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电弧摆动式窄间隙GMAW焊枪设计及研究

作　者: 左振龙
导　师: 唐新华
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 窄间隙GMAW焊接 电弧摆动 稳定性 焊枪
分类号: TG434.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


目前窄间隙熔化极气体保护焊(NG-GMAW)普遍存在侧壁熔合不足的问题,针对此问题,本文在充分调研的基础上,经过分析研究认为通过调整焊丝伸出端与侧壁的夹角,以减小电弧与侧壁的距离,可在一定程度上改善侧壁融合问题,从而提出一种电弧摆动式窄间隙GMAW焊接技术。其基本原理是以步进电机直接驱动导电杆做周期性正反转运动,导电杆末端具有一定的弯角,其与导电嘴相连,焊丝从导电嘴送出后在坡口内引弧,由导电杆的周期性摆动带动电弧在坡口内作往复运动。焊接过程中采用热输入调节范围较宽的MAG焊接方法,以达到坡口两侧壁熔透均匀、增加工艺适应性的目的。本文首先基于CAE方法指导,设计制造了一种新型的电弧摆动式窄间隙GMAW焊枪。设计过程着重考虑了保护气管路、冷却水回路和焊枪绝缘性能对焊枪设计的要求,提出了四种保护气管路方案,利用ANSYS Fluent分析并确定了保护气管路的设计。在完成焊枪设计制造的基础上,分别采用正交试验和单因素试验方法研究了电弧摆动参数对焊缝成形的影响程度及其影响规律,并在试验过程中通过对焊接电压和电流信号的采集和分析,研究了电弧摆动对焊接稳定性的影响,最后通过多层单道窄间隙焊接试验,验证了电弧摆动式窄间隙焊枪设计思想的可行性。试验结果表明:电弧摆动式窄间隙焊枪焊接时气体保护效果良好,冷却水可保证焊枪长时间工作,焊枪绝缘可靠完全避免了侧壁起弧。研究表明:电弧的摆动速度和摆动角度是获得较宽焊缝的两个关键因素,为了获得成形一致的焊缝,电弧的摆动速度与侧壁停留时间必须配合好,否则会出现S形焊缝;焊接电压和电流信号分析表明,电弧摆动式窄间隙焊枪对于熔滴过渡有一定影响,但是仍能够保证焊接过程的稳定性;多层单道焊的试验结果表明,在电弧摆动参数合适、焊丝末端在窄间隙坡口中的空间位置得以精确控制条件下,可获得侧壁熔合良好,表面成形均匀的焊缝,这为该工艺的进一步研究奠定了一定基础。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-23
  1.1 课题背景及研究意义  9-10
  1.2 窄间隙焊接应用现状  10-15
    1.2.1 窄间隙焊接技术特点  10-12
    1.2.2 窄间隙焊接分类  12-13
    1.2.3 窄间隙焊接应用  13-15
  1.3 窄间隙焊接技术研究现状  15-22
    1.3.1 窄间隙焊接方法研究  15-20
    1.3.2 窄间隙焊接相关理论研究  20-21
    1.3.3 窄间隙GMAW 焊接分析  21-22
  1.4 本文研究内容  22-23
第二章 焊枪设计理论以及优化设计  23-41
  2.1 焊枪设计的基本要求  23-27
    2.1.1 电弧摆动要求  23-24
    2.1.2 焊枪整体尺寸要求  24
    2.1.3 焊枪绝缘及选材要求  24-25
    2.1.4 保护气管路系统要求  25-26
    2.1.5 焊丝送进部件要求  26-27
  2.2 焊枪各部分设计及优化  27-38
    2.2.1 电弧摆动控制方案  27-28
    2.2.2 焊接保护气喷嘴设计  28-33
    2.2.3 三层铜管同轴式冷却系统  33-36
    2.2.4 绝缘设计  36-37
    2.2.5 焊丝弯折部件设计  37-38
  2.3 焊枪的加工及规格参数  38-40
  2.4 本章小结  40-41
第三章 电弧摆动式NG-GMAW 焊接系统  41-50
  3.1 NG-GMAW 焊接系统组成  41-42
  3.2 NG-GMAW 焊枪及其电弧摆动控制系统  42-47
    3.2.1 电弧摆动窄间隙焊接原理  42
    3.2.2 焊丝摆动的控制  42-44
    3.2.3 步进电机驱动器  44-45
    3.2.4 步进电机控制器  45-47
  3.3 焊枪行走机构  47
  3.4 焊接电源  47-49
  3.5 焊接保护气与焊丝  49
  3.6 本章小结  49-50
第四章 电弧摆动对焊缝成形及焊接稳定性影响研究  50-70
  4.1 电弧摆动轨迹对焊缝成形影响  50-57
    4.1.1 焊接规范与摆动参数  50-53
    4.1.2 试验结果以及分析  53-57
    4.1.3 焊枪设计性能初步检测  57
  4.2 电弧摆动对焊接电流电压稳定性影响  57-63
    4.2.1 数据采集系统及方案  58-59
    4.2.2 试验结果及分析  59-63
  4.3 焊接规范对焊接的影响  63-67
    4.3.1 侧壁停留时间  63-65
    4.3.2 摆动频率  65-66
    4.3.3 焊接电压对焊缝成形影响  66-67
  4.4 多层焊试验  67-69
  4.5 本章小结  69-70
第五章 结论  70-71
致谢  71-72
参考文献  72-77
攻读硕士学位期间已发表论文及其他科研成果  77-79

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 焊接、金属切割及金属粘接 > 焊接设备 > 电弧焊设备 > 气体保护焊设备
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