制造大型厚壁结构件时不可避免的需要在非水平位置焊接,较大的焊接工作量也对焊接效率提出了更高的要求。窄间隙MAG焊是一种高效的焊接技术,目前主要应用于厚板的水平位置焊接。本文将摆动电弧技术应用于窄间隙MAG焊接中,开发适用于空间多位置的摆动电弧窄间隙焊接工艺,实现厚壁结构的高效化空间多位置焊接。论文在设计开发摆动电弧窄间隙焊炬的基础上,对空间多位置摆动电弧窄间隙MAG焊熔滴过渡与焊缝成形进行了研究,分析了平焊、立向下焊、仰焊及立向上焊熔池特征及形成过程,根据不同位置的焊缝成形特点,建立了焊接参数与焊缝成形尺寸的统计数学模型,并优化工艺参数,实现了管道摆动电弧窄间隙全位置焊接,获得了成形良好的管道窄间隙全位置焊接接头。针对空间多位置窄间隙MAG焊接工艺要求,在综合考虑其它电弧摆动方案优缺点的基础上,确定了导电嘴弧形摆动方案,并开发设计了摆动电弧窄间隙MAG焊炬及其配套喷嘴。采用工艺试验的方法检验了摆动电弧窄间隙MAG焊炬的可靠性。焊炬性能稳定可靠,可以进行大规范、长持续时间的窄间隙焊接,为熔滴过渡和熔池行为的研究提供了条件。采用高速摄像系统和焊接电信号采集系统对摆动电弧窄间隙焊熔滴过渡过程进行了观察。在摆动电弧窄间隙焊接中,侧壁附近处的熔滴过渡频率高于坡口中间区域的熔滴过渡频率。焊丝在坡口之间的摆动改变了焊丝与侧壁之间的距离,引起了焊接电弧长度的变化,使得焊接电流发生了波动,最终导致了熔滴过渡的规律性变化。这会将更多的电弧热量和填充金属分配到坡口侧壁,对于保证侧壁熔合和抑制非平焊位置熔池流淌具有积极作用。随后研究了送丝速度、焊接电压、摆动速度及摆动角度等参数对熔滴过渡影响。研究了平焊、立焊及仰焊的熔滴过渡过程。焊接位置变化时,熔滴过渡频率及熔滴直径随之改变。焊接位置由平焊-立焊-仰焊转变时,熔滴过渡频率下降,熔滴直径增加,熔滴过渡难度增大。侧壁附近的熔滴过渡频率高于中间区域的过渡频率,这一变化规律不会因焊接位置的改变而改变。焊接位置对中间区域的熔滴过渡影响比对侧壁附近的熔滴过渡影响更为显著。为了深入理解空间位置摆动电弧窄间隙MAG焊的熔池传热、传质过程,结合摆动电弧窄间隙MAG焊工艺特点,建立了三维、动态的空间多位置摆动电弧窄间隙MAG焊熔池热流耦合数值计算模型,所建模型考虑电弧压力、电磁力和表面张力等因素的影响,也考虑了熔滴、摆动路径、窄间隙坡口及焊接位置等因素对熔池的作用。模拟结果与实验得到的焊缝横截面的对比验证了模型的可靠性与合适性。在所建熔池数值模型的基础上,揭示了摆动电弧窄间隙焊的温度场特征,着重阐述了平焊、立向下焊、仰焊及立向上焊的熔池行为特征与熔池形成过程。结果表明,熔池在形成初期,均为中间下凹的形状,但是不同位置下熔池的最终形态呈现中间凸起或者中间下凹的特征,其中平焊和立向下焊熔池中间下凹,而仰焊和立向上焊熔池则为中间凸起。熔池金属沿着侧壁熔化区域向上铺展一定高度,该侧壁铺展高度决定了熔池在侧壁处的最终高度,若熔池尾部补充金属量较少,导致熔池中间高度小于侧壁铺展高度,熔池最终形态为中间下凹,反之为中间凸起。熔池的最终形态受到熔池金属流动方向、补充金属量、高温保留时间及侧壁铺展高度等因素的影响。在上述理论研究的基础上,对摆动电弧窄间隙全位置焊缝成形进行优化。根据全位置焊接的焊缝成形特征,将全位置焊接分为0-180°和180-360°两个焊接位置区间,焊接位置在0-180。区间的焊缝成形特征为横截面中间下凹,熔深较浅；焊接位置在180-360。区间的焊缝成形特征为横截面中间凸起,熔深较大。采用基于中心旋转组合设计的响应曲面法建立了送丝速度、焊接速度、摆动角度、侧壁停留时间、焊接位置与焊缝成形尺寸之间的统计数学模型,并根据不同区间的焊缝成形特征设定了优化标准,优化了典型焊接位置下的焊接参数及焊缝成形。将所开发的摆动电弧窄间隙全位置MAG焊工艺应用于厚壁管道的全位置焊接,以检验该工艺的实用性及可靠性,最终获得了成形良好、性能优良的厚壁管道窄间隙全位置焊接接头。