316L不锈钢掺杂SiC环状同轴送粉TIG熔覆层组织结构与性能

TIG熔覆是经济高效的表面修复方法,与传统的预置粉末法相比,同轴送粉法具有优良的适应性,但是试验研究相对较少.自主设计制造了环状同轴送粉TIG熔覆焊枪,与管状同轴送粉TIG熔覆焊枪相比,制造的熔覆层不存在熄弧位置凹坑、焊缝不够平直以及焊缝熔宽不一致等问题,而且具有更高的熔覆效率.结果表明,采用优化的焊接热输入、送粉量和SiC含量参数匹配,在316L不锈钢表面进行环状同轴送粉TIG熔覆,获得了外观优良的单层单道熔覆层、单层多道熔覆层.对熔覆层进行显微硬度测量、微观组织及元素成分分析、宏观电化学腐蚀试验、微区电化学腐蚀试验以及耐磨性能测试,并与母材进行了比对,环状同轴送粉TIG熔覆导入的SiC粉末有效地提升了熔覆层的耐蚀性与耐磨性.

基于NSGA-Ⅱ算法的ACFM自由式旋转探头参数优化

交流电磁场检测(ACFM)方法是新型的无损检测方法,其中探头设计关乎检测的效率和信号处理的难度。基于此类问题,提出了自由式旋转单探头的设计,采用COMSOL Multiphysics软件对探头不同电磁参数进行仿真计算,得出适用的探头参数;此外根据旋转仿真分析得知,自由式旋转检测具有可行性且By磁场信号更具检测优势;同时基于旋转速度、平行检测速度、传感器相对位置以及检测范围的制约关系,采用非支配排序遗传算法Ⅱ(non-dominated sorting genetic algorithmⅡ,NSGA-Ⅱ)进行pareto求优,进而确定各参数,验证了旋转探头的高效率性。基于优化参数提出自由式旋转检测的信号处理模型,最后提出了旋转检测的系统搭建方法。

基于Q235的水下ACFM可视化检测系统设计及研究

针对复杂海水环境中Q235结构物夹板裂纹,基于交流电磁场检测(ACFM)技术开展了水下可视化检测系统的设计及研究。基于COMSOL仿真分析选取了探头外壳材料。搭建硬件电路及设计缺陷识别及重构的软件系统。基于Q235材料样板上不同长度及不同深度的裂纹进行水下检测。结果表明:Q235材料的不同长度裂纹检测中长度误差和深度检测误差分别为8.53%和15.11%;不同深度裂纹检测中长度误差和深度检测误差分别为8.17%和13.9%。

基于ACFM单传感器的裂纹角度识别与重构

交变电磁场测量(ACFM)技术广泛应用于海洋装备和制造业等领域中金属结构物的缺陷检测。针对单传感器检测过程中存在的角度偏转和裂纹定位等问题展开了研究。首先,通过COMSOL Multi-physics仿真结果可知B_(x)和B_(y)在多角度偏转的过程中存在互补的规律;然后,通过建立比例因子,实现高精度的数值拟合。此外,通过多梯度偏转仿真实现了偏转裂纹的重构。最终通过搭建实验平台和信号特征提取等工作验证了拟合规律的合理性;通过优化拟合公式,提高了检测精度;通过所测角度,进而解决了非平行检测过程中裂纹重构图像的偏转问题。

基于ACFM的Q235钢表面裂纹检测与特征重构研究

为保障管线安全,研究Q235钢常规裂纹特征,针对裂纹量化和重构精度不高等问题,探究Q235钢常规裂纹的特征重构方法。建立ACFM有限元仿真模型,通过仿真分析常规裂纹的长度和深度特征量的分布规律。结果表明:用三点插值法可确定波峰及波谷的相对位置,通过自适应拟合算法建立了裂纹长度和深度的重构方程;最后试验验证长度特征检测误差为5.98%,深度特征检测误差为3.86%。

交流电磁场检测中蝶形图与裂纹剖面的映射方法

蝶形图是交流电磁场检测(alternating current field measurement,ACFM)中判定缺陷存在的一种重要方法。为研究常规裂纹蝶形图与裂纹剖面的映射关系,首先利用COMSOL Multiphysics实现不同尺寸裂纹的数值模拟,并建立了长度和深度特征量的重构方程。其次通过对比,分析了蝶形图与裂纹剖面的内在关系,进一步结合图像处理法和常规线性拟合方法分别建立了两者的映射关系方程。最后,对Q235钢不同尺寸的槽状裂纹进行了检测试验。试验结果表明:基于长度和深度的裂纹剖面误差分别为5.46%和6.02%。该研究实现了蝶形图的再利用,为缺陷的风险评估方法提供了重要的参考。

