MAG-TIG双电弧热源中厚板打底单面焊双面成形研究

发布时间：2020-10-31 04:38

　　 随着船舶制造、海洋工程、重型机械等行业产品大型化及重型化,中厚板对接焊的应用越来越普遍,其打底焊接效率对整个生产制造周期起着至关重要作用。对于中厚板打底焊接,单面焊双面成形是一种高效焊接工艺,该工艺可省去中厚板传统焊接时翻转、清根或施加背面强制成形等辅助工序,具有改善焊工劳动条件,提高制造效率等优点。当前实际应用的单面焊双面成形工艺多是通过单电弧摆动焊接实现,其焊缝质量不稳定,焊缝成形可靠性差,焊接速度较慢,制造效率受到很大限制。本研究将脉冲MAG电弧与直流TIG电弧并列,利用两电弧间电磁场耦合效应形成MAG-TIG双电弧热源,显著提高了中厚板打底焊接背面熔透及其成形控制能力。本文主要研究内容及结论如下:(1)MAG-TIG双电弧热源可在焊接线能量较低的(为单MAG电弧焊接的89%)条件下实现根部熔合良好,背面熔透均匀、连续、稳定,余高尺寸适中的单面焊背面自由成形打底焊缝。中厚板打底焊接接头的各项力学性能良好,其拉伸试样的断裂发生在远离焊接接头及其热影响区的母材(Q235-B)上,试样断后伸长率为21.8%,抗拉强度为463 MPa。焊接接头硬度分布呈平缓过渡状态,未出现硬度过高区域。同时打底焊接接头具有良好的抗弯曲性能和冲击韧性。在本试验条件下,对于厚度为24 mm的钢板,焊接热输入为798 J/mm时,其单道熔敷填充金属高度达7.0 mm。因此,MAG-TIG双电弧热源中厚板打底单面焊双面成形工艺省去了传统制造中的翻转、清根或背面施加强制成形措施等辅助工序,可显著提高中厚板打底焊接接头质量稳定性及生产制造效率。(2)MAG-TIG双电弧焊接时,由于后端TIG电弧的并列加入,合理利用两电弧间电磁场耦合效应,形成了前端MAG电弧偏移振动及后端TIG电弧目前后振动的双电弧振动形态,提高了 MAG电弧等离子体放电稳定性。同时通过分析MAG电弧与TIG电弧间电磁场耦合效应,即计算不同MAG焊接电流、TIG焊接电流、MAG电弧电压及电弧间距条件下双电弧焊接时前端MAG电弧的偏移振动幅度。结合对应参数条件下MAG-TIG双电弧等离子体放电形态及其稳定性,确定在本试验条件下MAG-TIG双电弧热源稳定参数范围为MAG焊接电流270-330 A,TIG焊接电流50-150 A,电弧间距20-25 mm,MAG 电弧电压 30.0-31.6 V。(3)MAG-TIG双电弧打底焊接时通过调节熔池前端偏移程度来实现中厚板打底单面焊双面成形焊缝背面成形尺寸的精确控制。由于TIG电弧对前端MAG电弧的电磁排斥效应,使得前端MAG电弧在焊接熔池前端产生偏移振动,由此使得熔池前沿距焊丝轴线距离(等效为熔池前端偏移)增加。当使得双电弧焊接熔池前端偏移区域面积S1与前端MAG电弧加热圆形面积S的比例k值为24.2%-33.4%时,打底焊缝背面成形的余高尺寸在2.0±0.5 m范围内。在热源能量密度状态不变条件下,打底焊接单面焊双面成形焊缝背面余高尺寸与熔池前端偏移程度呈正比关系。即当熔池前端偏移比率k值较小(k24.2%)时,打底焊缝成形背面余高偏小(1.5 mm);当熔池前端偏移比率k值较大(k36.9%)时,打底焊缝成形背面余高偏大(3.0 mm)。由此实现中厚板打底焊接单面焊双面成形焊缝背面尺寸调节。(4)MAG-TIG双电弧热源中厚板打底单面焊双面成形较单电弧焊接时液态熔池与背面成形更加稳定。其机制为:首先,由于两电弧间电磁场相互耦合效应,前端MAG电弧偏移振动,使得其部分电弧等离子热量直接加热熔池前方母材钝边处,熔池前端液态金属温度降低,表面张力升高,有利于熔池稳定。第二,后端TIG电弧再加热,改变了熔池温度分布状态,在电弧等离子体对液态金属剪切力和Marangoni对流效应共同作用下,使得前端液态金属向熔池后端流动,减少熔池前端液态金属重力作用。第三,前端MAG电弧偏移振动促进液态金属对流传热,使得熔池液态金属温度梯度减小,同时液态金属温度较低,其表面张力较大,有利于打底焊接单面焊双面成形熔池稳定与控制。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG44
【部分图文】：

