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中部槽激光-MAG复合打底焊接与双丝MAG填充焊接工艺研究

梁晓梅  
【摘要】:煤矿与金属开采所需的综采刮板输送机是我国重点研制开发的十大领域之一,中部槽作为刮板输送机最主要的焊接结构件,其焊接质量及使用寿命关系到整套设备的运行。目前,中部槽焊接主要以传统MAG手工焊接方法为主,手工电弧焊存在焊接效率低、焊接过程难以控制及工艺适应性差等技术难点。本文以45mm厚中部槽中板NM400与铸造槽帮ZG30Si Mn异种钢的焊接为研究对象,开展了激光-MAG复合焊接热源打底焊及双丝MAG焊接热源填充及盖面焊接工艺研究,重点针对打底焊中出现的未焊透、冷裂纹及热裂纹等问题进行研究,并分析了热输入、坡口形式及焊接材料匹配对接头组织及常规力学性能的影响,以焊缝成形质量及接头显微组织、显微硬度、拉伸强度和冲击吸收功作为评价指标,最终实现了大型刮板输送机中部槽自动化焊接。研究了激光功率、离焦量、摆动幅度及摆动频率等基础工艺参数对焊缝成形的影响规律,并分析了激光-MAG复合焊接热源在中部槽打底焊接中的优势,获得了中部槽焊接的最佳工艺参数范围。结果表明,对于不同坡口形式,在保证熔透性的前提下,选用小激光功率、正离焦及热源适当摆动可以有效地抑制焊接气孔及未熔合等缺陷,而且激光-MAG复合焊接工艺具有良好的工艺适应能力,分别在焊接间隙为0~2mm、错边量为0~2mm、钝边尺寸为2~6mm范围内的模拟工况下实现了打底焊接良好的单面焊双面成形。采用双丝MAG焊接方法进行填充及盖面焊接时,电弧适当摆动,摆动频率为20Hz,摆动幅度为1~2mm,可有效抑制未熔合、夹渣等焊接缺陷。获得了抑制中部槽打底焊接冷裂纹的有效措施,即采用激光-MAG复合焊接方法结合焊前预热,通过直Y型坡口冷裂纹敏感性试验,提出ER69-G和ER50-6两种焊接材料所需的临界预热温度分别为100℃和70℃,低强匹配焊接时,焊接材料强度级别越低,预热温度越低;反之则越高。对于中部槽打底焊接热裂纹,采用激光-MAG电弧复合焊接方法,通过宏观及微观形貌观察、扫描断口形貌及能谱成分等分析手段确定为结晶裂纹,分析了焊缝化学成分及焊接坡口形式对结晶裂纹的影响,通过降低母材稀释率及改变接头形状等方法来抑制结晶裂纹。在获得了良好的焊缝成形的焊接工艺研究基础上,分别探讨了热输入、坡口形式及焊接材料匹配对接头显微组织及硬度、拉伸、冲击等力学性能的影响规律。研究发现,热输入增加,焊缝组织由马氏体向贝氏体转变,接头强度显著下降,热输入为10~15k J/cm时,马氏体和贝氏体呈板条状交错分布,接头综合力学性能最好;双U型和双半U型坡口的接头根部力学性能优于双V型坡口,三种坡口的接头上部力学性能相近,对于整个焊接接头,双U型和双半U型坡口更佳;对比不同焊接材料匹配方式,得出低强(ER50-6)打底、高强(ER69-G)填充及盖面的阶梯式焊丝匹配方式,既能保证接头根部焊接质量又能获得良好的接头综合力学性能,并降低了预热温度。


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