2024铝合金电阻点焊与回填式搅拌摩擦点焊接头组织和性能

为了研究铝合金材料回填式搅拌摩擦点焊搭接接头与电阻点焊搭接接头的性能差异,采用2024铝合金材料分别开展了回填式搅拌摩擦点焊以及电阻点焊焊接试验。针对采用不同焊接方法获得的焊接接头的微观组织结构、显微硬度以及十字剥离强度进行了分析与对比研究。结果表明,2024铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头相对于电阻点焊接头,焊点形貌更加美观,可获得小尺寸的等轴细晶组织,不存在柱状晶组织结构,焊接接头力学性能明显提高,体现出了该焊接方法的技术优越性。

基于Unity3D立管横焊机器人虚拟现实技术研究

为提高深水立管横焊机器人在J型铺管复杂工况下的作业能力,提出一种基于虚拟现实技术的横焊机器人遥操作控制方案。以机器人三维建模、虚拟仿真、遥操作控制等技术为基础,综合运用UG和3DMAX建立横焊机器人三维模型。搭建基于Unity3D的软件开发平台,建立横焊机器人虚拟仿真模型及作业工作场景。采用图形用户界面系统设计横焊机器人遥操作人机交互界面。仿真结果表明:虚拟现实人机交互良好,能够精确捕捉立管横焊机器人的物理位姿和运行状态并进行动态调整,运动仿真和碰撞检测实时有效。

基于数据增广灰色神经网络的ACFM裂纹角度预测

交流电磁场检测(alternating current field measurement, ACFM)技术广泛应用于制造业等工业领域中金属结构物的缺陷检测。针对单传感器在非预知缺陷检测过程中存在的角度偏转及裂纹定位等问题展开了研究,首先通过COMSOL Multiphysics仿真结果可知:场强的X和Y方向分量在角度偏转的过程中存在信号互补的规律,然后通过建立比例因子进而实现了数据增广型灰色神经网络模型(data augmented grey neural network model, DA-GNNM)的预测,同时模拟预测对比回归预测可知DA-GNNM模型的预测效果较优。此外通过多梯度偏转仿真实现了偏转裂纹的重构,其次通过搭建实验平台以及信号特征提取等工作验证了DA-GNNM预测模型的合理性,平均预测误差2.56%;最后通过预测角度进一步改善了非平行检测过程中裂纹重构图像的偏转问题。

高气压环境等离子弧行为与工艺研究

等离子弧切割技术因其高效稳定的工艺优势被广泛应用于工业领域.文中以空气等离子弧为研究对象,通过COMSOL Multiphysics软件建立了喷嘴结构的二维轴对称有限元数学模型,并对电弧磁流体模型进行了优化.基于磁流体动力学和电弧等离子体理论,选用等离子平衡放电多物理场接口,并确立了空气等离子电弧模型的控制方程和边界条件,实现对电弧模型的编译求解.仿真结果表明,在引弧电流一致的条件下,随着环境压力的增加,电弧在温度分布和速度分布上均呈现收缩的态势.基于3 MPa高压焊接试验舱,搭建了高压环境等离子弧切割实验系统,通过对气路和非高频引弧电路的优化设计,实现了环境压力为0.1~0.7 MPa的稳定起弧.并基于此开展了高压梯度下的等离子弧切割实验,并结合切割质量指标研究了环境压力对等离子弧电离行为的影响.

同轴送粉TIG熔覆过程数值模拟与试验研究

为了研究同轴送粉TIG熔覆过程电弧的温度场、流场、电势分布及粉体颗粒运动轨迹,根据磁流体动力学理论建立了二维仿真模型,利用COMSOL软件对TIG熔覆电弧和粉体颗粒运动轨迹进行数值模拟。模拟结果表明:电弧形态呈钟罩形、气体流动稳定、粉体颗粒利用率高;为了验证仿真结果的准确性,开展了同轴送粉TIG熔覆试验。试验结果表明:焊缝平直无明显缺陷,实际电弧形态与模拟结果高度一致。通过金相显微镜对熔覆层进行观察,可以清晰地看出熔覆层内部组织均匀、致密。

海洋工程深水焊接新技术

在描述海洋工程深水焊接的意义与困难的基础之上,系统介绍了应用于深水的高压TIG焊接、高压MIG焊接和摩擦叠焊,对以空气为加压气体的高压TIG焊接、外加纵向磁场强化高压脉冲MIG焊接熔滴过渡的技术方案与实验系统设计、水下摩擦叠焊实验装置方案设计等做了研究工作。

