和焊接電信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)擺動(dòng)電弧窄間隙焊熔滴過渡過程進(jìn)行了觀察。在擺動(dòng)電弧窄間隙焊接中，側(cè)壁附近處的熔滴過渡頻率高于坡口中間區(qū)域的熔滴過渡頻率。焊絲在坡口之間的擺動(dòng)改變了焊絲與側(cè)壁之間的距離，引起了焊接電弧長度的變化，使得焊接電流發(fā)生了波動(dòng)，最終導(dǎo)致了熔滴過渡的規(guī)律性變化。這會(huì)將更多的電弧熱量和填充金屬分配到坡口側(cè)壁，對(duì)于保證側(cè)壁熔合和抑制非平焊

4、位置熔池流淌具有積極作用。隨后研究了送絲速度、焊接電壓、擺動(dòng)速度及擺動(dòng)角度等參數(shù)對(duì)熔滴過渡影響。
　　研究了平焊、立焊及仰焊的熔滴過渡過程。焊接位置變化時(shí)，熔滴過渡頻率及熔滴直徑隨之改變。焊接位置由平焊-立焊-仰焊轉(zhuǎn)變時(shí)，熔滴過渡頻率下降，熔滴直徑增加，熔滴過渡難度增大。側(cè)壁附近的熔滴過渡頻率高于中間區(qū)域的過渡頻率，這一變化規(guī)律不會(huì)因焊接位置的改變而改變。焊接位置對(duì)中間區(qū)域的熔滴過渡影響比對(duì)側(cè)壁附近的熔滴過渡影響更為顯著。

5、　　為了深入理解空間位置擺動(dòng)電弧窄間隙MAG焊的熔池傳熱、傳質(zhì)過程，結(jié)合擺動(dòng)電弧窄間隙MAG焊工藝特點(diǎn)，建立了三維、動(dòng)態(tài)的空間多位置擺動(dòng)電弧窄間隙MAG焊熔池?zé)崃黢詈蠑?shù)值計(jì)算模型，所建模型考慮電弧壓力、電磁力和表面張力等因素的影響，也考慮了熔滴、擺動(dòng)路徑、窄間隙坡口及焊接位置等因素對(duì)熔池的作用。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)得到的焊縫橫截面的對(duì)比驗(yàn)證了模型的可靠性與合適性。
　　在所建熔池?cái)?shù)值模型的基礎(chǔ)上，揭示了擺動(dòng)電弧窄間隙焊的溫度場特征，著重

6、闡述了平焊、立向下焊、仰焊及立向上焊的熔池行為特征與熔池形成過程。結(jié)果表明，熔池在形成初期，均為中間下凹的形狀，但是不同位置下熔池的最終形態(tài)呈現(xiàn)中間凸起或者中間下凹的特征，其中平焊和立向下焊熔池中間下凹，而仰焊和立向上焊熔池則為中間凸起。熔池金屬沿著側(cè)壁熔化區(qū)域向上鋪展一定高度，該側(cè)壁鋪展高度決定了熔池在側(cè)壁處的最終高度，若熔池尾部補(bǔ)充金屬量較少，導(dǎo)致熔池中間高度小于側(cè)壁鋪展高度，熔池最終形態(tài)為中間下凹，反之為中間凸起。熔池的最終形態(tài)受

7、到熔池金屬流動(dòng)方向、補(bǔ)充金屬量、高溫保留時(shí)間及側(cè)壁鋪展高度等因素的影響。
　　在上述理論研究的基礎(chǔ)上，對(duì)擺動(dòng)電弧窄間隙全位置焊縫成形進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)全位置焊接的焊縫成形特征，將全位置焊接分為0-180°和180-360°兩個(gè)焊接位置區(qū)間，焊接位置在0-180°區(qū)間的焊縫成形特征為橫截面中間下凹，熔深較淺；焊接位置在180-360°區(qū)間的焊縫成形特征為橫截面中間凸起，熔深較大。采用基于中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的響應(yīng)曲面法建立了送絲速度、焊接速