焊缝熔宽可达１７?ｍｍ。这种工艺方法的焊接规范区间较窄，对保护气的成分和??比例要求严格，热输入较大。哈尔滨工业大学徐望辉［２Ｑ］在旋转电弧窄间隙ＧＭＡＷ基础??上，开发了双丝窄间隙ＧＭＡＷ焊接技术，如图１．１所示。其两根焊丝通过弯曲或斜孔??导电嘴伸出，两根焊丝分别由独立的焊接电源供电，除焊接速度外，其他工艺参数均可??独立调节。两根焊丝各指向两侧侧壁，为避免焊接电弧的相互干扰，两根焊丝的间距为??５０－１００?＿，焊接时形成两个熔池，相当于一次行程熔敷两道相互搭接的焊缝。由于其??热输入较小，主要用于焊接高强钢和热敏感性较高的材料。??＿??图１．１双丝窄间隙ＧＭＡＷ焊接［２Ｇ］??Ｆｉｇ．?１．１?Ｎａｒｒｏｗ－ｇａｐ?ｄｏｕｂｌｅ－ｗｉｒｅ?ＧＭＡＷ［２０］??（３）窄间隙埋弧焊（ＮＧ－ＳＡＷ）??窄间隙埋弧焊出现于２０世纪８０年代，很快被应用于工程生产中，其主要应用领域??是低合金钢厚壁及其他重型机械结构。窄间隙埋弧焊接接头具有较高的抗延迟冷裂能力，??其抗拉强度和冲击韧性均优于传统坡口埋弧焊接头。与传统埋弧焊相比，窄间隙埋弧焊??总的制造效率可以提高５０％－８０％

脉冲自动焊［４４］，使其生产效率大幅提高，其工艺特点是采用了双电源型双面双弧焊接，??双面焊枪保持错开一定的距离。上海交通大学陈善本等人［４５］采用双面双弧ＧＭＡＷ及双??焊接机器人实现厚板立焊位置不需清根的焊接工艺，其工艺装备示意图如图１．５所示，??并对焊接接头的抗拉强度、抗弯性能、冲击韧性以及硬度分布等力学性能进行了分析。??哈尔滨工业大学张华军［４６］研究了大厚度高强钢双面双弧焊工艺及其机器人自动化焊接??技术，此工艺采用异步双面双脉冲ＴＩＧ电弧进行打底焊接，然后采用同步双面双ＭＡＧ??焊接进行填充及盖面焊接，实现了大厚板对接不需翻转及清根的高效化焊接。??Ｐ．勸??图１．５双面双电弧立向焊接［４５］??Ｆｉｇ．?１．５?Ｖｅｒｔｉｃａｌ?ｗｅｌｄｉｎｇ?ｂｙ?ｄｏｕｂｌｅ－ｓｉｄｅ?ａｒｃ?ｗｅｌｄｉｎｇ＾４５＾??双电源型双面双弧焊工艺的优势是设备要求简单，操作灵活，实用性强，焊接效率??大幅提高，正反面熔池均处于保护气体的保护下，减少了气孔倾向，省去翻转及清根工??序，焊接变形小，节省能源消耗等特点。其唯一不足在于焊接接头双面同时可达性，即??限于能满足两侧同时施焊的焊缝位置。??综上所述，中厚板材的高效焊接方法都各有其适合的应用场合，以及优点所在，但??是也有其受限制的特点。现将中厚板材的高效焊接方法对比总结于表１．１中。??７??

且力学性能满足要求的焊缝。田中和雄［５１］研究了铜衬垫单面埋弧自动焊（Ｆｌｕｘ?ｃｏｐｐｅｒ??ｂａｃｋｉｎｇ?－?ＦＣＢ）和热固型焊剂衬垫单面埋弧焊的原理和特点，并对两种方法进行比较，??得出各自优点和缺点，ＦＣＢ法埋弧焊单面焊接示意图如图１．６所示。Ａｎｏｎ［５２］介绍埋弧焊??单面焊接可以应用在造船业、重型机械制造以及其他制造行业，并且这种焊接方法能够??大大提高生产效率。??ｆ—■?Ｍｕｌｔｉ－ｗｉｒｅｓ??Ｂａｃｋｉｎｇ?Ｆｌｕｘ??＂＂＂＂ｃ?ｏｐｐｅｒ??＾?ｔ?ｔ?ｊ）＾￣Ｇａｓｂａｇ??图１．６?ＦＣＢ法埋弧焊接示意图［５１］??Ｆｉｇ．?１．６?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＦＣＢ?ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ?ａｒｃ?ｗｅｌｄｉｎｇ［Ｍ］??２０世纪８０年代，我国的单面焊双面成形技术最早应用于造船工业。早在１９８３年，??天津大学罗津如等人［５３］就成功研制了手工电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊（ＴＩＧ）及Ｃ０２气??体保护焊单面焊接时使用的粘结陶瓷衬垫，其示意图如图１．７所示。经船舶制造企业试??用，焊缝背面成形效果良好，节省工时２０％－４０％，节省焊接材料１０％－２０％，保证焊缝??背面成形质量，改善焊工劳动条件。牛吉梅等人［５４］研究了不等厚度板材的ＭＡＧ焊接结??合陶瓷衬垫的单面焊双面成形工艺。采用自动焊接系统进行工艺试验，分析了不同衬垫??槽型尺寸、保护气体混合比例和焊接层数对焊接接头质量影响，结果表明采用５０％?Ａｒ＋５０％??Ｃ０２保护气体、对称槽型衬垫、２层３道焊得到焊缝质量和外观形貌均良好
【参考文献】

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本文编号：2863456