一种高效冷丝填充埋弧焊工艺研究

摘要

在埋弧焊大线能量焊接时,焊接接头热影响区组织会出现晶粒粗大及出现魏氏体马氏体粗大组织,导致脆化失效危害,尤其是中厚板焊接时,由于后焊道对前焊道有热处理作用,使得热影响区一直处于过热状态。中厚板焊接时，通过多层多道焊填充坡口，焊接过程中对中、清渣等工序耗用大量时间，降低了焊接生产效率。
　　针对以上问题，本文提出通过增加热输入，控制冷丝填充量以实现熔池热重新再分配的冷丝填充埋弧焊，旨在解决由于埋弧焊大线能量导致的热影响区脆化问题及焊接生产过程效率低下问题。为此开展了冷丝填充埋弧焊工艺研究，研究内容如下：
　　(1)搭建了冷丝填充埋弧焊的成套装置及控制系统。通过冷丝送丝调节机构，实现了满足工艺要求的冷丝填充位置设定。采用80C196KB单片机为核心的双机数字控制系统，分别通过子系统(Ⅰ)和子系统(Ⅱ)两个子程序控制整个高效冷丝填充埋弧焊焊接过程,子系统(Ⅰ)可以完成焊接过程初始化、引弧控制、焊接过程控制、收弧控制，子系统(Ⅱ)通过 PI算法实现冷丝填充速度、送丝速度及焊接速度的控制，可以保证在电源陡降特性下稳定焊接。实现了冷丝填充埋弧焊过程的参数调节及控制。
　　(2)研究了冷丝填充位置、焊接速度、冷丝填充量等参数对冷丝填充过程及接头组织和性能的影响规律。在电功热恒定时,分别进行了冷丝填充位置、焊接速度、冷丝直径及冷丝填充速度4个工艺参数下的对比实验，并且对获得的接头进行了微观组织观察和力学性能评定。实验结果表明，冷丝填充埋弧焊时，通过冷丝填充位置、填充量、以及焊接速度等工艺参数的合理匹配，可以保证冷丝填充埋弧焊接过程的顺利进行，减少大线能量埋弧焊接时的过热损害，保证接头热影响区的组织及性能。
　　(3)探究了高效冷丝填充埋弧焊工艺参数的匹配原则及确定方法。通过冷丝填充位置与电弧功率、焊接速度增加量与电弧功率增加量的相关性实验，得到了冷丝填充位置和焊接速度的确定公式。由熔池热平衡方程得知冷丝填充速度受热效率、材料密度等多变量因素制约，因此利用支持向量机方法，以焊接速度、焊接电压及焊接电流为输入变量，冷丝填充速度为输出变量，建立了冷丝填充速度的预测模型，通过预测样本对模型验证，表明该模型可以实现冷丝填充速度的预测。
　　(4)计算了冷丝填充埋弧焊的生产效率及其熔敷率。通过冷丝填充埋弧焊与单丝埋弧焊的多层多道焊接对比实验,可知冷丝填充埋弧焊节约一半焊接过程所耗用时间，其焊接生产效率提高了一倍。对比了不同功率下的冷丝填充埋弧焊的熔敷率，结果表明，随电弧热功率增加，填充金属熔敷率不断提高，冷丝填充埋弧焊的熔敷率是单丝埋弧焊的1.5倍。冷丝填充埋弧焊的生产效率及熔敷率都大幅度提高，实现了高效化焊接。
　　(5)开展了高效冷丝填充埋弧焊的温度场测定及有限元动态模拟。采用双椭球体移动热源模式，建立了冷丝填充埋弧焊熔池热场的三维动态有限元计算模型，搭建了以热电偶、XMC5000数据采集器、计算机为核心的温度采集系统。有限元模型仿真输出与实际测定结果对比显示，热循环曲线、以及验证区域点的温度值基本吻合。通过有限元模型熔池热场的动态模拟分析表明，与单丝埋弧焊相比，高效冷丝填充埋弧焊熔池峰值温度降低，相变点以上的高温停留时间缩短，焊缝余高增大，是其热影响区晶粒细化及提高熔敷率的主要原因。冷丝插入位置与冷丝填充位置公式所得的位置一致，推导的冷丝填充位置公式是能够准确预测冷丝填入到熔池位置。冷丝插入到熔池的位置所处温度在1800℃以上，与冷丝熔化所需温度相符。通过焊接工艺性试验及有限元模拟表明高效冷丝填充埋弧焊工艺是可行的。

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第1章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2 埋弧焊发展

1.3 热影响区脆化问题研究现状

1.4 高效焊接方法研究现状

1.5 课题来源

1.6 研究目标及内容

第2章 冷丝填充埋弧焊装置及控制

2.1冷丝填充埋弧焊成套装置的组成

2.2 冷丝填充埋弧焊工作原理

2.3 冷丝填充埋弧焊控制系统及其工作原理

2.4 本章小结

第3章 工艺参数对高效冷丝填充埋弧焊过程的影响

3.1 高效化策略的提出

3.2 焊接实验

3.3 试验方法

3.4 实验结果分析

3.5 本章小结

第4章 多层多道埋弧焊接高效化

4.1 工艺参数的确定过程

4.2 基于SVM的冷丝填充速度预测研究

4.3 验证试验

4.4本章小结

第5章 温度场分析

5.1 影响熔池温度场分布的主要因素

5.2 熔池温度场数学模型的建立

5.3熔池温度场有限元模型的建立

5.4 温度场模型的仿真与验证

5.5 温度场的动态变化模拟

5.6本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A（攻读硕士学位期间所发表的论文及成果）