碱性自保护药芯焊丝弧焊工艺特征研究

摘要

自保护药芯焊丝是一种适合于野外作业的焊接材料，广泛应用于船舶、钻井平台、石油管道、矿山机械等结构件的焊接与修复。碱性自保护药芯焊丝作为最常见的一类药芯焊丝，在对冷裂敏感性、高抗裂、高低温冲击韧性等接头性能具有特殊要求的工程中具有广阔的应用前景。然而在碱性自保护药芯焊丝焊接过程中存在飞溅大、焊接工艺性能以及焊缝成型较差等不足，在一定程度上制约了其在实际工程中的应用。为了提高碱性自保护药芯焊丝焊接过程稳定性与成型精度，本课题主要研究了影响焊接过程稳定性及成型精度的因素以及如何控制、优化焊接工艺，使碱性自保护药芯焊丝逐步代替焊条，实现野外焊接与修复自动化，主要开展了以下两方面的研究： 一、碱性自保护药芯焊丝焊接过程稳定性研究。基于高速摄像与电信号同步采集系统，研究了极性对熔滴过渡、电弧稳定性的影响，分析了极性对熔滴过渡的影响机理。研究表明，直流正接时熔滴过渡的基本形式表现为细颗粒过渡，而反接时熔滴过渡的基本形式表现为排斥过渡，在直流正接或者反接时，随着电流、电压在较大的范围内变化，熔滴过渡的基本形式没有发生根本的改变，但熔滴过渡的颗粒大小、过渡频率、电弧稳定性以及飞溅率等均发生较大的变化；在较大的工艺参数区间内直流反接时均存在较大飞溅，直流正接的工艺性能优于直流反接，因此采用碱性自保护药芯焊丝(牌号为JD-YGD3(Z))焊接时宜采用直流正接。极性对熔滴过渡影响的机理是：直流正接时熔滴过渡的基本形式表现为细颗粒过渡，基本现象是电弧在钢皮和渣柱之间交替燃烧，电弧在渣柱未形成时，阴极斑点在钢皮处，钢皮熔化速度快于渣柱，当渣柱外漏时，由于渣柱中含有逸出功较低的物质，致使阴极斑点从钢皮跳转至渣柱，此时渣柱的熔化速度高于钢皮的熔化速度，当渣柱缩至钢皮内部时，电弧又跳至钢皮燃烧，电弧不断地在钢皮和渣柱之间跳转，实现焊丝的熔化及过渡。阴极斑点在钢皮处时，由于钢皮较薄熔化速度快，同时表面张力小，形成许多细小颗粒，在没有汇合成大滴之前，电弧将熔滴包裹，在电磁力作用力下脱离焊丝端部。直流反接时阳极斑点始终约束于熔滴底部并在熔滴底部区域不断转移，因此阳极斑点面积只占据熔滴底部局部面积并且斑点压力偏离焊丝轴线使熔滴偏离轴线并上翘，同时氟化物使熔滴表面张力减小，熔滴的流动性增加，在斑点压力的作用下熔滴发生剧烈变形，这时熔滴在斑点压力和重力的作用下形成力偶，当力偶克服熔滴和焊丝之间的表面张力时，使熔滴旋转着脱离焊丝端部，表现出的熔滴过渡形式为大滴排斥过渡。 二、碱性自保护药芯焊丝焊缝成型特征研究。在获得稳定碱性自保护药芯焊丝焊接工艺区间的基础上，通过二次回归通用旋转组合设计与BP神经网络建立了输入变量(电弧电压、送丝速度、焊接速度)与输出变量(熔宽、余高、熔高)间的线性与非线性模型，并对模型进行了仿真研究与敏感性分析。研究结果表明，熔宽随着电压的增加而增加，余高和熔高随着电弧电压的增加先增加后减小，熔宽、余高及熔高随着送丝速度的增加先增加后减小，随着焊接速度的增加而逐渐减小；送丝速度是影响熔高的主要原因，低电压时送丝速度是影响熔宽与余高的主要因素，高电压时焊接速度是影响熔宽与余高的主要因素。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 药芯焊丝分类

1.3 自保护药芯焊丝的国内外研究现状

1.3.1 自保护药芯焊丝的发展历程

1.3.2 自保护药芯焊丝的保护机理

1.3.3 自保护药芯焊丝焊接过程稳定性

1.3.4 焊缝成型特征分析

1.4 本文主要研究内容与创新性

1.4.1 本文主要研究内容

1.4.2 本文主要创新性

第2章 试验方案及试验系统

2.1 试验材料

2.2 试验方案

2.3 试验系统

2.3.1 焊接硬件系统

2.3.2 Labview软件系统

2.4 其他试验仪器

2.5 本章小结

第3章 碱性自保护药芯焊丝焊接过程稳定性分析

3.1 极性对熔滴过渡的影响

3.1.1 直流正接时熔滴过渡特征

3.1.2 直流反接时熔滴过渡特征

3.2 极性对焊接过程稳定性的影响

3.2.1 电弧电压-焊接电流图(U-I图)

3.2.2 基于电弧电压变异系数表征电弧稳定性

3.2.3 焊接过程稳定性分析

3.3 熔滴过渡机理分析

3.3.1 极性对熔滴过渡影响机理

3.3.2 熔滴过渡受力分析

3.4 本章小结

第4章 碱性自保护药芯焊丝焊缝成型特征分析

4.1 预测成型尺寸传统回归模型的建立

4.1.1 试验设计

4.1.2 回归模型的建立

4.1.3 回归方程方差分析与拟合度检验

4.2 预测成型尺寸 BP神经网络模型的建立

4.2.1 BP神经网络

4.2.2 BP神经网络算法

4.2.3 系统模型的建立

4.3 传统回归模型与神经网络模型性能对比

4.3.1 传统回归模型与神经网络模型训练精度检验

4.3.2 传统回归模型与神经网络模型泛化能力对比

4.4 神经网络模型与传统回归模型的应用

4.4.1 焊接过程行为仿真研究

4.4.2 自保护药芯焊丝工艺参数的敏感性分析

4.5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录