铝合金变极性等离子弧焊接阴极斑点动态行为

【目的】变极性等离子弧(VPPA)焊接作为铝合金高效焊接的优质方法,逐渐受到越来越多的关注。正极性(EP)阶段电弧特性是决定铝合金稳定无缺陷焊接的关键,阴极斑点的动态行为及其热力作用是EP阶段最主要特征。该文主要针对VPPA阴极斑点运动规律及其影响机理开展研究。【方法】搭建试验平台,利用高速摄像拍摄阴极斑点动态过程,采用MATLAB对图像进行处理,得到清晰的斑点移动过程,分别以单个斑点和斑点簇为研究对象综合分析其运动规律。【结果】结果表明,阴极斑点的运动区域主要在距熔池中心5~16 mm环状区域内,且阴极斑点是从里向外清理氧化膜的;新的阴极斑点大概率出现在上一个阴极斑点附近,原因可能是金属蒸气形成的等离子云团促使电子发射所致。以宽度为1 mm的环状斑点簇为观测目标,可近似得到其从中心向外围扩展速率范围大致在1.75~2.25 m/s之间,而单个斑点的速度会远远大于这个斑点簇向外沿伸扩展的速度。【结论】斑点高电流密度、高热量的特性对铝合金VPPA焊接的成形有着重要的影响。

基于ReliefF算法的钛合金电弧增材沉积层尺寸与光谱特性的相关性分析

电弧增材制造具有沉积效率高、成本低、沉积形状和尺寸不受限制等优点,而目前电弧增材制造成型件的成型精度难以精确保证。沉积层尺寸作为评价构件成型质量的标准之一,对判断加工质量以及缺陷补偿至关重要。实时监测电弧增材制造过程中沉积层尺寸的变化状态,对于优化工艺参数,确保增材制造构件的成型质量具有重要意义。电弧光谱信息可以反映电弧状态,电弧状态与成型质量密切相关,因此研究电弧光谱与沉积层尺寸的关系具有重要意义。以钛合金(TC4)材料作为基板和焊丝,电弧等离子体光谱信号为研究对象,研究GTAW增材电弧光谱特性与沉积层尺寸的相关性。搭建光谱采集系统,采集熔池上方、熔池外围、钨极下方不同位置的电弧光谱信号。基于谱线分离性高原则,分别选取波长为404.20 nm的TiⅠ谱线、波长为416.36 nm的TiⅡ谱线、波长为420.20、434.81、480.50和487.98 nm的ArⅡ谱线以及波长为696.54和794.82 nm的ArⅠ谱线,提取其谱线的峰强特征,结合ReliefF算法分别挖掘不同谱线强度特征与沉积层尺寸的相关性。结果表明,三组位置的所有谱线中熔池上方的波长为404.03 nm的TiⅠ元素谱线、416.36 nm的TiⅡ元素谱线以及794.82 nm的ArⅠ元素谱线谱峰强度特征与沉积层尺寸具有较强的相关性。分别研究相同位置的不同谱线峰强特征与沉积层尺寸的相关性差异,结果表明熔池上方与沉积层尺寸相关性最大特征谱线为波长696.54 nm的ArⅠ谱线、熔池外围和钨极下方与沉积层尺寸相关性最大的特征谱线为波长794.82的ArⅠ谱线。为减小随机误差,采用PCA算法将三个电弧光谱采集位置上与沉积层尺寸相关性最大的谱线对应的强度特征进行融合,获得新的融合特征,结合K近邻算法建立沉积层尺寸预测模型,分别计算这四个特征预测样本类别的准确率,发现融合特征预测样本所属的沉积层尺寸的准确率更高。基于此新特征结合阈值分割法实现动态监测沉积层尺寸变化。

基于分裂阳极的非柱对称电弧电流密度分布测量方法

电弧是弧焊过程中熔池金属熔化的能量来源,分裂阳极法是电弧阳极能量密度直接测量的有效方法之一.常规分裂阳极法是建立在电弧为柱对称结构的基础上,不适用于非柱对称电弧的阳极电流密度测量.试验提出在两条相互垂直的路径上依次进行分裂阳极电流数据采集的新方法,引入表征电弧不对称度的特征参量,进行椭圆环分割,以计算电弧阳极电流密度分布,修正分裂阳极法.通过预设的二维高斯分布的电流密度模型,检验了修正的分裂阳极法的可行性.结果表明,采用修正的分裂阳极法可以有效计算出电弧阳极电流密度分布.利用修正后的分裂阳极法实现了非柱对称侧向压缩等离子弧阳极电流密度的测量,与x方向相比,侧向压缩的等离子弧在y方向压缩明显,呈现典型的非柱对称特性.

