基于含避障角人工势场法的机器人路径规划

针对基于距离的人工势场法(Artificial potential field, APF)存在的局部极小值问题,提出了一种含避障角的人工势场法的避障路径规划方法。在平面环境中,采用斜率判定路径规划过程中的位置关系,通过机器人当前点到障碍物的距离与障碍物的影响半径二者之差得出人工势场法中的排斥力,并对排斥力的偏转角进行调整;另外,在空间环境中利用圆弧插补理论将机器人平面避障问题转换为空间避障问题;基于机器人构型配置对改进人工势场法进一步完善以满足实际避障要求。仿真和实验研究结果表明,含避障角的人工势场法,在单个或多个障碍物环境中进行避障路径规划时解决了局部极小值的问题,同时实现了6自由度机器人末端在避障时的轨迹曲线平滑无振荡,验证了所提出避障路径规划方法的可行性。

多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的动力学响应分析

为了研究均匀/梯度多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的耦合响应过程和多胞子弹对夹芯梁的加载效果,对该冲击过程开展了理论分析、数值模拟和试验研究:通过将泡沫夹芯梁等效为单梁以简化分析,基于多胞子弹的冲击波模型和泡沫夹芯梁的等效单梁响应模型,构建了多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的耦合分析模型,给出了冲击过程中各响应阶段的控制方程,并结合龙格-库塔方法对方程进行了数值求解;基于三维Voronoi技术,开展了均匀/梯度多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的细观有限元模拟;在多胞子弹的冲击测试平台上进行了试验研究,结合高速摄影技术获取了多胞子弹和泡沫夹芯梁的速度响应。结果表明:耦合分析模型可以准确地预测多胞子弹和泡沫夹芯梁的速度历程曲线以及多胞子弹产生的冲击压强;在初始动量相同但密度分布或初速度不同的多胞子弹冲击下,同一构型的泡沫夹芯梁展现出不同的力学响应,这说明多胞子弹的加载不能简单地等效为脉冲加载,多胞子弹与夹芯梁之间的耦合效应不可忽略;相较于均匀多胞子弹,梯度多胞子弹的冲击压力波形更加尖锐,在其衰减过程中展现出更强的非线性特征。

固溶温度对电弧增材马氏体时效钢组织和性能的影响

研究了固溶温度对电弧增材制造马氏体时效钢显微组织和力学性能的影响。结果表明:经过固溶和时效处理后,电弧增材制造马氏体时效钢枝晶间偏析区域形成了逆变奥氏体。随着固溶温度升高,时效处理后产生的逆变奥氏体面积分数减少,尺寸减小,这是由于固溶温度升高加快了枝晶间合金元素的扩散,从而降低了枝晶间奥氏体稳定化元素的偏析程度。与堆积态相比,经过固溶和时效处理后电弧增材制造马氏体时效钢强度大幅增加的同时断后伸长率几乎不变。这是由于单个逆变奥氏体晶粒内从心部到边缘机械稳定性梯度分布、不同逆变奥氏体晶粒之间机械稳定性存在差异,在拉伸应变增加过程中,不同机械稳定性的逆变奥氏体晶粒从边缘到心部依次发生形变诱导马氏体相变,产生“广谱的”相变诱导塑性效应,协调塑性变形。固溶温度增加,时效处理后的电弧增材制造马氏体时效钢强度和断后伸长率略微降低,这是由于固溶温度增加导致逆变奥氏体面积分数和机械稳定性降低,延长加工硬化阶段的能力下降,造成强度降低;同时逆变奥氏体面积分数降低在拉伸载荷下产生的相变诱导塑性效应减弱,导致断后伸长率略微降低。

高氮钢超音频脉冲GMA增材制造熔滴过渡特性

针对高氮钢增材制造熔滴过渡过程中氮元素逸出及飞溅问题,进行超音频脉冲熔化极气体保护(Ultrasonic Frequency Pulsed Gas Metal Arc,UFP-GMA)增材制造熔滴过渡试验,研究不同超音频脉冲电流叠加模式和脉冲电流频率对高氮钢熔滴过渡稳定性的影响,获取能够实现高氮钢增材稳定熔滴过渡的工艺参数。试验结果表明:在脉冲熔化极气体保护(Pulsed Gas Metal Arc,P-GMA)增材工艺条件下可以实现一脉一滴过渡,但是过渡稳定性较差,飞溅明显;在P-GMA基值阶段或基值和峰值阶段都叠加超音频脉冲电流均不利于熔滴过渡,容易出现短路、熔滴爆炸等问题;在P-GMA峰值阶段叠加低频(20 kHz)脉冲电流时,对熔滴过渡影响较弱,叠加中频(40~60 kHz)脉冲电流能抑制高氮钢熔滴过渡中大颗粒飞溅生成,提高熔滴过渡稳定性,但是当频率超过60 kHz时在过渡中会形成许多小飞溅。

