摩擦疊焊試驗(yàn)裝置及焊接工藝研究.pdf

1、摩擦疊焊是摩擦焊接技術(shù)中的一種，是一種新型的固相連接技術(shù)。隨著世界范圍內(nèi)海洋石油及天然氣資源開發(fā)力度的加強(qiáng)，水下油氣田開采深度不斷加深，海洋深水工程鋼結(jié)構(gòu)的連接及其修復(fù)技術(shù)日漸受到重視。摩擦疊焊焊接接頭因其性能優(yōu)異且焊接質(zhì)量受環(huán)境壓力影響較小，在深水鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)領(lǐng)域得到迅速發(fā)展。近年來，摩擦疊焊技術(shù)在海洋石油國家得到了高度重視。各國針對摩擦疊焊焊接裝備、焊接工藝以及該技術(shù)在水下連接工程中的應(yīng)用進(jìn)行了一系列研究開發(fā)工作。在我國，隨著海洋石油

2、開采力度的加強(qiáng)和水下工程的發(fā)展，迫切要求展開摩擦疊焊技術(shù)的研究。目前，摩擦疊焊焊接裝備和焊接工藝的研究在國內(nèi)都還屬于空白。因此，本研究中關(guān)于摩擦疊焊焊接試驗(yàn)裝置及其焊接工藝的研究具有重要的工程價(jià)值和理論意義。
　　 本文首先根據(jù)國外相關(guān)研究資料中所提供的摩擦疊焊焊接過程以及影響焊接質(zhì)量的幾個(gè)主要焊接工藝參數(shù)的范圍，提出摩擦疊焊試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)技術(shù)要求。根據(jù)技術(shù)要求設(shè)計(jì)了國內(nèi)第一套摩擦疊焊試驗(yàn)裝置。設(shè)計(jì)工作主要分為：機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、液

3、壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。有限元分析結(jié)果表明機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、安全、可靠。在LY12鋁合金摩擦疊焊焊接工藝試驗(yàn)過程中，液壓系統(tǒng)能夠提供足夠的焊接轉(zhuǎn)速、焊接壓力和焊接扭矩，滿足工藝試驗(yàn)的要求。電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠?qū)崿F(xiàn)對焊接過程的控制。
　　 為了能夠在摩擦疊焊焊接工藝試驗(yàn)過程中監(jiān)控和采集各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本研究針對影響摩擦疊焊焊接質(zhì)量的幾個(gè)主要工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套摩擦疊焊焊接工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠在工藝

4、試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，人機(jī)界面簡單明了，易學(xué)易用。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠直接存儲(chǔ)為Excel格式，便于進(jìn)行試驗(yàn)后的研究與分析。
　　 其次，在完成摩擦疊焊試驗(yàn)裝置及摩擦疊焊焊接工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)研制的基礎(chǔ)上，針對影響摩擦疊焊單元成型焊接質(zhì)量的幾個(gè)主要工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了一系列針對LY12鋁合金的單元焊接工藝試驗(yàn)。主要內(nèi)容包括：氬氣保護(hù)對焊接質(zhì)量的影響；塞棒轉(zhuǎn)速對焊接質(zhì)量的影響；塞棒進(jìn)給速度對焊接質(zhì)量的影響等。

5、結(jié)果表明：在焊接過程中采用氬氣進(jìn)行保護(hù)能夠有效減少氧化鋁的產(chǎn)生，提高單元成型的焊接質(zhì)量。焊接轉(zhuǎn)速是摩擦疊焊焊接工藝中最重要的焊接參數(shù)之一，焊接轉(zhuǎn)速的提高可以有效改善焊接質(zhì)量。進(jìn)給速度對焊接質(zhì)量的影響受焊接轉(zhuǎn)速的制約。在高轉(zhuǎn)速的條件下，提高進(jìn)給速度有利于提高焊接質(zhì)量。在轉(zhuǎn)速較低的條件下提高進(jìn)給速度不利于提高焊接質(zhì)量。通過以上的大量試驗(yàn)，確定了合理的焊接工藝參數(shù)范圍并獲得了無焊接缺陷的單元填充焊縫。
　　 本研究在進(jìn)行了單元焊接工藝

6、試驗(yàn)后，進(jìn)一步開展了LY12鋁合金疊焊焊縫成型的焊接試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了LY12鋁合金摩擦疊焊的無缺陷焊接。試驗(yàn)結(jié)果表明：在疊焊過程中為了避免鉆孔時(shí)鉆頭兩側(cè)受力不均勻，采用跳序法進(jìn)行焊接較為合理。另外，在疊焊焊接過程中對焊接試件進(jìn)行預(yù)熱，有利于減小焊接殘余應(yīng)力，提高疊焊焊縫的焊接質(zhì)量。
　　 然后，本研究基于傳熱學(xué)、摩擦學(xué)、接觸力學(xué)等學(xué)科的相關(guān)理論，通過MSC.Marc有限元計(jì)算分析軟件建立了摩擦疊焊單元成型焊接初期的熱力耦合仿真模

7、型，并對Q235鋼材料進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真計(jì)算的結(jié)果表明：各焊接工藝參數(shù)對其焊接過程的影響與LY12鋁合金各焊接工藝參數(shù)的影響情況基本相同。這說明在摩擦疊焊單元成型焊接過程中各焊接工藝參數(shù)對焊接情況的影響規(guī)律一般不隨材料的變化而變化，只是不同材料的熱物性能和力學(xué)性能不同導(dǎo)致對各焊接工藝參數(shù)的數(shù)值大小要求有所不同而已。這為以后開展鋼材料的焊接工藝試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。
　　 最后，基于摩擦疊焊試驗(yàn)裝置在焊接試驗(yàn)過程中體現(xiàn)出的一些缺點(diǎn)和不