6061铝合金磁控钨极氩弧焊接电弧特性的模拟研究

以6061铝合金磁控钨极氩弧焊(GTAW)的焊接电弧为研究对象,建立GTAW三维模型,对比分析了无外加磁场和外加横向磁场作用下焊接电弧的电流密度、洛伦兹力以及温度场的变化规律。结果表明,未施加磁场时,电弧具有高度的对称性,内部电流密度最大值达到了2.66×10^(7)A/m^(2),洛伦兹力最大值达到了1.21×10^(5)N,电弧最高温度达到14862.4 K,径向上电流密度呈单峰分布,洛伦兹力呈双峰分布。随着横向磁场的施加,电弧发生偏转,洛伦兹力迅速增大,在磁场强度为0.2 m T时,洛伦兹力最大值增大到1.51×10^(5)N。偏转后电弧弧长增加,电势增大。

低合金高强钢焊丝熔滴过渡形态及飞溅分析研究

利用高速摄像系统对自主研发低合金高强钢焊丝焊接过程的熔滴进行拍摄,分析整个焊接过程中的熔滴过渡模式与飞溅产生机理,研究合金元素与焊接热输入对焊丝的熔滴过渡形态产生的影响。试验结果表明,焊接过程中出现了滴状过渡、短路过渡、射滴过渡3种熔滴过渡模式与电弧力引起的飞溅、爆炸飞溅、熔池偏飞、颗粒偏飞4种飞溅形式。合金元素含量改变了熔滴的物理化学性质,焊接热输入改变熔滴的受力与熔滴熔池形态,从而改变了焊接过程中熔滴过渡与飞溅形式。通过综合比较分析,发现#3焊丝的焊接过程电弧最稳定,飞溅最小。

基于VMD的MAG焊输入端电信号频域分析

通过电信号采集平台,对焊机输入输出端电信号进行同步采集.分析弧焊电源整流电路,对输入电信号进行整流处理得到输入电压与电流,最终计算得到弧焊电源的输入功率.经过对比发现输出电流与瞬时输入功率峰值变化趋势基本一致.论述了变分模态分解(VMD)原理及方法,并对瞬时输入功率进行分解,得到一系列特征BLIMFs信号.通过对不同过渡模式(大滴过渡、短路过渡和混合过渡)下瞬时输入功率信号、特征IMF信号和焊接输出电流信号在频域上的对比分析,发现VMD能够有效得到低频(IMF1)、中频(IMF2)和高频信号(IMF3),且中频和高频信号表现出了焊机不控整流的脉动信息(300 Hz)以及电网的干扰.而低频IMF1信号与焊接输出电流信号频域一致性良好,并在时域上也有良好的一致性.结果表明了通过对输入瞬时功率的VMD,其低频分量能够有效表征焊接过程,从而为从输入端评定过渡过程稳定性提供了一种新思路.

基于工程应用的CW-GMAW熔滴过渡形态表征

综述了涉及工程应用的冷丝熔化极气体保护焊(Cold wire gas metal arc welding,CW-GMAW)熔滴过渡形态特征。结果表明,在大电流、强规范、富氩混合气体保护下,CW-GMAW工艺的熔滴过渡形态呈喷射过渡;当电流较小、电弧电压较低时,可能为滴状过渡,甚至在弧压很低时,呈现短路过渡形态。该工艺电弧发生偏向冷丝的位移,弧长变短甚至发生短路,与冷丝送进速率比增高及冷丝在电弧中产生大量金属蒸气时弧柱电阻下降有关。在具有富氩混合保护气体的相同工艺参数下,CWGMAW转变电流比GMAW降低了4%~7%。焊接工艺参数对CW-GMAW和GMAW工艺熔滴过渡形态的影响规律大致相近,但前者因涉及冷丝送进速率比和电极焊丝送进速度,以及它们的匹配等,使焊接电流的影响更为复杂。

