摩擦疊焊試驗裝置及焊接工藝研究.pdf

1、摩擦疊焊是摩擦焊接技術中的一種，是一種新型的固相連接技術。隨著世界范圍內海洋石油及天然氣資源開發(fā)力度的加強，水下油氣田開采深度不斷加深，海洋深水工程鋼結構的連接及其修復技術日漸受到重視。摩擦疊焊焊接接頭因其性能優(yōu)異且焊接質量受環(huán)境壓力影響較小，在深水鋼結構修復領域得到迅速發(fā)展。近年來，摩擦疊焊技術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在水下連接工程中的應用進行了一系列研究開發(fā)工作。在我國，隨著海洋石油

2、開采力度的加強和水下工程的發(fā)展，迫切要求展開摩擦疊焊技術的研究。目前，摩擦疊焊焊接裝備和焊接工藝的研究在國內都還屬于空白。因此，本研究中關于摩擦疊焊焊接試驗裝置及其焊接工藝的研究具有重要的工程價值和理論意義。
　　 本文首先根據國外相關研究資料中所提供的摩擦疊焊焊接過程以及影響焊接質量的幾個主要焊接工藝參數的范圍，提出摩擦疊焊試驗裝置的設計技術要求。根據技術要求設計了國內第一套摩擦疊焊試驗裝置。設計工作主要分為：機械系統(tǒng)設計、液

3、壓系統(tǒng)設計和電控系統(tǒng)設計。有限元分析結果表明機械系統(tǒng)設計結構合理、安全、可靠。在LY12鋁合金摩擦疊焊焊接工藝試驗過程中，液壓系統(tǒng)能夠提供足夠的焊接轉速、焊接壓力和焊接扭矩，滿足工藝試驗的要求。電控系統(tǒng)結構設計合理，能夠實現對焊接過程的控制。
　　 為了能夠在摩擦疊焊焊接工藝試驗過程中監(jiān)控和采集各項試驗數據，本研究針對影響摩擦疊焊焊接質量的幾個主要工藝參數，設計開發(fā)了一套摩擦疊焊焊接工藝試驗數據采集系統(tǒng)。該數據采集系統(tǒng)能夠在工藝

4、試驗過程中實時采集并存儲各項試驗數據，人機界面簡單明了，易學易用。所有試驗數據能夠直接存儲為Excel格式，便于進行試驗后的研究與分析。
　　 其次，在完成摩擦疊焊試驗裝置及摩擦疊焊焊接工藝試驗數據采集系統(tǒng)的開發(fā)研制的基礎上，針對影響摩擦疊焊單元成型焊接質量的幾個主要工藝參數，設計并進行了一系列針對LY12鋁合金的單元焊接工藝試驗。主要內容包括：氬氣保護對焊接質量的影響；塞棒轉速對焊接質量的影響；塞棒進給速度對焊接質量的影響等。

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

6、試驗后，進一步開展了LY12鋁合金疊焊焊縫成型的焊接試驗研究，實現了LY12鋁合金摩擦疊焊的無缺陷焊接。試驗結果表明：在疊焊過程中為了避免鉆孔時鉆頭兩側受力不均勻，采用跳序法進行焊接較為合理。另外，在疊焊焊接過程中對焊接試件進行預熱，有利于減小焊接殘余應力，提高疊焊焊縫的焊接質量。
　　 然后，本研究基于傳熱學、摩擦學、接觸力學等學科的相關理論，通過MSC.Marc有限元計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鋼材料進行了仿真計算。仿真計算的結果表明：各焊接工藝參數對其焊接過程的影響與LY12鋁合金各焊接工藝參數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性能不同導致對各焊接工藝參數的數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奠定了基礎。
　　 最后，基于摩擦疊焊試驗裝置在焊接試驗過程中體現出的一些缺點和不