厚板窄间隙激光-MIG复合焊接头的研制

摘要

随着压力容器、造船和机械制造等领域中，所用钢板厚度的不断增加，对厚板焊接工艺提出了越来越高的要求。目前在厚板焊接领域广泛采用的是窄间隙电弧焊方法。相比于电弧焊，激光-MIG复合焊接方法在力学性能，焊缝质量以及焊接效率上都表现出了明显的优势。但现有的激光-MIG复合焊接方法，受制于其焊接头尺寸，喷嘴最窄也超过了20mm，只能适应较宽的坡口，焊接效率降低。为此，本课题的主要目的就是研制适用于大厚板焊接的的窄间隙激光-MIG复合焊接头。
　　本文根据不同的应用需求，设计了一体式和分体式两种复合焊接头，根据窄间隙焊的设计原则，从水冷管路，保护气通路，送丝线路和送电线路等多个方面完成了复合焊接头的设计与制作。一体式复合焊接头可以适应最窄17mm，最深45mm的窄坡口，分体式复合焊接头可以适应最窄11mm，最深80mm的窄坡口。并在低合金高强钢板上对其进行了焊接性能的测试。研究发现，由于对保护气流动行为的影响，喷嘴结构是影响焊接头综合性能的主要因素。
　　基于Fluent软件和标准k-湍流方程，建立了针对喷嘴结构对保护气流动特性影响的数值计算模型。设计并制作了三种典型的分体式复合焊接头喷嘴，包括梯形直通喷嘴，方口凸台喷嘴和圆口凸台喷嘴。通过纹影法对数值模型的准确性进行了验证。并将其应用于三种喷嘴在无拘束条件、平板拘束条件和深坡口拘束条件下的保护气流动特性模拟计算中。
　　系统地研究了喷嘴结构对保护气有效保护范围，电弧中心线上流速以及方向的影响。并通过对喷嘴内部保护气流动特性的分析，阐明了喷嘴凸台结构对保护气流动特性的优化作用及形成机理。
　　最后通过不同喷嘴在平板和深坡口焊接过程中的工艺特性对比，从表面成形，熔滴过渡和电流稳定性等方面，验证了喷嘴凸台结构对焊缝质量和焊接过程的影响，与凸台结构对保护气流动特性的数值模拟分析结果相一致。结果表明，凸台结构喷嘴的保护气有效保护范围更大，保证了焊缝表面成形的质量；同时凸台结构喷嘴电弧中心线上的保护气流速与中心线夹角较小，保证了焊接过程熔滴过渡和电弧的稳定性。由此可见，凸台结构在窄间隙喷嘴的设计制造中是非常必要的。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 厚板焊接国内外研究现状

1.3 激光-电弧复合焊接头研究现状

1.4 保护气流场模拟研究现状

1.5 国内外研究现状小结

1.6 本文的主要研究内容

第2章 试验条件及方法

2.1 试验材料

2.2 焊接设备

2.3 监测设备

2.4 窄间隙复合焊接头设计要求

第3章 一体式复合焊接头的研制

3.1 引言

3.2 焊接头基本结构

3.3 气路与水路设计

3.4 复合焊接头焊接性能测试

3.5 保护气流动特性检测

3.6 本章小结

第4章 分体式复合焊接头的研制

4.1 引言

4.2 焊接头基本结构

4.3 水路气路和送丝送电线路设计

4.4 复合焊接头焊接性能测试

4.5 保护气流动特性检测

4.6 本章小结

第5章 喷嘴结构对保护气流动特性的影响

5.1 引言

5.2 三种典型喷嘴设计

5.3 保护气流场有限元模型建立

5.4 保护气流动特性对激光-MIG复合焊接的影响分析

5.5 无拘束条件下不同喷嘴保护气流动特性

5.6 平板拘束条件下不同喷嘴保护气流动特性

5.7 深坡口拘束条件下不同喷嘴保护气流动特性

5.8 嘴结构对保护气流动特性的影响原因

5.9 本章小结

第6章 不同喷嘴的复合焊接工艺特性对比

6.1 引言

6.2 工艺参数

6.3 喷嘴对表面成形的影响

6.4 喷嘴对熔滴过渡行为的影响

6.5 喷嘴对电流稳定性的影响

6.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