發(fā)布時間：2020-10-31 04:38

　　 隨著船舶制造、海洋工程、重型機械等行業(yè)產(chǎn)品大型化及重型化,中厚板對接焊的應(yīng)用越來越普遍,其打底焊接效率對整個生產(chǎn)制造周期起著至關(guān)重要作用。對于中厚板打底焊接,單面焊雙面成形是一種高效焊接工藝,該工藝可省去中厚板傳統(tǒng)焊接時翻轉(zhuǎn)、清根或施加背面強制成形等輔助工序,具有改善焊工勞動條件,提高制造效率等優(yōu)點。當(dāng)前實際應(yīng)用的單面焊雙面成形工藝多是通過單電弧擺動焊接實現(xiàn),其焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定,焊縫成形可靠性差,焊接速度較慢,制造效率受到很大限制。本研究將脈沖MAG電弧與直流TIG電弧并列,利用兩電弧間電磁場耦合效應(yīng)形成MAG-TIG雙電弧熱源,顯著提高了中厚板打底焊接背面熔透及其成形控制能力。本文主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)MAG-TIG雙電弧熱源可在焊接線能量較低的(為單MAG電弧焊接的89%)條件下實現(xiàn)根部熔合良好,背面熔透均勻、連續(xù)、穩(wěn)定,余高尺寸適中的單面焊背面自由成形打底焊縫。中厚板打底焊接接頭的各項力學(xué)性能良好,其拉伸試樣的斷裂發(fā)生在遠離焊接接頭及其熱影響區(qū)的母材(Q235-B)上,試樣斷后伸長率為21.8%,抗拉強度為463 MPa。焊接接頭硬度分布呈平緩過渡狀態(tài),未出現(xiàn)硬度過高區(qū)域。同時打底焊接接頭具有良好的抗彎曲性能和沖擊韌性。在本試驗條件下,對于厚度為24 mm的鋼板,焊接熱輸入為798 J/mm時,其單道熔敷填充金屬高度達7.0 mm。因此,MAG-TIG雙電弧熱源中厚板打底單面焊雙面成形工藝省去了傳統(tǒng)制造中的翻轉(zhuǎn)、清根或背面施加強制成形措施等輔助工序,可顯著提高中厚板打底焊接接頭質(zhì)量穩(wěn)定性及生產(chǎn)制造效率。(2)MAG-TIG雙電弧焊接時,由于后端TIG電弧的并列加入,合理利用兩電弧間電磁場耦合效應(yīng),形成了前端MAG電弧偏移振動及后端TIG電弧目前后振動的雙電弧振動形態(tài),提高了 MAG電弧等離子體放電穩(wěn)定性。同時通過分析MAG電弧與TIG電弧間電磁場耦合效應(yīng),即計算不同MAG焊接電流、TIG焊接電流、MAG電弧電壓及電弧間距條件下雙電弧焊接時前端MAG電弧的偏移振動幅度。結(jié)合對應(yīng)參數(shù)條件下MAG-TIG雙電弧等離子體放電形態(tài)及其穩(wěn)定性,確定在本試驗條件下MAG-TIG雙電弧熱源穩(wěn)定參數(shù)范圍為MAG焊接電流270-330 A,TIG焊接電流50-150 A,電弧間距20-25 mm,MAG 電弧電壓 30.0-31.6 V。(3)MAG-TIG雙電弧打底焊接時通過調(diào)節(jié)熔池前端偏移程度來實現(xiàn)中厚板打底單面焊雙面成形焊縫背面成形尺寸的精確控制。由于TIG電弧對前端MAG電弧的電磁排斥效應(yīng),使得前端MAG電弧在焊接熔池前端產(chǎn)生偏移振動,由此使得熔池前沿距焊絲軸線距離(等效為熔池前端偏移)增加。當(dāng)使得雙電弧焊接熔池前端偏移區(qū)域面積S1與前端MAG電弧加熱圓形面積S的比例k值為24.2%-33.4%時,打底焊縫背面成形的余高尺寸在2.0±0.5 m范圍內(nèi)。在熱源能量密度狀態(tài)不變條件下,打底焊接單面焊雙面成形焊縫背面余高尺寸與熔池前端偏移程度呈正比關(guān)系。即當(dāng)熔池前端偏移比率k值較小(k24.2%)時,打底焊縫成形背面余高偏小(1.5 mm);當(dāng)熔池前端偏移比率k值較大(k36.9%)時,打底焊縫成形背面余高偏大(3.0 mm)。由此實現(xiàn)中厚板打底焊接單面焊雙面成形焊縫背面尺寸調(diào)節(jié)。(4)MAG-TIG雙電弧熱源中厚板打底單面焊雙面成形較單電弧焊接時液態(tài)熔池與背面成形更加穩(wěn)定。其機制為:首先,由于兩電弧間電磁場相互耦合效應(yīng),前端MAG電弧偏移振動,使得其部分電弧等離子熱量直接加熱熔池前方母材鈍邊處,熔池前端液態(tài)金屬溫度降低,表面張力升高,有利于熔池穩(wěn)定。第二,后端TIG電弧再加熱,改變了熔池溫度分布狀態(tài),在電弧等離子體對液態(tài)金屬剪切力和Marangoni對流效應(yīng)共同作用下,使得前端液態(tài)金屬向熔池后端流動,減少熔池前端液態(tài)金屬重力作用。第三,前端MAG電弧偏移振動促進液態(tài)金屬對流傳熱,使得熔池液態(tài)金屬溫度梯度減小,同時液態(tài)金屬溫度較低,其表面張力較大,有利于打底焊接單面焊雙面成形熔池穩(wěn)定與控制。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG44
【部分圖文】：

