堆焊技术发展及应用综述

堆焊技术作为制造和再制造的重要技术手段,被广泛应用于装备零件的制造或修复再制造,尤其是通过高质量翻新、延寿等技术手段,大幅削减制造新件带来的资源能源消耗和碳排放。综述了目前电弧堆焊中耐磨堆焊材料和设备发展现状、等离子堆焊及激光熔覆堆焊典型工程应用,简述了采用电弧增材作为数字化堆焊技术的大型构件制造及不规则区域修复再制造的研究发展及典型应用。此外,讨论了堆焊行业技术发展对高端堆焊材料、堆焊全周期理论研究和控制系统集成化的需求,为堆焊技术的研究技术改进和应用提供一定的参考。

应用于电弧增材制造技术的变层厚分层切片算法

在实际生产的过程中,应用电弧增材制造技术对失效模具进行修复时,会在边缘部位出现缺肉、凹陷、过堆积等成形不良的问题,从而导致熔覆层各处厚度不一、起伏较大,对实际的增材制造结果造成精度上的较大误差.为了减少上述缺陷,提出了一种变层厚分层切片算法,主要包括模型前处理、焊接参数的确定、对模型实际切片厚度的修正,并完成最终的增材制造过程.变层厚分层切片算法通过调节熔覆过程中的搭接率从而实现对成形件层厚变化的精准把握,提高成形精度的同时,还可以减少缺肉、凹陷、过堆积等缺陷.通过选取不同的模型对其进行变层厚分层切片以及对应的路径规划,验证了算法的适用性.最后,采用变层厚分层切片算法对棱台结构模型进行处理,并进行熔覆试验.结果表明,理论计算得到的填充路径可以对当前分层面实现完全填充,实际的熔覆高度和平面尺寸与理论计算值相差较小,在热积累较小的时候,成形精度可以达到工业要求.创新点:(1)相对于电弧增材制造技术中传统的等厚分层切片算法,提出了变层厚分层切片算法,能够实现在特定的焊接工艺参数下模型的计算层厚和实际熔覆层厚的相对误差保证在较小范围内.(2)解决了电弧增材制造技术在实际生产中因分层不合理导致的凹陷、过堆积等缺陷,提高了模型的成形精度.

不锈钢焊接凝固裂纹应力应变场数值模拟模型的建立

依据焊接过程的特点，本文把焊接构件分成熔池液相区、固液共存区和固相区三个区域。为了建立焊接凝固裂纹驱动力数值模拟模型，本文详细分析了这三个区域的力学行为，在实测了液态金属的凝固速率和固液态金属的加载卸载响应曲线的基础上着重研究了熔池的变形、固液共存区金属的流变性能和凝固收缩对熔池尾部应力、应变演变过程的影响。最后，采用单元死活的方法解决了熔池的变形问题，采用热、弹、塑性力学方法处理了固相区的应力、应变本构关系，从而建立了一种计算凝固裂纹驱动力的有效方法。

稀土氧化钇对高强度钢焊条熔敷金属组织和性能影响

基于Ni-Cr-Mo-V合金体系,研究了稀土氧化钇对800 MPa高强度钢焊条焊缝微观组织和性能的影响.结果表明,Y2O3含量在0~0.02%范围内变化时,随着Y2O3含量的增加,焊缝熔敷金属组织中先共析铁素体逐渐降低,针状铁素体含量逐渐增加,强度和低温冲击韧性均逐渐增加,且当Y2O3含量为0.02%时,焊缝熔敷金属低温冲击韧性达到最大值;当Y2O3含量超过0.02%时,焊缝熔敷金属组织中针状铁素体含量下降,低温冲击韧性降低.综合考虑上述因素,该高强度钢焊条中Y2O3最佳添加量为0.02%左右.

模具钢堆焊金属的强度与变形对热疲劳抗力的影响

对两种模具钢堆焊金属(3C r2W 8和HM 3)进行了外加约束Coffin型热疲劳试验。试验表明,模具堆焊金属的热疲劳抗力由其变形的难易程度决定:变形越困难,热疲劳抗力越高。研究进一步表明,材料变形的难易程度又与变温循环过程,热疲劳试样拉伸应力的增加和材料屈服强度的降低有关。屈服强度的降低是由于在循环过程中,材料的组织发生了动态变化,如动态回复、动态再结晶及第二相粒子的析出与聚集;拉伸应力的增加是由于微观组织中应力松弛的结果。