SiC_(p)/2024Al复合材料热挤压对激光焊接接头组织性能的影响

采用SiC颗粒增强铝基复合材料替代铝合金制造舰船船体或装甲车体,是解决当前舰船、装甲机动性和防护性二元矛盾的潜在途径。在实际应用过程中因为供货渠道不同,此材料存在不同的状态,这对材料焊接会产生较大的影响。对不同供货状态的SiC_(p)/2024Al复合材料进行激光焊接,对比热挤压前后材料的焊缝成形情况,分析热挤压工艺对焊缝成形以及焊缝接头的物相和显微组织的影响;通过显微硬度,拉伸等力学性能测试,分析复合材料的断裂行为并确定其断裂机理。试验结果表明:热压烧结的SiC_(p)/2024Al复合材料激光焊缝中存在大量的气孔缺陷,接头的最高抗拉强度为76 MPa,仅达到母材强度的28%,焊接后材料强度下降严重;采用热挤压后的复合材料进行激光焊接,焊缝完整,无气孔缺陷,接头没有出现明显的低硬度区域,接头的抗拉强度达到124 MPa,相比于热挤压前的材料焊接接头抗拉强度上升60%;相较于热压烧结的材料,热挤压后的材料焊接性明显增强,接头力学性能有明显的提升。

电弧增材镍铝青铜的组织与性能

镍铝青铜合金由于其在海水中的高耐腐蚀性能、抗生物污染性能和良好的抗空化冲击性能,被广泛运用于船舶螺旋桨的制造,但传统的铸造镍铝青铜由于材料成本过高,并且性能已不再适用于现今越来越高的要求.为了获得性能优异的镍铝青铜构件,采用了电弧增材制造技术成功制造了镍铝青铜合金构件,研究了铸造镍铝青铜和电弧增材的镍铝青铜的微观组织和力学性能的差异.结果表明,与铸态镍铝青铜合金相比,电弧增材制造的镍铝青铜合金有更细小的微观组织,κⅠ相的析出被抑制,绝大多数的β′相转变为α+κⅢ的共析组织,元素分布更均匀.与铸态镍铝青铜相比(545 MPa,20%),电弧增材制造的镍铝青铜构件展现了更加优异的力学性能,极限抗拉强度达到700 MPa,断后伸长率达到38%.

高氮不锈钢光丝同轴激光增材组织与性能研究

为研究光丝同轴激光增材技术在制备高氮不锈钢块体材料中的应用潜力,采用直径1.2 mm、氮含量为0.71 wt.%的高氮钢丝材,通过光丝同轴激光增材技术进行多道多层增材试验。利用工业CT扫描、氮含量分析、组织形貌观察、物相分析及力学性能测试等方法,对增材块体的内部质量、氮含量、微观组织及力学性能进行了系统研究。结果表明,增材块体中存在少量未熔合缺陷,主要分布在底部,且一般出现于每一层的前两道附近,等效直径主要分布于200~300μm。内部存在大量细小孔洞状低密度缺陷,其体积占比为0.073%,其中约90%的等效直径区间为1.5~7.5μm。中部和顶部的氮含量都在0.66 wt.%以上,氮损失均低于7.5%;底部氮含量降至0.58 wt.%,氮损失为19%。物相分析表明,增材块体主要为奥氏体γ-Fe相,通过SEM和EDS可发现基体材料中存在少量α-Fe枝晶和Mn的氧化物。金相观察发现,增材块体主要由细小的柱状晶和等轴晶组成。增材块体底部力学性能较好,中部各向异性较小。其增材方向上的硬度分布为315~355 HV,且底部明显高于中部和顶部。块体中部增材方向抗拉强度875 MPa,屈服强度为679 MPa,延伸率为50%;行进方向抗拉强度为908 MPa,屈服强度为685 MPa,延伸率为34%。此外,块体底部行进方向的抗拉强度为997 MPa,屈服强度为770 MPa,延伸率为43%。本研究证实了光丝同轴激光增材技术制备高氮不锈钢块体材料的可行性,为高氮不锈钢增材制造技术的开发和应用提供了重要的理论依据和技术支持。

