厚壁管道窄间隙双丝GMA全位置焊接的熔滴过渡及熔池行为研究

Thick wall pipe has been widely used in nuclear power plant, oil and gas transportaoin, shipbuilding industry and etc. Narrow gap TIG welding or manula stick welding is often used. However, its efficiency and quality can not be kept constant. A novel tandem narrow gap orbital GMA welding technique is put forward in this project, which aims at pipe wall thickness between 30mm and 150mm. Two wires are fed through two bend contact tip and pointed directly toward sidewall of narrow gap groove under 14mm groove gap top width. The key technique of this project is to control the weld pool at different welding position under the tandem narrow gap GMA welding to avoid the defects such as lack of sidewall fusion, weld pool humping and etc. Therefore based on previous development of tandem narrow gap GMA welding torch, this project will focused on metal transfer and molten pool behaviour during tandem narrow gap GMA orbital welding of thick wall pipe. The realtionship between welding parameters and weld bead appearance will be created to realize the weld bead profile control during welding process.

厚壁管道在核电、油气输送、造船等行业有着广泛的应用，传统采用窄间隙TIG焊或者手工焊接，效率和质量难以保证。本课题提出了采用全位置窄间隙双丝GMAW方法，针对20～150mm厚壁管道，坡口间隙10～14mm，焊丝通过两个弯曲导电嘴送入，分别对窄间隙坡口侧壁加热，实现优质高效管道全位置焊接。其核心和关键是在不同焊接位置对窄间隙双丝GMA焊接熔池的可靠控制，防止出现侧壁未熔合、熔池堆积等成形缺陷。为此，本课题在项目组之前开发的窄间隙双丝焊枪及前期初步实验的基础上，通过对全位置窄间隙双丝GMA焊接的熔滴过渡和熔池流动行为进行深入研究，分析焊接参数对熔滴过渡的影响，揭示熔池流动行为和熔滴过渡与焊缝成形之间的关系，建立焊接参数、焊接位置、焊缝熔宽、焊缝熔深和侧壁熔深关系模型，实现全位置双丝窄间隙GMAW成形控制。

窄间隙GMA焊接，与其他焊接方式相比，能够有效地提高厚板生产效率，降低热输入，减少焊接变形。而窄间隙全位置GMA中的熔滴过渡和熔池行为的研究是保证良好焊缝成形的关键，对该技术在生产实际应用具有重要的理论和应用价值。.首先设计和优化了全位置焊接的窄间隙熔化极气保焊焊炬，喷嘴分为扁平的插入式及外置式，通过气体层流设计达到了良好的保护效果。.采用共熔池法，对双丝窄间隙熔滴过渡和电弧行为进行了研究，发现窄间隙焊接由于坡口对电弧拘束和双丝之间热量补充而促进双丝熔滴过渡，且主从丝的熔滴过渡存在差异；脉冲峰值电压、脉冲频率及脉冲时间都对窄间隙中熔滴过渡和电弧形态有影响。在立焊条件下，需要采用较大的焊接规范。采用大规范焊接条件，得到了成形优良且无宏观缺陷的双丝窄间隙共熔池向下立焊30mm厚焊接接头。.利用非共熔池法，得到了全位置焊接成形的规范区间。基于响应曲面法进行了工艺试验，建立了焊缝成形尺寸与焊接参数之间的二次回归方程。从单因素、多因素交互影响方面分析了焊接参数对焊缝成形的影响规律，发现焊接位置影响焊缝成形，均随着焊接角度从0-180°的变化，焊缝表面呈现下凹的趋势，仰焊位置出现中凸。对焊接参数进行了优化，并且对其进行了试验验证，证明建立的模型与实际情况吻合。.建立了三维动态的多位置双丝、摆动电弧窄间隙焊熔池热流耦合数值计算模型，揭示了窄间隙焊的温度场特征，阐述了全位置焊的熔池行为。不同焊接位置由于重力作用熔池行为不同。将摆动电弧窄间隙全位置MAG焊同样获得了成形良好、性能优良的厚壁管道窄间隙全位置焊接接头。.研究了保护气成分对窄间隙电弧行为与熔滴过渡的影响，将氦气引入到保护气中，双丝焊中，随He含量增加，主丝熔滴过渡形式由射滴向射流转变，而从丝保持射流过渡不变。当保护气成分为80%Ar10%CO210%He时，焊缝熔宽最大。