6082和ZL101铝合金低熔共晶测试与分析

焊缝金属凝固过程中,低熔共晶的熔化温度及其在晶间的分布形态对焊接凝固裂纹敏感性有较大影响。通过采用水淬法得到了6082和ZL101两种铝合金低熔共晶的分布形态;采用差热分析法测试了焊缝金属中低熔共晶的熔化温度和吸热量。结果表明,铝合金材料不同低熔共晶的成分和分布形态有较大不同,6082材料有A l-Mg2S i和A l-Mg2S i-S i+A l-A lFeMnS i两种低熔共晶,其熔化温度分别为555℃和595℃。该材料低熔共晶在晶界以薄膜状分布;ZL101有A l-S i和A l-Mg2S i-FeMgS i6A l8-S i两种低熔共晶,这两种低熔共晶在晶界以连续网状形式分布,熔化温度分别为544℃和577℃。该结果有助于进一步研究焊接凝固裂纹的开裂行为。

铝合金焊接凝固裂纹高温动态开裂行为

详细研究了5083、6082、ZL101三种铝合金的凝固金相组织,观察和记录了三种材料高温拉伸开裂动态过程及开裂后的断口特征。结果表明,材料的冶金因素制约着凝固裂纹的动态开裂行为,即材料的冶金特性不同,它们的凝固裂纹开裂模型也不同。文中由此总结了凝固裂纹的三种开裂模型。第一,裂纹形成时存在“愈合作用,”ZL101属于此列。第二,裂纹形成时伴随着金属桥的变形与断裂,如5083材料。第三,裂纹形成时晶粒是沿液膜分离,如6082。

镍基合金TIG焊接熔池及热影响区组织模拟

基于枝晶生长动力学和晶粒长大理论,采用元胞自动机法(CA)建立了焊接熔池及热影响区的微观组织演变模型.通过有限元模型计算了TIG焊接过程的温度场分布,并利用插值算法将热循环曲线应用于CA模型,计算了镍基合金TIG焊接熔池凝固过程枝晶生长及热影响区的晶粒长大.结果表明,焊缝边缘的晶核主要以柱状晶的形式向焊缝中心生长,其最终形貌取决于半熔化母材晶粒上的联生结晶及不同取向枝晶间的竞争生长,焊缝中心为等轴晶组织.焊接热影响区的晶粒长大使得熔池凝固形成的柱状晶组织粗大.模拟结果与试验结果吻合较好.

热锻模堆焊材料与工艺研究及其应用

针对热锻模的工作条件和主要失效形式,研究了CrNiWMoNb和CrWNi-MnSi两种合金系统并配制成焊条,焊丝和焊剂。这两种合金系统性能均达到:硬度HRC≥50;耐磨性与3Cr2W8相当;而耐冷热疲劳性比3Cr2W8提高一倍以上。回火稳定性和抗高温氧化性远优于3Cr2W8。采用新研制材料修复的热锻模使用寿命比3Cr2W8堆焊模和5CrMnMo整体模提高一倍以上,有明显经济效益。

热锻模堆焊材料与工艺研究及其应用

针对热锻模的工作条件和主要失效形式,研究了CrNiWMoNb和CrWNiMnSi两种合金系统并配制成焊条,焊丝和焊剂。这两种合金系统性能均达到:硬度(HRC)≥50;耐磨性与3Cr2W8相当;而耐冷热疲劳性比3Cr2W8提高一倍以上。回火稳定性和抗高温氧化性远优于3Cr2W8。采用新研制材料修复的热锻模使用寿命比3Cr2W8堆焊模和5CrMnMo整体模提高一倍以上,有明显经济效益。

冷冲模具堆焊材料及堆焊工艺

针对冷冲模具的工作条件、失效形式和性能要求,研制出CrMoWVTi合金系堆焊金属,并把它分别配制成钨极氩弧焊用药芯焊丝和焊条两种堆焊材料.试验表明,研制的材料硬度HRC≥60,耐磨性与GCr15相当,抗裂性与热作模具材料接近,是一种适合于冷冲模具堆焊修复与堆焊制造的理想材料.本文还研制了一套冷冲模堆焊工艺.采用研制的堆焊材料及相匹配的堆焊工艺成功地堆焊制造与堆焊修复了一批冷冲模具,经工况运行表明效果良好.

