窄間隙光纖激光-電弧復(fù)合焊接關(guān)鍵技術(shù)與機(jī)理研究

通過開發(fā)窄間隙光纖激光-電弧復(fù)合焊接新工藝，實現(xiàn)了大厚板的高效率、高質(zhì)量焊接，掌握了窄間隙條件下復(fù)合焊接過程穩(wěn)定性、焊縫成形、微觀組織和接頭力學(xué)性能的變化規(guī)律，明晰了空間拘束下的激光-電弧相互作用機(jī)理，及其對側(cè)壁未熔合缺陷的影響機(jī)制，提出了對應(yīng)的抑制方法或經(jīng)驗公式和基于接頭強(qiáng)韌性增強(qiáng)的組織性能調(diào)控機(jī)理。研究結(jié)果不但為大厚度接頭高質(zhì)量焊接提供了一種新方法，而且豐富了窄間隙焊接和激光-電弧復(fù)合焊接基礎(chǔ)理論。主要研究結(jié)果如下： (1) 將復(fù)合焊接坡口寬度成功壓縮至6mm，遠(yuǎn)低于窄間隙電弧焊接坡口寬度(10-18mm)，大幅度提高了焊接效率和接頭質(zhì)量。采用6mm矩形坡口，以9道焊縫實現(xiàn)了40mm低碳鋼的復(fù)合焊接，接頭組織性能分布均勻，焊縫截面沿厚度方向不同填充焊道的顯微硬度值差別不超過15 HV0.2，接頭抗拉強(qiáng)度和沖擊吸收功分別比母材提高了49%和60%以上。 (2) 窄間隙復(fù)合焊接熱源熔化能增量比開放空間復(fù)合焊接提高3-12%，焊縫熔深增加10-22%。發(fā)現(xiàn)空間約束效應(yīng)是提升窄間隙復(fù)合熱源能量傳輸效率，增加焊接熔深的關(guān)鍵機(jī)制。 (3) 提出了表征復(fù)合焊接過程穩(wěn)定性的電弧電信號近似熵半定量分析新方法。近似熵值越小，焊接過程越穩(wěn)定。通過該方法明確了空間約束效應(yīng)對激光-電弧復(fù)合焊接過程穩(wěn)定性的增強(qiáng)程度和作用機(jī)制。計算結(jié)果表明窄間隙復(fù)合焊接近似熵值比開放空間復(fù)合焊接低1-16%，焊接過程穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)。 (4) 以焊縫表面下凹深度為因變量，采用量綱分析方法建立了窄間隙激光-電弧復(fù)合焊接未熔合缺陷定量預(yù)測模型，并基于該模型得到兩套未熔合缺陷抑制方案。 (5) 研究發(fā)現(xiàn)電弧模式和保護(hù)氣體對窄間隙復(fù)合焊接接頭組織性能有明顯影響。其中，CMT（Cold Metal Transfer）電弧因為熱輸入低于常規(guī)脈沖電弧和短路電弧，其復(fù)合焊接接頭具有最小的焊縫平均晶粒尺寸、最高的針狀鐵素體含量和最佳力學(xué)性能。其次，隨著保護(hù)氣體中CO2含量增加，窄間隙復(fù)合焊接熔池冷卻速度加快，Mn元素?zé)龘p加劇，最終導(dǎo)致接頭針狀鐵素體含量減少，力學(xué)性能下降。 2100433B

