钻井平台齿条板对接窄间隙MAG焊热物理性能研究

【摘要】在海工装备、船舶、压力容器和重型机械等领域广泛采用大型厚壁高强钢焊接构件，而目前国内大型厚壁结构件的焊接一般采用手工焊条电弧焊或是半自动焊接，工艺复杂落后，生产效率低下，产品周期长、质量不稳定，工人劳动强度大、劳动环境恶劣，急需一种高效、高质、节能、低耗材、低耗能的厚板焊接新技术。本文以钻井平台齿条板对接焊为背景，研究了一种大厚板窄间隙MAG（NG-MAG）立焊新工艺，采用双U型坡口，坡口角度1°~2°，组对间隙较小，一层一道焊接，无需碳弧气刨清根，相比于传统手工焊大大提高了焊接生产效率，减小工人劳动强度，改善生产环境，节约产品制造成本。首先，对齿条板窄间隙MAG立焊新工艺进行了可行性试验。与传统手工焊条电弧焊对比分析了新工艺的优越性，总结了试验过程中NG-MAG立焊焊缝成形困难、侧壁熔合不稳定等技术难点。为了攻关NG-MAG立焊技术难点问题，采用大型商用软件MSC.MARC对窄间隙MAG立焊温度场进行了模拟计算，研究了新工艺的焊接热循环等热物理特性。结合焊缝成形分析了熔池动态特征，当电弧在坡口侧壁停留时，熔池近似呈圆形，从坡口侧壁向中心移动时呈头细尾粗的椭球形，而从坡口中心向侧壁移动时呈头粗尾细的椭球形。模拟发现不同于常规非摆动焊接热循环曲线，电弧摆动式焊接的热循环曲线呈现多峰现象，这是由于焊接过程中电弧的移动使得热源逐次逼近而后又渐渐远离所形成。并对NG-MAG立焊打底焊温度场进行了测量，模拟结果与试验测量结果相吻合。通过模拟分析发现侧壁停留时间、摆幅是影响侧壁熔合及焊缝成形的重要因素。为了进一步确认影响NG-MAG立焊侧壁熔合及焊缝成形的重要因素，进行了不同坡口组对间隙、侧壁停留时间、电弧中心到侧壁距离和摆动频率对比试验，并对各工艺参数进行了优化。实验发现，当坡口间隙在18~22mm之间时电弧能够稳定燃烧，侧壁熔合良好，焊缝表面呈凹形，且成形美观；侧壁停留时间越大越有利于侧壁良好熔合，这与模拟结果一致，但侧壁停留时间过长，会使两侧熔池下坠严重，焊缝成形不好；电弧中心到侧壁距离是影响电弧稳定燃烧和侧壁良好熔合的重要因素，距离太小电弧攀爬到两侧壁，距离太大电弧大不了侧壁造成侧壁熔合不良；摆动频率是影响焊缝成形另一重要因素，摆频太慢，会形成焊缝不连续，摆频太快，焊枪颤动影响电弧稳定燃烧，最终会影响焊缝成形。上述研究结果，为NG-MAG立焊新工艺在大厚板焊接中的应用奠定了理论基础，为实际焊接生产提供指导。可促进我国大厚板高强钢焊接高效化和自动化技术的进一步研究，对海洋工程装备、船舶、压力容器和重型机械等领域的制造水平及发展都具有重要意义。
【作者】陈阿静；
【导师】于治水；张华军；
【作者基本信息】上海工程技术大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】大厚板构件；窄间隙MAG立焊；温度场数值模拟；侧壁熔合；焊接工艺优化；

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