海洋鉆井平臺(tái)樁腿機(jī)器人雙面雙弧立焊行為研究.pdf

1、海洋鉆井平臺(tái)作為海上作業(yè)的主力裝備，其設(shè)計(jì)建造水平的高低在一定程度上反映海洋裝備能力的強(qiáng)弱。樁腿齒條是平臺(tái)最為核心的部件，直接影響平臺(tái)的升降安全和使用效果。目前，我國(guó)針對(duì)樁腿齒條的焊接主要采用手工焊的傳統(tǒng)方法，焊接工序多、工時(shí)長(zhǎng)、效率低下，高效焊接方法的開(kāi)發(fā)具有十分重要的意義。為此，本文研究了一種針對(duì)海洋鉆井平臺(tái)樁腿齒條用厚板高強(qiáng)鋼高效焊接新方法—機(jī)器人雙面雙弧擺動(dòng)立焊，打底焊采用雙面雙弧非對(duì)稱焊接，填充焊采用雙面雙弧對(duì)稱焊接，工藝免除

2、清根程序，效率大大提高。厚板擺動(dòng)立焊過(guò)程中，受重力影響，熔滴過(guò)渡行為更為復(fù)雜，焊縫成形控制更加困難，容易出現(xiàn)側(cè)壁未熔合和根部未焊透缺陷。為此，本文針對(duì)厚板擺動(dòng)立焊過(guò)程中的熔滴過(guò)渡行為，焊接工藝參數(shù)優(yōu)化，接頭微觀組織和力學(xué)性能的關(guān)系等開(kāi)展系統(tǒng)的研究。
　　通過(guò)對(duì)比分析立焊擺動(dòng)和不擺動(dòng)兩種條件下的熔滴過(guò)渡行為，深入研究了擺動(dòng)立焊熔滴過(guò)渡特性，實(shí)現(xiàn)熔滴過(guò)渡穩(wěn)定性控制。基于靜力平衡理論，詮釋了擺動(dòng)慣性力對(duì)熔滴過(guò)渡的影響機(jī)制。研究結(jié)果表明，

3、電弧擺動(dòng)能加速焊接過(guò)程中的熔滴脫落，促進(jìn)熔滴過(guò)渡，提高熔滴過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性。焊槍傾角為45°時(shí)，熔滴過(guò)渡形式為一脈多滴，過(guò)渡頻率較快；傾角為85°時(shí)，熔滴過(guò)渡形式為一脈一滴，過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定。擺動(dòng)幅度增加，根部熔滴過(guò)渡頻率逐漸減小，側(cè)壁熔滴過(guò)渡頻率則逐漸增大，熔滴平均直徑變化不大，根部略微增大，側(cè)壁略微減小。擺動(dòng)頻率為0.6Hz和1.2Hz時(shí)的熔滴平均直徑和過(guò)渡頻率變化不大。當(dāng)擺頻增大到1.8Hz時(shí)，熔滴過(guò)渡頻率顯著增加，熔滴直徑減小。停留時(shí)

4、間主要影響側(cè)壁的熔滴過(guò)渡形式和熔合狀態(tài)。停留時(shí)間增加，根部和側(cè)壁的熔滴過(guò)渡頻率均呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，停留時(shí)間對(duì)熔滴直徑的影響不大。擺動(dòng)幅度和側(cè)壁停留時(shí)間主要影響側(cè)壁熔合狀況。擺動(dòng)頻率是影響熔滴落點(diǎn)的主要因素，調(diào)整擺動(dòng)頻率可改變?nèi)鄣问芰?，?shí)現(xiàn)熔滴的穩(wěn)定過(guò)渡，解決厚板焊接根部未焊透和側(cè)壁未熔合問(wèn)題。本研究中在焊槍傾角85°，擺頻1.2Hz，擺幅1.5mm，停留時(shí)間0.5s時(shí)，熔滴過(guò)渡過(guò)程最為穩(wěn)定。
　　通過(guò)局部坐標(biāo)變換建立了擺動(dòng)

