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《哈尔滨工业大学》 2009年
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旋转电弧窄间隙横向焊接熔池行为与控制研究

郭宁  
【摘要】: 本文以解决横向焊接过程中由于熔池控制不当引起的焊缝成形不良这一技术瓶颈为目的,开发了新型旋转电弧窄间隙横向焊接技术。通过对旋转电弧横向焊接中熔滴过渡特性、熔池行为以及旋转电弧焊接温度场分布特点的研究,分析了横向焊接接头成形缺陷以及成形特点产生的原因,提出了旋转电弧焊接工艺在解决窄间隙横向焊接成形缺陷的作用,解决了横向焊接由于熔池控制不当引起成形缺陷的问题,确定了旋转电弧窄间隙横向焊接的最佳工艺参数范围,最终实现了低合金高强钢厚板窄间隙横向焊接,得到了焊缝外部成形优良,内部无缺陷的窄间隙多层单道横向焊接接头。 采用高速摄像方法对旋转电弧窄间隙横向焊接的熔滴过渡特性以及熔池行为进行了研究,为旋转电弧横向熔池控制奠定了理论基础。发现了旋转电弧窄间隙横向焊接熔滴过渡不仅在焊缝宽度方向上不同位置的过渡形式不同,而且在一个周期内电弧向上和向下运动的过程中,熔滴过渡也发生了变化,这主要是由于熔池表面高度不同以及电弧旋转共同引起了电弧弧长的变化,使得在不同位置上焊接电流发生了变化。并且旋转电弧产生的离心力对熔滴射流过渡的影响不大,但可以促进滴状过渡。 发现了旋转电弧横向焊接熔池振荡现象,这主要是由于电弧旋转,使得电弧压力以及熔滴冲击周期性作用在坡口上、下侧壁区域内,促使液态金属在焊缝宽度上产生流动,形成了振荡,并且一直伴随着熔池的整个形成过程,促进了堆积在下侧壁的液态金属向上侧移动,对于横向焊接焊缝成形具有重要的意义。 揭示了旋转电弧窄间隙横向焊接的熔池形成过程,提出了熔池形成的最终形态主要与母材的熔化区域、填充金属量以及熔池的高温保持时间有着密切的关系。熔池的形成过程是从坡口下侧逐渐到上侧的填充过程。并且在整个过程中熔池表面在两个侧壁上的“端点”位置不变。只有在合适的工艺参数范围内,使得母材的熔化区域、填充金属量以及熔池凝固时间相互匹配时,才会得到令人满意的横焊接头。 由于旋转电弧焊接工艺改变了传统焊接方法时电弧的运动轨迹,为了更加深入的理解旋转电弧工艺对焊接过程的影响,对旋转电弧焊接温度场进行了研究。建立了旋转电弧双椭球体热源模型,运用MARC有限元分析软件及其flux.f子程序实现对热源以及复杂焊接轨迹的加载,计算了旋转电弧三维瞬态、非线性的热传导过程及温度场分布,并进行了试验验证。结果表明,旋转电弧焊接接中存在重复加热过程,热循环曲线的升温以及降温过程并不是连续增加和降低的,而是呈阶梯状变化,并且在峰值温度区出现双峰或者多峰,并且旋转电弧焊接工艺与传统焊接工艺相比,降低了焊缝中心区域的峰值温度,缩短了高温保持时间,使得更多的热量分配到焊缝侧壁以及周边区域。 在上述理论研究的基础上,研究了旋转电弧横向焊接工艺,揭示了横向焊缝下塌、咬边以及中凸等成形缺陷产生的原因,与各焊接工艺参数建立了联系,解决了横向焊接由于熔池控制不当引起成形缺陷的问题,并且从焊接热输入和熔池行为两个角度提出了旋转电弧焊接工艺在窄间隙横向焊接中对熔池控制的作用。确定了旋转电弧窄间隙横向焊接的最佳工艺参数范围,得到到了成形良好的横焊接头。揭示了旋转电弧横向焊接中接头成形不对称性,并分析了其产生的原因。 对于35mm厚的12Ni3CrMoV钢的旋转电弧窄间隙横向焊接工艺进行研究,通过层间清渣、调整坡口尺寸以及焊炬位置实现了层间未熔合缺陷的消除,得到了外部成形良好、内部无缺陷、性能优良的窄间隙多层单道横向焊接接头。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TG444

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【参考文献】
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