焊縫熔寬可達１７?ｍｍ。這種工藝方法的焊接規(guī)范區(qū)間較窄，對保護氣的成分和??比例要求嚴(yán)格，熱輸入較大。哈爾濱工業(yè)大學(xué)徐望輝［２Ｑ］在旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙ＧＭＡＷ基礎(chǔ)??上，開發(fā)了雙絲窄間隙ＧＭＡＷ焊接技術(shù)，如圖１．１所示。其兩根焊絲通過彎曲或斜孔??導(dǎo)電嘴伸出，兩根焊絲分別由獨立的焊接電源供電，除焊接速度外，其他工藝參數(shù)均可??獨立調(diào)節(jié)。兩根焊絲各指向兩側(cè)側(cè)壁，為避免焊接電弧的相互干擾，兩根焊絲的間距為??５０－１００?＿，焊接時形成兩個熔池，相當(dāng)于一次行程熔敷兩道相互搭接的焊縫。由于其??熱輸入較小，主要用于焊接高強鋼和熱敏感性較高的材料。??＿??圖１．１雙絲窄間隙ＧＭＡＷ焊接［２Ｇ］??Ｆｉｇ．?１．１?Ｎａｒｒｏｗ－ｇａｐ?ｄｏｕｂｌｅ－ｗｉｒｅ?ＧＭＡＷ［２０］??（３）窄間隙埋弧焊（ＮＧ－ＳＡＷ）??窄間隙埋弧焊出現(xiàn)于２０世紀(jì)８０年代，很快被應(yīng)用于工程生產(chǎn)中，其主要應(yīng)用領(lǐng)域??是低合金鋼厚壁及其他重型機械結(jié)構(gòu)。窄間隙埋弧焊接接頭具有較高的抗延遲冷裂能力，??其抗拉強度和沖擊韌性均優(yōu)于傳統(tǒng)坡口埋弧焊接頭。與傳統(tǒng)埋弧焊相比，窄間隙埋弧焊??總的制造效率可以提高５０％－８０％

