船舶小组立结构机器人旁路分流电弧焊接工艺研究

摘要

焊接变形毫无疑问是船舶建造过程中最关键也是最难解决的问题之一，其直接影响组件的精度。特别是在小组立焊接中，较大的焊接变形会对后续加工组装产生重大不利影响，进而增加船舶建造周期以及给船厂带来额外的成本。针对船舶小组立结构的焊接特点，本文提出一种基于机器人控制的旁路分流电弧焊接工艺，其精确可控的热输入可以减小焊接变形，提高船舶建造过程中的精度，并结合机器人技术可以大大提高焊接质量及生产效率。
　　本文对比研究了小组立结构传统MIG焊接与旁路分流电弧焊接的工艺特点。在此基础上，进一步探讨了旁路分流电弧焊接工艺参数对焊缝成形的影响规律并建立了焊缝几何尺寸数学预测模型以及各焊接工艺参数的灵敏度，编写了焊缝成形预测的人机交互界面。最后通过ANSYS对传统MIG焊接与旁路分流电弧焊接的应力场与应变场进行了分析。
　　研究结果表明，旁路分流电弧焊接工艺在船舶小组立结构焊接中相对于传统MIG焊接优势明显。在焊接过程中，旁路分流电弧焊接耦合电弧的电流和电压虽然有波动，但波动幅度明显要比传统MIG焊接小得多，且耦合电弧形态稳定性更好。旁路分流电弧焊接工艺由于大大减小了母材热输入，使得焊缝接头残余应力大大减少，立板角变形要比传统MIG焊小很多。焊缝组织为具有很高强度、硬度以及优秀塑韧性致密的下贝氏体，热影响区组织为片状马氏体，旁路分流电弧焊接工艺热影响区单位面积的片状马氏体数量明显多于传统MIG焊接工艺的数量。
　　对焊缝计算宽度和立板焊脚长度，主路电压U和主路电流I的敏感度系数为正，旁路电流Ip和焊接速度V的敏感度系数为负；对平板焊脚长度，主路电压U、主路电流I和旁路电流Ip的敏感度为正，焊接速度V的敏感度系数为负。
　　通过焊接模拟表明，热源移动过程中，旁路分流焊接工艺的热应力峰值约1200MPa的压应力，焊件在与底板垂直的方向上产生的位移为1mm左右，且立板的角变形非常小；传统MIG焊接工艺热应力峰值约1500MPa的压应力，焊件在与底板垂直方向上的位移为2.5mm左右，且立板的角变形较大。因此可以证明旁路分流电弧焊接工艺在进行大型结构焊接时对焊接变形有更加良好的控制作用。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 船用焊接机器人国内外研究现状

1.3 船舶建造主要焊接工艺

1.4 课题研究内容及意义

第2章 试验材料与试验方法

2.1 试验材料

2.2 试验系统

2.3 本章小结

第3章 试验结果分析

3.1 焊接工艺参数的确定

3.2 旁路分流电弧焊接与传统MIG焊接对比

3.3 不同工艺参数对焊缝成型的影响

3.4 本章小结

第4章 焊缝成形的数学预测模型

4.1 多元线性回归分析模型

4.2 试验结果数学模型建立

4.3 误差分析

4.4 焊接参数的灵敏性分析

4.5 人机交互界面

4.6 本章小结

第5章 焊接应力场应变场分析

5.1 有限元模型的建立

5.2 确定热源模型

5.3 应力场的分布

5.4 位移场的模拟结果

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