5、電弧焊接雙橢球熱源模型，通過(guò) FORTRAN語(yǔ)言編制移動(dòng)熱源子程序，運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件實(shí)現(xiàn)了雙面雙弧多層多道焊的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算。研究結(jié)果表明，雙面雙弧打底焊道的應(yīng)力值高于填充焊道，容易在根部出現(xiàn)較大應(yīng)力集中，在多層多道焊接中最為關(guān)鍵。深入研究了電弧間距、不同焊接熱輸入和預(yù)熱溫度對(duì)雙面雙弧打底焊溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，電弧間距與焊后殘余應(yīng)力和變形為非線性關(guān)系，弧間距為40mm時(shí)可獲得較低的應(yīng)力和變形；總熱輸

6、入不變，適當(dāng)增大前電弧功率，減小后電弧功率可有效降低應(yīng)力和變形；雙弧不預(yù)熱時(shí)的t8/5和t8/3值大于單弧預(yù)熱100℃時(shí)的值，說(shuō)明雙弧焊接時(shí)，焊縫區(qū)擴(kuò)散氫具有更多的逸出時(shí)間，抗冷裂性能更好。
　　開(kāi)展雙面雙弧擺動(dòng)立焊工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的研究，采用支持向量機(jī)SVM方法對(duì)不同擺動(dòng)參數(shù)下的焊縫形狀進(jìn)行建模預(yù)測(cè)，結(jié)合粒子群優(yōu)化PSO算法實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)優(yōu)化。結(jié)果表明，擺幅增大，焊縫表面余高先減小后增大，側(cè)壁平均熔深基本呈增加趨勢(shì)；擺頻增大，

7、焊縫表面余高先減小后增大，側(cè)壁平均熔深先增大后減??；停留時(shí)間增加，焊縫表面余高和側(cè)壁平均熔深均逐漸增大?；赟VM預(yù)測(cè)模型，結(jié)合粒子群PSO算法，建立優(yōu)化模型可得到最佳的焊縫形狀，獲得最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)。當(dāng)擺動(dòng)幅度為1.523mm，擺動(dòng)頻率為1.302Hz，停留時(shí)間為0.541s時(shí)，得到的焊縫表面余高為0.754mm，側(cè)壁平均熔深為2.663mm，使目標(biāo)函數(shù)HF(x)最小。在工藝參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)器人擺動(dòng)立焊特點(diǎn)，對(duì)厚板多層多道焊

8、焊道排布進(jìn)行研究，得到成形良好，無(wú)焊接缺陷的厚板雙面雙弧擺動(dòng)立焊焊接接頭。
　　采用機(jī)器人雙面雙弧擺動(dòng)立焊，每邊四層六道的工藝完成了50mm厚DILLIIMAX690E高強(qiáng)鋼多層多道焊，接頭整體呈“束腰狀”特征。由于接頭不同區(qū)域所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)不同，造成打底層和填充層的幾何形狀和微觀組織均表現(xiàn)出一定的差異性，進(jìn)而影響接頭不同區(qū)域的力學(xué)性能。打底層焊道接頭區(qū)域經(jīng)歷雙電弧共同作用，熔深較深，熔寬較小，表現(xiàn)出雙弧焊特征，為雙弧作用區(qū)；

9、填充層焊道接頭區(qū)域熔深淺，熔寬大，表現(xiàn)出單弧焊特征，為單弧作用區(qū)。接頭硬度值整體表現(xiàn)為熱影響區(qū)最大，焊縫次之，母材最低。層與層之間重熔區(qū)的硬度值較焊縫有所降低，且單弧作用區(qū)硬度值高于雙弧作用區(qū)。雙弧作用區(qū)的平均抗拉強(qiáng)度為920.28MPa高于單弧作用區(qū)908.90MPa，其斷后延伸率為18.8%也高于單弧作用區(qū)17.7%。雙弧作用區(qū)的低溫沖擊功為95J高于單弧作用區(qū)79J。雙弧作用區(qū)的平均晶粒尺寸為2.25μm小于單弧作用區(qū)的2.72μ