現(xiàn)有電弧窄間隙焊接工藝存在熱輸入大、接頭性能不理想和結(jié)構(gòu)變形大的問題，是制約船舶、核設(shè)施、石油管道等領(lǐng)域大厚度接頭結(jié)構(gòu)制造質(zhì)量和效率提升的主要技術(shù)瓶頸之一。為此，本項目提出開發(fā)窄間隙光纖激光-MIG電弧復(fù)合焊接新工藝，利用光纖激光優(yōu)異的光束質(zhì)量和復(fù)合焊接的技術(shù)優(yōu)勢來縮小坡口間隙，減少焊道數(shù)量，提高工藝穩(wěn)定性和接頭質(zhì)量。本項目將圍繞其中的關(guān)鍵科學(xué)問題進(jìn)行研究，重點研究窄間隙空間拘束效應(yīng)對激光等離子體、電弧動態(tài)行為和物性參數(shù)的影響規(guī)律，明晰窄間隙條件下的激光-電弧相互作用機(jī)理，探討激光-電弧相互作用對窄間隙工藝的穩(wěn)定增強(qiáng)機(jī)制。在此基礎(chǔ)上研究激光-電弧相互作用對窄間隙熔池動態(tài)行為、焊縫微觀組織、側(cè)壁未熔合缺陷的影響規(guī)律，及其和接頭力學(xué)行為的相互關(guān)聯(lián)。最后歸納總結(jié)側(cè)壁未熔合缺陷抑制方法或理論計算公式，基于接頭強(qiáng)韌性增強(qiáng)原則提出接頭組織性能調(diào)控機(jī)理。研究結(jié)果對豐富焊接基礎(chǔ)理論具有重要意義。

量大面廣的焊接過程普遍存在能/材耗巨大、污染嚴(yán)重、可靠性低等問題，是制約我國高端裝備制造業(yè)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸。本項目擬針對高效節(jié)能的窄間隙GMAW 焊接過程展開研究，這不僅是焊接技術(shù)領(lǐng)域的時代主題和研究熱點，也是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展國防建設(shè)以及高端裝備制造業(yè)崛起的重大需求。 （1）窄間隙焊接過程非線性建模與仿真分析。詳細(xì)分析了窄間隙焊接機(jī)理，建立了基于電弧擺動和電弧旋轉(zhuǎn)的窄間隙焊接過程動態(tài)仿真模型，從工藝參數(shù)對熱輸入影響的角度切入，研究了其對焊接質(zhì)量的影響以及側(cè)壁熔合不良、焊縫超高、凸度過大、咬邊等缺陷產(chǎn)生的原因，為窄間隙焊接工藝參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。 （2）功率變換系統(tǒng)及控制策略研究。分析了VIENNA整流器輸入電流過零點畸變機(jī)理及電位振蕩與零序分量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，提出一種修正注入零序分量載波調(diào)制策略，解決了電流過零點畸變問題，同時實現(xiàn)VIENNA整流器中點電位的平衡和紋波振蕩的抑制；為解決常規(guī)模糊控制器存在穩(wěn)態(tài)誤差的缺點，設(shè)計了一種弧焊電壓自適應(yīng)模糊控制器，動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)誤差小。 （3）焊接過程信號處理與焊接質(zhì)量評價方法研究。焊接過程強(qiáng)烈的高頻干擾和隨機(jī)擾動，影響了反饋信息的真實性，為此提出一種適合于焊接電流的平滑窗口寬度可調(diào)的自適應(yīng)卡爾曼濾波方法，魯棒性強(qiáng)；焊接性能的綜合評價是優(yōu)化焊接工藝和指導(dǎo)焊接過程控制的重要保障，為此研究了電弧電壓和焊接電流概率密度分布與焊接穩(wěn)定性的關(guān)系，提出了基于U-I二值圖像的弧焊穩(wěn)定性判定方法，可定量分析焊接過程的穩(wěn)定性。 （4）大功率電源高抗擾組網(wǎng)群控系統(tǒng)研究與實現(xiàn)。提出了基于三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的焊接電源群控系統(tǒng)方案，設(shè)計了基于B/S架構(gòu)的群控管理系統(tǒng)；研究了基于多路Wi-Fi的動態(tài)組網(wǎng)方法，通過自組網(wǎng)算法，構(gòu)建了多信道多路徑的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，保障了大功率逆變電源系統(tǒng)的集群可靠管理。 2100433B

鋼筋窄間隙電弧焊

英文名稱：narrow-gap arc welding of reinforcing steel bar

解釋：將兩鋼筋安放成為水平對接形式，并置于鋼模內(nèi)，中間留有少量間隙，用焊條從接頭根部引弧，連續(xù)向上焊接完成的一種電弧焊方法。

出處：鋼筋焊接級驗收規(guī)程 JGJ 18-20032100433B