以空气为舱内加压气体的钨极氩弧焊接

研究了1-700 kPa空气作用下的钨极氩弧焊接。气体爆炸试验表明,压缩空气虽然不爆炸但是显著助燃,高压焊接试验舱舱内设备需要采取防燃措施。采用较大的氩气流量,可以实现高压空气之下良好的电弧和熔池保护。自动焊机用于舱内焊接时,解决了线缆密封、摄像系统适应性等特殊问题,此外,以弧长代替电压作为控制变量消除了焊接电缆影响。16Mn钢平板焊接试验证明,虽然不同空气压力、不同位置实现单面焊自由双面成形的工艺参数明显不同,但是,采用脉冲焊接均可以获得性能优良的焊接接头。

深水海底管线铺设自动焊接技术研究

针对海底管道铺设的需要,完成了管道自动焊设备研制和自动焊工艺开发。焊接工作站采用双车双枪焊接,焊接小车结构紧凑、质量轻,符合海上应用需要。自动焊设备电控系统成功实现了焊车行走同步驱动、车载计算和全位置自动焊,特别是采用CAN总线技术,不仅各个单元之间连接线缆大为减少,而且焊接系统可扩展性得到巨大提高。采用带铜衬垫的内对口器进行打底焊,背面成形良好,尤其是采用窄坡口,大幅度提高了焊接效率。管道焊接接头超声检验和力学性能试验均符合API STD 1104—2005的要求。在建造场地模拟试验的基础上,成功地进行了自动焊海上试验。

水下跨接管连接器选型设计研究

跨接管两端携带连接器,广泛用于海洋油气田水下设备之间的连接,可以采用水平或者垂直连接方式。常用的水下跨接管连接器主要是机械式套筒连接器、液压式套筒连接器,以及夹钳连接器。机械式套筒连接器结构紧凑,安装完毕,海底不留任何液压部件,但是安装时需要采用接头作动工具。液压式套筒连接器集成了全部液压操作功能,不再需要其他作动工具。夹钳连接器采用分离式闭合夹紧设计,特别适合于大口径、低压管线和立管的水平跨接。不同的连接器,以及相同的连接器在不同位置的安装,其安装流程不同、需要的配套工具也不相同。跨接管连接器选型原则主要考虑因素包括管径、连接方式和安装工具。

基于虚拟仪器平台的全数字自动控制实验仪器研制

以NI公司PCI 6024E为DAQ卡,以LabVIEW为开发软件平台,研制成功了一台基于虚拟仪器平台的全数字自动控制实验仪器。该仪器将信号生成、信号记录功能集成在一块DAQ卡上,尤其特别的是用传递函数仿真器取代了电路系统。

深水海底管道铺设焊接系统设计

为了满足南海深水油气田开发的需要,研制了以焊接工作站为核心的深水海底管道铺设焊接系统。焊接工作站配备2套独立的双炬焊接系统,焊接小车外形尺寸小、质量轻,特别适合于海管铺设工程应用。焊接工作站控制系统采用CANOpen现场总线和网络技术,不仅增加了系统柔性和可靠性,而且实现了现场焊接设备的远程监督。

海洋工程水下连接新技术

介绍了高压TIG焊接技术以及北京石油化工学院水下连接研究小组在该领域取得的成果,特别针对深水应用的要求,介绍了几种具备较好应用前景的新技术,即高压MIG焊接、搅拌摩擦焊接、摩擦叠焊和径向摩擦焊接,最后提出了发展我国海洋工程连接技术的若干建议。

TIG焊机应用于高压焊接试验舱的关键技术

为TIG焊机成功地应用于高压焊接试验舱,解决了焊机线缆穿越高压焊接试验舱时焊接电缆、焊机测控电缆、焊接保护气管的密封问题,以及应用于高压焊接过程的电弧熔池摄像、背面焊缝成形摄像、钨极焊丝摄像和舱内场景摄像问题。

API X65管道深水铺设GMAW横向焊接温度场

为了应对管道深水铺设GMAW横向焊接熔池下坠、窄坡口、无衬垫等挑战,建立了管道三维模型并进行了网格划分,利用材料软件生成了API X65温度场材料数据库,通过模拟温度场云图与实际焊缝截面的匹配校核了Goldak双椭球热源模型,管道焊接温度场分布SYSWELD软件模拟结果与实际焊接过程相符合.建立了焊接温度场测试系统,通过背孔法埋设的热电偶测量了API X65管线钢平板焊接的热循环曲线.测试曲线与SYSWELD仿真曲线具有相同的温度升降趋势,上板节点温度也均明显低于下板节点温度.采用焊缝截面平均热循环曲线作为热源进行了多道焊模拟,并进行了试验.结果表明,多道焊焊接变形是由焊接工艺参数与残余应力释放共同确定的.