交流及脉冲GTAW铝合金焊接电弧温度及其形态数值模拟研究

控制钨极氩弧焊接(GTAW)的焊接电弧温度、形态等特性是制定其焊接工艺、提高其焊接质量与效率的措施之一。采用数值模拟研究方法,研究了6061铝合金GTAW焊接过程钨极氩弧温度及其形态,对交流及脉冲钨极氩弧温度及其形态进行了比较与分析,阐述了随焊接电流变化钨极氩弧温度及其形态变化规律。研究结果表明,在交流钨极氩弧焊接电流方向变化时焊接电弧将熄弧,其温度下降;焊接电弧形态基本保持钟罩型,其高温区域发生变化;在交流钨极氩弧达到稳定状态时,正接焊接电弧温度较反接的高,焊接电弧高温区域距工件更近,焊接电弧径向尺寸较反接的大;脉冲电流钨极氩弧焊接过程不会熄弧;从峰值到基值焊接电流过渡过程中,焊接电弧沿径向收缩,相反,焊接电弧沿径向扩张,其形态似“腰鼓”状;脉冲基值电流焊接电弧温度较峰值电流的小。

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。

Inconel-52M焊丝高频脉冲TIG电弧及熔池流动行为研究

基于高速摄像机和图像处理技术,分析了脉冲频率(0~60 kHz)对焊接电弧和Inconel-52M镍合金焊丝熔池流动行为的影响及其作用规律.结果表明,在常规低频脉冲电流上复合高频脉冲电流会使电弧形态显著收缩,随着高频脉冲频率的增加,电弧弧根尺寸逐渐减小.与常规低频脉冲焊相比,高频脉冲电弧的整体面积减小,核心区面积及其占比增加,电弧能量集中度和温度(能量)得到提高.在高频脉电流的作用下,电弧轴向压强和径向电磁力增大,最大可分别提高18.0%和8.1%.电弧轴向电磁压强增大导致熔池流动性增强,使焊缝液态金属流动更充分,从而易形成大焊缝宽度和低润湿角的焊缝形貌.

Inconel625合金和TC11合金的短电弧加工特性分析

利用短电弧加工系统对Inconel625合金和TC11合金在不同电加工参数下加工,研究了电参数的变化和电加工高温对该材料的加工性能、金相组织及硬度变化的影响。结果表明:该加工技术对两种难加工材料均具有较明显的去除率,高电压加工去除率更高,但加工表面较粗糙,而低电压加工会获得较好的表面质量。受电加工热能影响,材料金相组织均发生转变,晶粒细化明显,Inconel625合金形成318.6μm厚的热影响层,其硬度提升16.9%;TC11合金形成175.2μm厚的热影响层,其硬度提升32.8%,两种材料的性能变化均能满足后续的精加工要求。

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.

AZ91镁合金冷金属过渡熔敷过程稳定性分析

与典型冷金属过渡(Cold Metal Transfer,CMT)电参数波形相比,改进后CMT电参数波形的短路过渡阶段新增了一个脉冲阶段,从而保证了稳定的镁合金熔敷沉积过程。通过分析镁合金的性能及CMT短路过渡阶段的熔滴受力情况,探究了在典型CMT电参数波形下镁合金熔敷时产生飞溅的原因,同时研究了改进后CMT电参数波形下短路基值阶段电流值I_(sc2)对熔滴过渡稳定性的影响。结果表明,短路峰值阶段可以促使熔滴在短路过渡时形成颈缩,从而有助于实现稳定无飞溅的熔滴过渡过程。当I_(sc2)较小时,会导致形成的颈缩较粗,液桥难以自然断裂;而当I_(sc2)较大时,颈缩处会具有较大的电流密度,从而导致液桥容易在大热量的作用下气化爆断。使用改进后CMT电参数波形进行镁合金熔敷时,在12 m/min的送丝速度下,仍可以保证熔敷过程稳定可控。

激光与电弧相互作用时的电弧形态及焊缝特征

激光与电弧的复合热源在焊接过程中 ,由于激光的压缩与引导作用 ,可以在焊接速度增加时 ,电弧仍然较稳定。在去掉激光同轴保护气流而只采用TIG的保护气体进行保护时 ,由于激光同轴气体的冲击、压缩和冷却作用的消失 ,等离子气体将会随着电流、激光功率的增加而增大 ,因而引起焊缝横截面的变化。通过调整激光与电弧的规范参数 ,并用CCD摄取各参数下的电弧图像以分析等离子体的长大情况 ,然后将得到的焊缝沿横截面剖开。通过对各种参数下等离子体图像和焊缝横截面之间的相互的关系进行分析 ,得到与常规情况下相比熔宽较宽而熔深较浅的焊缝的焊接参数。这种产生涂敷型焊缝的参数可用于高速表层涂覆。

