超窄间隙熔化极气体保护焊关键技术研究

摘要

为了适应现代工业对中、厚板焊接高焊接质量、低生产成本的要求，本文自主设计、研发并制造了超窄间隙熔化极气体保护焊焊接设备。本文围绕超窄间隙熔化极气体保护焊进行了深入研究，解决了包括侧壁熔合、高度跟踪、横向跟踪等多项关键技术，为该设备的工业化应用提供了技术保证。 为了解决超窄间隙GMAW的侧壁熔合问题，本文采用弯曲焊丝驱动电弧横向摆动的技术方案。利用有限元分析软件计算摆动电弧条件下的温度场。在温度场的计算中，根据实际焊接小车的运动规划了热源的轨迹，将一个周期的运动路径按照摆动位置划分为四段，应用坐标轴的旋转变换给出了一个运动周期内摆动热源的动态方程，给出了母材上五个测点的热循环曲线。利用K型热电偶做测温装置，记录了上述五点的温度变化曲线，实际证明了计算的正确性。计算结果表明:在摆动电弧条件下，测点的热循环曲线呈现双峰形态，相对于通常的GMAW焊，温度上升的速度更快。给出了满足厚板熔合条件的工艺参数。 利用有限元分析的结果设计了一套超窄间隙GMAW弯丝机构，弯丝机构由机器控制器、伺服电机、齿轮、齿条等装置构成。通过改变电机转速、极限位置停顿时间、弯曲行程等参数调节焊丝的弯曲幅度。对实验结果应用多元回归分析方法发现:弯丝行程是影响弯曲幅度最大的因素，给出了弯曲幅度和弯丝行程之间的单因素回归表达式W=-2.286+3.733S。设置满足熔合要求的典型弯丝幅度进行表面堆焊试验，实验结果表明:随着弯丝幅度的增大，焊缝的熔宽成增大趋势，焊缝的表面成型呈现中凹趋势。利用该设备对2.25Cr1Mo试件进行了实际的超窄间隙焊接，结果表明，弯丝工艺可以很好的解决的厚板试件的侧壁熔合问题。 研究了超窄间隙熔化极气体保护焊焊炬高度和焊接电流之间的关系，研究表明在电源固定条件下，在一定范围内焊接电流和焊炬高度为线性关系，通过安装在电源内部的霍尔传感器检测焊接电流和焊炬高度，给出了焊接电流和焊炬高度之间的拟合表达式H=78.8-0.26I。设计了焊炬高度自适应调节系统，通过一维激光传感器实时测量焊缝高度，采用高度数字信号滤波算法调整焊炬以保证对焊道表面距离的恒定，验证了算法的有效性和抗干扰性。设计的焊炬高度控制系统由控制柜、机器控制器、小车行走电机、高度提升电机、滚珠丝杆等组成。 为了保证弯丝时焊炬能够时刻保持在焊缝中心位置，设计了一套浮动弹力焊炬系统，在焊炬的前后位置布置相同的板簧、滚子，通过滚子和侧壁的弹力保持焊炬在焊缝中的浮动对中。在理论上通过对典型焊缝坡口形式下的偏差分析，证明了该方案的可行性。 采用设计的超窄间隙熔化极气体保护焊系统对三种低合金高强钢进行了焊接，在生产率和生产效率方面进行了对比，发现设计的工艺在诸多方面都有优势。同时对焊接接头进行了强度、塑性、韧性、硬度方面的工艺评定，结果表明接头各项参数都达到了前期的预期。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 窄间隙焊接的定义和特点

1．1．1窄间隙焊接的特征

1．1．2窄间隙焊接的优点

1．1．3 窄间隙焊接的分类

1．2 国内外窄间隙焊接的发展状况

1．3 超窄间隙熔化极气体保护焊主要面临的问题及新近研究进展

1．4 窄间隙焊接研究的意义与发展方向

1．4．1 大幅度提高焊接生产率

1．4．2有利于获得优良焊接接头

1．4．3大幅度降低焊接生产成本

1．4．4窄间隙焊接的主要研究方向

1．5本文的主要研究内容与创新点

2 超窄间隙GMAW两侧壁可靠熔合控制技术

2．1 两侧壁熔合控制技术问题与解决方案

2．1．1两侧壁熔合问题

2．1．2波浪焊丝送丝装置技术方案

2．2波浪焊丝电弧下的焊接温度场数字仿真

2．2．1 波浪式焊丝焊接模拟过程中的热源

2．2．2焊接温度场的有限元计算

2．2．3温度场有限元计算

2．2．4 三维摆动电弧焊接条件下的温度场数值模拟

2．2．5焊接温度测量系统

2．3 波浪式焊丝送丝装置的设计

2．3．1 波浪焊丝送丝装置设计

2．3．2波浪送丝弯丝参数的选择和优化

2．4波浪送丝弯丝装置工艺试验

2．4．1弯幅测试试验与分析

2．4．2弯丝参数多元回归分析

2．4．3波浪焊丝下的焊缝成形与侧壁熔合试验

2．5 小结

3超窄间隙GMAW焊缝轨迹跟踪技术

3．1超窄间隙GMAW下焊炬的高度跟踪

3．1．1焊炬高度同焊接电流的关系

3．1．2焊炬高度控制系统设计

3．2超窄间隙GMAW焊缝轨迹横向跟踪装置设计

3．2．1焊缝横向跟踪传感

3．2．2超窄间隙GMAW横向跟踪方案设计

3．2．3焊缝横向跟踪

3．3 小结

4波浪式焊丝超窄间隙GMAW技术特性

4．1 波浪焊丝超窄间隙GMAW焊经济特性

4．1．1焊接生产率

4．1．2焊接生产成本

4．2波浪式焊丝UNGW焊缝力学性能分析

4．2．1 强度分析

4．2．2塑性分析

4．2．3韧性分析

4．2．4硬度分析

4．3 小结

5结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

附录

致谢