基于PTA工艺的高氮钢熔滴过渡特性

丝材+电弧增材制造(wire and arc additive manufacturing, WAAM)适用于一体化成形大型复杂结构组件,在保证高氮钢增材结构件性能的同时,进一步提升高氮钢丝材的沉积速率,需要对不同直径高氮钢丝材的等离子弧增材工艺特性进行研究.通过设计不同的送丝高度和送丝速度对高氮钢增材过程中的飞溅行为,及焊道N元素含量的变化进行研究,分析等离子弧增材制造中HNS6-N5高氮钢丝材的熔化特性和飞溅过程.结果表明,送丝速度和送丝高度决定了高氮钢熔滴的过渡模式,也影响了焊道成形与工艺稳定性.在相同的热输入下,随着送丝速度的减小,熔滴的飞溅行为更加剧烈,同时焊缝中的N元素含量呈现下降趋势,随着送丝速度的增加,焊缝中的N元素含量逐渐增加,综合调节丝材直径、送丝速度与送丝高度可以获得过程稳定、熔滴过渡飞溅、焊缝氮含量高、熔覆效率高的增材效果.

焊丝成分对高氮钢CMT+P焊工艺性的影响

为提升高氮钢焊接质量和优化焊接工艺,研究焊丝氮、锰含量带来的焊接工艺稳定性。采用冷金属过渡加脉冲(Cold Metal Transfer plus Pulse,CMT+P)焊技术对5种高氮钢焊丝进行焊接试验,研究焊丝成分对电信号、熔滴过渡、飞溅率的影响。研究结果表明:氮含量的增加会引起电信号波动变大且分布离散,而锰含量的变化对电信号的影响较小,焊丝中氮含量对高氮钢CMT+P焊接稳定性影响大于锰含量的影响;随着氮含量的增加,熔滴过渡模式由一脉一滴转变为多脉一滴,熔滴形状不规律且尺寸变大,焊丝工艺性变差;当焊丝中氮、锰含量较小,分别为0.42%、7.19%时,焊接工艺稳定性较好;氮逸出、锰蒸发导致高氮钢熔滴剧烈爆炸产生大量飞溅,焊接飞溅率随着氮、锰含量的增加而不断增大。

电弧增材制造不锈钢动态加载绝热剪切带内组织研究

绝热剪切失效是增材制造金属材料在高应变率载荷下的重要失效方式。使用电火花从冷金属过渡电弧增材技术制备的316L不锈钢单壁上沿着制造方向和扫描方向割出动态加载圆柱试样(尺寸为φ4 mm×4 mm)。采用分离式霍普金森杆对增材制造316L试样在应变率4 000到6 000 s^(-1)下加载至绝热剪切状态,研究了其动态剪切变形行为特别是剪切带内微观组织特征结构。不同应变率动态加载下,电弧增材制造316L不锈钢的动态应力首先由于应变硬化而增大,随后绝热剪切热软化与应变硬化的平衡导致了动态变形最后阶段的应力平台效应。绝热剪切带中亚晶经历了动态再结晶过程,具有与基体完全不同的等轴晶形貌,晶粒尺寸大约在200~300 nm。动态剪切复杂热力过程导致剪切带内的亚晶形成了双重织构,既有与基体一致的沿着压缩方向的<110>丝织构,也有与宏观剪切方向相关的晶体学织构,即(111)沿着宏观剪切面,<112>沿着宏观剪切方向。不同剪切带的等轴亚晶都有大量残余Σ3 60°晶界,同时存在与基体相同的孪生织构,可以证明孪生再结晶是绝热剪切带内亚晶主要的动态再结晶机制。宏观绝热剪切带发展路径沿着压缩面35°的对称路径发展,这除了符合动态加载下试样中最大应变和热场分布的外加物理条件,还符合剪切面(111)与基体(110)面交角为35.2°的晶体学条件。此外,基体中存在大量微观局部变形带来承载应变,微观局部变形带内亚晶也具有与基体孪晶组织不同的位向和形貌。

超声振动辅助电弧增材制造2219铝合金的显微组织及力学性能

在附加与焊枪同步运动的超声振动辅助条件下,采用电弧增材制造技术制备2219铝合金单道多层沉积件,并分析其显微组织与力学性能的变化。结果表明:附加超声振动后试样的晶粒明显细化,晶粒粒径在20μm以下的比例由29.32%提升至46.59%,平均粒径由36.80μm下降至30.19μm。同时,在试样的显微组织中出现了大量的亚晶区。经附加超声振动后,试样的显微硬度由79.9HV提升至93.8HV,试样在竖直方向上的拉伸性能得到了一定程度的强化,水平方向上的屈服强度也有所提升,但伸长率显著下降,这可能与拉伸件中存在的缺陷相关。

