厚壁高强钢双丝窄间隙GMA焊三元保护气对电弧特性及熔化行为影响机制的研究

Welding process with high quality and high efficiency for thick plate of high strength steel can be obtained by narrow gap gas metal arc (GMA) welding. Shielding gas composition have significant effects on arc behaviors, droplets transfer characteristics, molten pool behaviors and weld formation. Ar-CO2 binary mixtures are usually used as shielding gases for narrow gap GMA welding of thick steel plate. Helium has higher ionization energy and thermal conductivity, so helium arc has a higher energy and more heat transfers to the periphery of the arc. The key point is that arc plasma characteristics change with the shielding gas composition, and droplet transfer and molten pool behaviors also change. Therefore, on the basis of the previous National Natural Science Foundation project entitled " Metal transfer and weld pool behaviors in narrow gap tandem GMA orbital welding of thick pipe", in this project, Ar+CO2+He ternary mixtures will be used as shielding gases for twin wire narrow gap GMA welding of high strength steel. It aims to study the influence of ternary shielding gas composition on arc shape, electrical characteristics, temperature distributions and arc pressure, and illuminate the mechanism of arc characteristics to affect weld formation and droplet transfer in narrow gap groove. Finally, optimize an appropriate ternary shielding gas and welding parameters to realize twin wire narrow gap GMA welding with ternary shielding gas for high strength steel.

窄间隙GMA焊接可实现厚板高强钢的优质高效焊接，保护气成分对GMA焊接过程中电弧行为、熔滴过渡特性、熔池行为以及最后焊缝成形有着至关重要的影响。在厚板钢的窄间隙GMA焊接中，常用的保护气为Ar+CO2二元保护气。He气具有更高的电离能及热导率，电弧具有更高的能量且能量更趋于向电弧周围扩散，其核心和关键在于保护气成分及比例的改变，改变了电弧的等离子体特性，进而改变了焊丝熔滴过渡及母材的熔化行为。为此，在上一个已结题的《双丝窄间隙全位置GMA熔滴过渡及熔池行为研究》的自然基金基础上，本课题针对高强钢双丝窄间隙GMA焊接，采用Ar+CO2+He三元保护气，通过研究三元保护气在窄间隙坡口中对GMA电弧形态、电特性、内部温度分布及电弧力等方面的影响规律，阐明上述电弧特性变化对窄间隙焊道成形及熔滴过渡的作用机理，进而优化气体配比和工艺参数，实现高强钢双丝三元气体窄间隙GMA焊接。

本项目提出将He气应用到窄间隙GMA焊接中，利用Ar-CO2-He三元保护气进行厚板窄间隙GMA焊，通过He气的加入来保证侧壁熔深。逐步进行了三元气体保护下的平板GMA堆焊、窄间隙单丝GMA焊以及窄间隙双丝GMA焊接试验。.在单丝窄间隙GMA中，保护气中CO2含量的增加使得电弧长度明显减少，He气含量的增加使得焊接电弧长度略有降低，但是弧心扩展。保护气成分的变化改变了电弧稳定燃烧的静态工作点。随He含量或CO2含量的增加，熔滴过渡频率降低。侧壁熔深随He或CO2含量适量的增加而增加，He气含量的增加对侧壁熔深的提升效果更为明显，当保护气中He含量为10%的时候，侧壁熔深可提升约60%。.双丝窄间隙GMA焊中，在两根焊丝焊接预设参数相同的情况下，从弧的焊接电流要高于主弧的焊接电流，后丝的过渡频率大于主丝。两个电弧的电流均随CO2含量的增加而降低，而随He含量的增加而上升。随着He含量的增加，主丝的熔滴过渡形式由一脉一滴向射流过渡转变，而从丝保持射流过渡不变；而随着CO2含量的增加，从丝熔滴过渡形式逐渐由射流过渡向一脉一滴转变，而主丝保持一脉一滴过渡形式不变。随着He含量或CO2含量的增加，焊缝熔宽先增加后减少。建立三维瞬态熔池行为模型，通过对焊接热源的校核得出了不同保护气下焊接热源不同，He含量适当地增加使得电弧热源集中系数降低，使得焊接热量更多地向热源外围传输，有利于提升侧壁熔深。.利用响应曲面法建立了保护气比例与焊缝成形尺寸的数学关系，获得了优化的三元保护气成分。利用三元保护气对60 mm厚Q690高强钢板进行焊接，得到成形良好的焊接接头，力学性能满足海洋钻井平台的使用要求。.项目共发表论文10篇，其中SCI检索6篇；编著出版了《窄间隙GMA焊接技术》1部，培养毕业博士1名，硕士2名，项目组成员多次参加了国际和国内学术会议，并在会议上做报告。窄间隙GMA焊接的研究成果在中船集团企业中进行了试验，未来预期会在能源装备制造、船舶建造等领域开展工程应用。