脈沖自動焊［４４］，使其生產(chǎn)效率大幅提高，其工藝特點是采用了雙電源型雙面雙弧焊接，??雙面焊槍保持錯開一定的距離。上海交通大學(xué)陳善本等人［４５］采用雙面雙�。牵停粒准半p??焊接機器人實現(xiàn)厚板立焊位置不需清根的焊接工藝，其工藝裝備示意圖如圖１．５所示，??并對焊接接頭的抗拉強度、抗彎性能、沖擊韌性以及硬度分布等力學(xué)性能進行了分析。??哈爾濱工業(yè)大學(xué)張華軍［４６］研究了大厚度高強鋼雙面雙弧焊工藝及其機器人自動化焊接??技術(shù)，此工藝采用異步雙面雙脈沖ＴＩＧ電弧進行打底焊接，然后采用同步雙面雙ＭＡＧ??焊接進行填充及蓋面焊接，實現(xiàn)了大厚板對接不需翻轉(zhuǎn)及清根的高效化焊接。??Ｐ．勸??圖１．５雙面雙電弧立向焊接［４５］??Ｆｉｇ．?１．５?Ｖｅｒｔｉｃａｌ?ｗｅｌｄｉｎｇ?ｂｙ?ｄｏｕｂｌｅ－ｓｉｄｅ?ａｒｃ?ｗｅｌｄｉｎｇ＾４５＾??雙電源型雙面雙弧焊工藝的優(yōu)勢是設(shè)備要求簡單，操作靈活，實用性強，焊接效率??大幅提高，正反面熔池均處于保護氣體的保護下，減少了氣孔傾向，省去翻轉(zhuǎn)及清根工??序，焊接變形小，節(jié)省能源消耗等特點。其唯一不足在于焊接接頭雙面同時可達性，即??限于能滿足兩側(cè)同時施焊的焊縫位置。??綜上所述，中厚板材的高效焊接方法都各有其適合的應(yīng)用場合，以及優(yōu)點所在，但??是也有其受限制的特點�，F(xiàn)將中厚板材的高效焊接方法對比總結(jié)于表１．１中。??７??

且力學(xué)性能滿足要求的焊縫。田中和雄［５１］研究了銅襯墊單面埋弧自動焊（Ｆｌｕｘ?ｃｏｐｐｅｒ??ｂａｃｋｉｎｇ?－?ＦＣＢ）和熱固型焊劑襯墊單面埋弧焊的原理和特點，并對兩種方法進行比較，??得出各自優(yōu)點和缺點，ＦＣＢ法埋弧焊單面焊接示意圖如圖１．６所示。Ａｎｏｎ［５２］介紹埋弧焊??單面焊接可以應(yīng)用在造船業(yè)、重型機械制造以及其他制造行業(yè)，并且這種焊接方法能夠??大大提高生產(chǎn)效率。??ｆ—■?Ｍｕｌｔｉ－ｗｉｒｅｓ??Ｂａｃｋｉｎｇ?Ｆｌｕｘ??＂＂＂＂ｃ?ｏｐｐｅｒ??＾?ｔ?ｔ?ｊ）＾￣Ｇａｓｂａｇ??圖１．６?ＦＣＢ法埋弧焊接示意圖［５１］??Ｆｉｇ．?１．６?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＦＣＢ?ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ?ａｒｃ?ｗｅｌｄｉｎｇ［Ｍ］??２０世紀(jì)８０年代，我國的單面焊雙面成形技術(shù)最早應(yīng)用于造船工業(yè)。早在１９８３年，??天津大學(xué)羅津如等人［５３］就成功研制了手工電弧焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊（ＴＩＧ）及Ｃ０２氣??體保護焊單面焊接時使用的粘結(jié)陶瓷襯墊，其示意圖如圖１．７所示。經(jīng)船舶制造企業(yè)試??用，焊縫背面成形效果良好，節(jié)省工時２０％－４０％，節(jié)省焊接材料１０％－２０％，保證焊縫??背面成形質(zhì)量，改善焊工勞動條件。牛吉梅等人［５４］研究了不等厚度板材的ＭＡＧ焊接結(jié)??合陶瓷襯墊的單面焊雙面成形工藝。采用自動焊接系統(tǒng)進行工藝試驗，分析了不同襯墊??槽型尺寸、保護氣體混合比例和焊接層數(shù)對焊接接頭質(zhì)量影響，結(jié)果表明采用５０％?Ａｒ＋５０％??Ｃ０２保護氣體、對稱槽型襯墊、２層３道焊得到焊縫質(zhì)量和外觀形貌均良好
【參考文獻】

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本文編號：2863456