316L不锈钢超薄板激光焊接头微观组织及力学性能研究

为了探索316L不锈钢超薄板在换热器、金属极板等领域的应用,采用脉冲激光器对0.15 mm厚316L不锈钢板进行激光焊接工艺实验,并对焊接接头的微观组织和力学性能进行了分析。结果表明:当激光功率为90W、焊接速度为25 mm/s、脉冲频率为90 Hz、激光焦距为-1.5 mm时,能够得到单面焊双面成型、表面光滑无缺陷的焊接接头。焊缝区由细小的等轴晶组成,硬度高于母材区的,焊接接头的抗拉强度约为539.5 MPa,达到母材的86.8%,断后伸长率约为30.5%,达到母材的75.7%。

CMT Cycle Step工艺参数对焊缝表面特征纹路及成形尺寸的影响

采用CMT Cycle Step焊接工艺进行平板堆焊正交试验,研究了送丝速度、焊接速度、熔滴数量和间隔时间四个参数对焊缝表面特征纹路及成形尺寸的影响,建立了各参数与焊缝表面鱼鳞纹步长S、焊缝熔宽B、堆焊层厚度h之间的回归模型.结果表明,随着焊接速度、熔滴数量和间隔时间的增大,焊缝表面鱼鳞纹步长S呈逐渐增大的趋势.适当减小焊接速度和间隔时间,可有效减小焊缝表面高度差Δh,提高焊缝表面成形质量.随着送丝速度和熔滴数量的增大,焊缝熔宽B和堆焊层厚度h均逐渐增大;随着焊接速度的增大,焊缝熔宽B和堆焊层厚度h逐渐减小.根据理论分析和回归分析得到准确性较高的回归方程,为预测焊接焊缝成形以及优化焊接工艺参数提供理论依据.创新点:(1)系统研究了CMT Cycle Step焊接工艺参数对焊缝成形的影响规律,有助于采用该方法解决点焊、热敏感材料焊接、电弧增材制造等领域的相关技术难题.(2)建立了CMT Cycle Step焊接工艺的送丝速度、焊接速度、熔滴数量和间隔时间四个参数对焊缝表面特征纹路及成形尺寸回归模型,为预测焊缝成形以及优化焊接工艺参数提供理论依据.(3)对CMT Cycle Step焊缝表面特征纹路—鱼鳞纹进行量化评价,探究工艺参数对焊缝表面鱼鳞纹步长S和表面高度差Δh的影响规律,有利于获得高表面平整度的焊缝.

等离子弧增材低碳贝氏体钢组织与性能分析

采用等离子弧增材工艺制备了成形良好的贝氏体钢构件,研究了其力学性能和微观组织.结果表明,增材构件的微观组织主要由板条状贝氏体、粒状贝氏体和少量奥氏体组成.增材构件组织和力学性能存在局部差异:顶部组织晶粒比较粗大,主要由板条状贝氏体和奥氏体组成,显微硬度平均值约为365 HV;底部区域组织晶粒比较细小,多为粒状贝氏体,显微硬度平均值约为384 HV;构件整体平均冲击韧性为145 J/cm^(2),平均拉伸强度和断后伸长率分别可以达到955 MPa和11.7%,其中x方向的拉伸强度为945 MPa,略小于y方向的抗拉强度(963 MPa)和z方向的抗拉强度(958 MPa),说明构件抗拉强度不存在明显的各向异性,断口为韧性断裂.创新点:(1)利用贝氏体钢药芯焊丝等离子弧增材复杂结构件.(2)分析十字交叉路径下的构件微观组织和力学性能.(3)阐明等离子弧增材贝氏体钢相较于其它电弧增材优缺点.

Q235钢薄板激光焊接头微观组织与力学性能

为了探索光纤激光在焊接薄板低碳钢中的应用前景,文中采用光纤激光焊接系统分别对0.5 mm和1 mm厚Q235钢板进行了激光焊工艺试验,并对所得到的焊接接头的微观组织和力学性能进行了分析。通过调节激光功率、摆动频率等工艺参数,2种厚度的Q235钢板均可获得单面焊双面成形、无明显缺陷的焊接接头。厚0.5 mm板焊缝区主要由板条马氏体组成,硬度和抗拉强度均高于母材的,断后伸长率为33.1%,约为母材的79%;厚1 mm板焊缝区呈胞状树枝晶组织,主要由铁素体、珠光体和贝氏体组成,硬度和抗拉强度均高于母材的,断后伸长率为34.5%,约为母材的75%。

