船用铝合金等离子分流熔化极电弧焊接工艺特性研究

摘要

随着造船业的快速发展，人们对船舶的环保、节能、耐腐蚀性能、使用寿命等提出了越来越高的要求。但传统的造船材料由于自身的材料特性，很难满足这些要求。铝合金由于密度小、抗腐蚀能力强、比强度和比模量较高，能够大幅减轻船体重量，减少燃油消耗和提高船舶使用寿命，在船舶领域得到了越来越广泛的应用。但铝合金存在焊接难的问题，目前广泛使用的MIG/TIG焊接方法焊接质量差、效率低，严重制约着铝合金在船舶领域更广泛的应用。因此，研究新的焊接工艺进行铝合金焊接对促进我国船舶行业的发展具有重大意义。 针对铝合金焊接特点，本文提出了一种等离子分流熔化极弧焊接新工艺。该新工艺是在进行熔化极等离子弧焊时，利用等离子焊枪喷嘴与焊丝之间产生的电弧作为旁路来分流一部分通过母材的焊接电流，该工艺既能发挥熔化极等离子弧焊接的优点，又能实现对焊接热输入良好的控制。本文针对该新工艺，设计并制造了新型焊枪，搭建了焊接试验平台，并应用该新工艺对6mm和2mm厚5083铝合金进行焊接试验。试验研究了不同工艺参数对焊缝成形的影响，检测焊接过程的电信号和熔滴过渡，建立他们与焊接稳定性、焊缝成形的内在联系，研究旁路电流对减小焊接热输入的作用机理，对得到的对接接头进行组织分析和力学性能测试。 研究结果表明，在合适的焊接参数下，该新工艺能实现中厚(6mm)铝合金板的单面焊双面成形和薄(2mm)铝合金板的高速焊接。获得的对接接头具有较高的强度，其拉伸强度的平均值为283MPa，达到或接近母材的强度，断裂形式为韧性断裂。在焊接过程中，观察到的熔滴过渡主要有短路过渡和射滴过渡，短路过渡时，旁路电流不稳定，存在较大的焊接飞溅，焊缝成形较差，射滴过渡时，电流波动较小，熔滴过渡稳定，能获得良好的焊缝成形。旁路电流对稳定电弧，减小焊接热输入具有重大作用，在主路电流不变时，增大旁路电流，通过母材的电流减小，此时电弧对母材的阴极产热减少，焊接热输入降低，焊缝熔深，熔宽明显减小。 等离子分流熔化极弧焊接工艺在铝合金焊接时不仅能提高焊接效率，还能保证接头质量，为铝合金的焊接提供了一种新的思路，具有较大的研究及实用价值，对促进铝合金在船舶领域的应用具有重大意义。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景

1．2船用铝合金在船舶领域的应用现状

1．2．1船用铝合金的分类

1．2．2船用铝合金国内外应用现状

1．3船用铝合金焊接方法研究现状

1．3．1铝合金焊接特性

1．3．2铝合金常用焊接方法研究现状

1．3．3铝合金复合热源焊接方法研究现状

1．4本文主要研究内容

第2章试验材料、设备及方法

2．1试验材料

2．2试验设备

2．3试验方法

2．3．1焊前试件处理

2．3．2焊接原理和过程

2．3．3焊接工艺参数设计

2．4接头试件制备及组织观察

2．4．1金相试件制备

2．4．2组织观察

2．5接头力学性能测试

2．5．1拉伸强度试验

2．5．2接头硬度试验

2．6本章小结

第3章船用铝合金焊接成形工艺研究

3．1 最优焊接工艺参数的确定

3．1．1 6mm厚铝合金板单面焊双面成形最佳工艺参数

3．1．2 2mm厚铝合金板高速焊接最佳工艺参数

3．2焊接工艺参数对焊缝成形的影响

3．2．1 主路MIG焊接电流对焊缝成形的影响

3．2．2主路MIG焊接电压对焊缝成形的影响

3．2．3旁路焊接电流对焊缝成形的影响

3．2．4焊接速度对焊缝成形的影响

3．3本章小结

第4章焊接熔滴过渡及热输入研究

4．1试验系统

4．1．1视觉信号采集系统

4．1．2电信号采集系统

4．2电弧形态

4．2．1等离子分流熔化极弧焊接起弧方式

4．2．2耦合电弧形态特征

4．2．3耦合电弧电信号

4．3熔滴过渡形式

4．3．1短路过渡形式

4．3．2射滴过渡形式

4．3．3旁路电流对熔滴过渡形式的影响

4．4旁路电流对焊接热输入调节机理

4．5本章小结

第5章焊缝接头组织形貌与力学性能分析

5．1 接头宏观形貌分析

5．1．1 主路MIG电流对焊缝宏观形貌的影响

5．1．2主路MIG电压对焊缝宏观形貌的影响

5．1．3旁路电流对焊缝宏观形貌的影响

5．1．4焊接速度对焊缝宏观形貌的影响

5．2焊缝微观组织特征

5．3焊缝拉伸性能分析

5．3．1拉伸强度

5．3．2断口分析

5．4焊缝硬度分析

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