外加纵向磁场GTAW焊接机理——Ⅰ.电弧特性

针对外加纵向磁场ＧＴＡＷ（ｇａｓ ｔｕｎｇｓｔｅｎ－ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ）焊接过程，采用红外热像伪着色法测定了外加纵向磁场 ＴＡＷ焊接电弧的温度场，并建立了外加纵向磁场ＧＴＡＷ焊接电弧热流密度径向分布模型，对焊接电弧外形的变化，焊接电弧电流、电压与外加纵向磁场强度变化的关系进行了研究．

水下焊接高压空气环境下GTAW电弧特性

利用自制的高压干法水下焊接模拟试验平台，首次系统研究了高压空气环境下GTAW电弧特性。结果表明，空气环境下GTAW电弧的安全压力范围可高达0．7MPa；高压空气环境下的GTAW电弧电压值为12～19V，略高于同样压力的氩气环境下氩弧值，其电弧静特性在电流大于50A时呈上升特性；随着空气环境压力升高，GTAW电弧的弧柱电场强度与阴阳极压降增加，导致电弧静特性曲线上移，其上升率约为5-10V/MPa。在试验数据的基础上，建立了高压空气环境下的GTAW电弧电压数学模型，该数学模型可用于综合分析计算电弧长度、环境压力和焊接电流对GTAW电弧电压的影响。

焊接电弧光谱信息的基本理论和基本方法

电弧光谱信息是继电弧电信息后的一种新兴的信息源 ,对发展焊接过程自动控制技术有重要意义。有关它的基本理论和基本的测控方法对阐明和应用电弧光谱信息技术有重要作用。利用等离子体物理学和光谱学的现有理论 ,组织起包括 12个物理方程的方程组 ,作为电弧光谱信息的基本理论。对基本理论的 12个方程进行分析 ,得出了电弧光谱信息是电弧状态和状态变化的反映 ,它是反映电弧过程的最丰富的信息源的基本观点。从已建立的基本理论还可以得出电弧光谱信息测控的基本原理和基本方法 。

波控CO_2短路过渡焊的电弧行为

在基于CO_2短路过渡焊存在的飞溅和成形问题的物理本质所提出的波形控制方案的基础上,对CO_2短路过渡焊波形控制过程中存在的断弧和电弧偏吹等电弧行为进行了电参数波形检测和高速摄影研究,分析了所采用的波形控制方案在特定条件下存在的问题,指出了在波形控制燃弧阶段进程中应注意控制的精确化而不是波形之间简单的切换,这样才能保持燃弧过程及整个短路过渡过程的稳定性。

镁铝异种金属激光-TIG复合热源焊焊接性分析

采用激光-TIG复合热源和TIG焊接异种金属镁和铝,利用X射线衍射仪、金相显微镜和扫描电镜研究镁和铝焊接接头的微观组织、元素分布。结果表明,TIG焊接镁和铝形成连续的金属间化合物层,导致镁和铝接触的界面开裂,不能实现有效的连接。激光-TIG复合热源由于其焊接速度高和对熔池的快速搅拌作用,使镁和铝形成的金属间化合物由连续的层状变成弥散的状态,改善了异种金属镁和铝的焊接性。镁和铝激光-TIG复合热源焊接的焊缝成形均匀,美观。

气保护药芯焊丝熔滴过渡的形式及特点

根据气保护药芯焊丝的特点 ,设计了以激光为背光的高速摄影试验。基于试验结果 ,总结出了药芯焊丝熔滴过渡的各种形式及存在条件并分别做了描述 ,阐述了药芯焊丝熔滴过渡的特点。认为药芯焊丝的熔滴过渡形式与实芯焊丝相比 ,既有共同点 ,又有不同点。与实芯焊丝熔滴过渡过程相比 ,药芯焊丝熔滴过渡的特点是 :焊丝端部与熔池之间始终存在着半熔化状态的渣柱 ,其长度取决于药芯材料的熔点。由于熔滴可附着于渣柱周围以附渣的形式进行过渡及渣柱的导向性等 ,因此除短路过渡以外 ,渣柱在一定程度上有利于稳定熔滴过渡过程和减少飞溅。