等离子弧增材交织结构的组织与力学性能

采用等离子弧增材贝氏体钢−316L不锈钢异种金属交织构件,该结构件整体无缺陷,成形良好,有良好的综合力学性能,突破了传统材料的“强−韧”性矛盾。通过显微组织观察和力学性能测试,研究了交织金属不同成分比例对交织结构力学性能的影响。结果表明,结构件在贝氏体钢区域的组织为板条状贝氏体和残余奥氏体,不锈钢区域主要为奥氏体和铁素体,交织部分存在重熔区,重熔区晶粒细小,其中贝氏体钢部分组织为粒状贝氏体和薄膜状的残余奥氏体,不锈钢部分组织主要为等轴晶。拉伸和冲击试验表明,随着不锈钢含量的增加,结构件的抗拉强度下降,其冲击性能上升,当不锈钢含量比较低时,其抗拉强度达到1200 MPa以上,断后伸长率为9.5%,平均冲击吸收能量为159.25 J/cm^(2),具有良好的强韧性,冲击断口为韧性断裂。

基于非负矩阵分解的熔池图像识别方法

为探求视觉传感智能识别焊接缺陷技术,利用电荷耦合器件(CCD)相机采集了熔化极气体保护焊(GMAW)熔池图像,分析了不同工艺条件下熔池动态变化过程及所对应的焊接缺陷,提出利用非负矩阵分解法对熔池图像进行解析,得到熔池图像的特征矩阵。通过最小二乘法计算未知焊接过程测试图像在特征矩阵的投影值,给出了焊接缺陷的自动识别方法。研究结果表明,焊接质量和熔池稳定程度有关联,熔池紊乱表现为熔池轮廓波动、浮渣离散等特点,熔池稳定程度下降伴随着焊接质量的下降,以及焊缝出现缺陷。利用非负矩阵分解法得到的熔池图像特征矩阵,能够对原始图像进行整体性描述(如熔池轮廓)和局部性描述(如浮渣区域、电弧区域等),具有物理可解释性,可用于识别焊接缺陷。

5A01铝合金薄板激光摆动焊接接头微观组织与力学性能

传统弧焊焊接铝合金时易造成焊缝区晶粒粗大、产生气孔等缺陷。因此采用激光摆动焊对1.0 mm厚5A01铝合金薄板进行试验研究,并对接头微观组织及力学性能进行分析。结果表明,在表面聚焦条件下,当焊接速度40 mm/s,激光功率1600 W,脉冲频率5000 Hz,摆动频率110 Hz,摆动幅值0.5 mm时,能够获得成形良好、表面无缺陷的焊接接头;接头熔合区附近的晶体形态呈柱状晶,焊缝中心部位晶体生长为细小的等轴枝晶;从母材区向焊缝区硬度逐渐降低,接头抗拉强度约为母材的66%,断后伸长率约为母材的41%,断裂形式主要为韧窝断裂。接头力学性能明显下降,主要是由于气孔处易产生应力集中,且激光焊能量集中,导致薄板受热不均产生较大内应力。

超音频MIG辅助三丝电弧增材制造工艺研究

多丝多弧的增材技术具有更高的成形效率,但是较大的热输入会影响形貌和性能,因而引入超音频电弧以达到细化晶粒并提高熔深的目的。以316L不锈钢作为试验材料,采用MIG焊工艺,自主搭建超音频三丝电弧增材制造平台,基于单丝单道模型,进行了三丝单道单层以及三丝单道多层增材工艺试验研究。结果表明,30 kHz超音频电弧可显著细化熔敷道组织并破坏树枝状结构,横向和水平平均抗拉强度分别提高了81 MPa和23 MPa,水平平均断裂延伸率从18.5%提升到39.3%,且整体提高试件的显微硬度。但若频率过高,超声波带来的能量会过高,从而减缓冷却速度,导致晶粒粗化。

弧焊机器人离线编程系统

针对SK6弧焊机器人设计研究了弧焊机器人离线编程系统 (AWOPS) ,该系统由几何特征提取及建模模块、焊接姿态规划模块、焊接参数规划模块、机器人程序自动生成模块、机器人仿真及通讯模块等 6个模块组成。系统人机界面友好 ,并引入了智能化专家知识 ,系统自动化程度较高 ,本文对日文软件MRCWORD进行了探索性二次开发 ,实现了弧焊机器人离线仿真及焊枪与工件构建和计算机与机器人通讯的功能。对典型的焊缝 (马鞍型 )进行了实焊验证。结果表明 ,该系统是可行的 ,编程的效率显著提高 ,焊缝内外在质量优良。