不锈钢焊接温度场的三维数值模拟

分别详细分析了焊接热源的三种计算模型即高斯热源模型、双椭圆高斯热源模型及双椭球热源模型的数学表达式与物理特点。利用三维有限元网格划分技术,对工件进行网格划分,并采用网格自适应技术对焊缝金属的网格进行自动加密与生成,为缩短焊接过程数值模拟时间创造了条件。在此基础上又对其中两种焊接热源模型所建立的温度场进行了计算,得到了不锈钢SUS310材料温度场的分布规律,研究了各种参数对温度场分布的影响,并与工艺试验结果进行了比较,提出了适合三维有限元分析的最佳焊接热源模型。

不锈钢焊接凝固裂纹温度场的数值模拟

进行了不锈钢焊接凝固裂纹温度场分析与数值模拟。首先将电弧看成辐射状对称并呈高斯分布的二维热流作用于工件表面，解决了电弧产热问题；其次，通过液淬 法测试金属的固相分数 随温度变化率，得到了凝固潜热释放率；最后采用增大热传导系数的方法，考虑 了熔池内流体流动对整 个温度场的影响。在此基础上，建立了二维焊接凝固裂纹温度场计算模型。此外，采用有限元方法计算了二维焊接凝固裂纹温度场，并研究了焊接规范参数及材料的热物理性能对温度场的影响，为进一步进行焊缝金属凝固裂纹应力应变场的分析奠定了基础。

开发综合性实验 培养创新能力

依据目前国内高校实验教学改革现状,在系统总结焊接实验教学存在问题的基础上,提出了基于创新能力培养的焊接实验教学新模式。实践表明,焊接综合实验项目的开发,既能满足焊接专业学生实验教学的需要,同时也为实验教学改革、全面提高教学质量探索出了一条新路。学生在完成综合实验项目的过程中接受了一次系统的科研训练,动手操作能力和创新能力得到了锻炼和提高。

不锈钢焊接凝固裂纹应力应变场数值模拟结果分析

对不锈钢凝固裂纹的驱动力即熔池尾部应变场进行了模拟。首先 ,通过单元再生方案 ,消除了焊接构件中熔池变形对熔池尾部应力应变场的影响。其次 ,通过加大材料的线膨胀系数 ,考虑了凝固收缩对熔池尾部应力应变场的影响 ,最终得到了各种条件下的焊接应力 -应变场。此外 ,本文将机械应变随时间变化的关系曲线处理成机械应变随温度变化的关系曲线 ,从而获得了凝固裂纹驱动力 ,为凝固裂纹的预测奠定了基础。

无渣含铌自保护堆焊药芯焊丝的研制

采用Fe-Cr-Nb-C堆焊合金体系,通过大量试验研制出焊接工艺性能和力学性能良好的无渣含铌自保护药芯焊丝.结果表明,在药芯中不添加任何造渣剂的情况下,药芯中各组分含量(质量分数)锰铁为12%、硅铁为6%、石墨为8%、钛铁为4%且其它组分合适时,自保护药芯焊丝的焊接工艺性能良好;该堆焊层组织由奥氏体、少量马氏体、一次碳化物及共晶物组成,随着铌含量的增加,硬度值先降后增,在铌铁含量3%时,最低硬度值为41.1 HRC.在碳含量有限的条件下,铌在焊接过程中形成碳化物质点,一方面增加了含铌硬质相,另一方面对碳化铬的形成造成影响.

硼对铁基合金粉块碳弧堆焊层成形性和耐磨性的影响

通过在铁基合金粉块中添加适量的硼,研究了硼对该合金粉块碳弧堆焊层成形性和耐磨性的影响。结果表明:在合金粉块中加入硼可以有效改善堆焊层的成形性,当硼质量分数在4.01%～4.95%时堆焊层的成形性较好;添加适量的硼可以细化合金的硬质相颗粒,增加硬质相数量,提高其显微硬度,从而提高堆焊层的耐磨性,硼质量分数为4.01%时堆焊层的耐磨性较好。

不锈钢厚板焊接凝固裂纹驱动力的三维数值模拟

利用双椭球形热源模型研究了SUS310不锈钢的三维焊接温度场,并与实验测量进行了比较.在计算温度场的基础上,重点研究了材料在凝固裂纹敏感温度区间内,焊缝金属应变场和位移场的动态场演变过程,得到了10 mm厚板的凝固裂纹驱动力曲线,并利用动态单元再生方法,消除了焊接凝固过程对应变场的影响.模拟计算得到的驱动力曲线与前人实验测量的凝固裂纹阻力曲线进行了比较,初步预测了SUS310不锈钢凝固裂纹敏感性.

不锈钢焊接凝固裂纹的三维数值模拟

焊接凝固裂纹的产生与否取决于两个方面的因素,材料凝固裂纹阻力和凝固裂纹驱动力,凝固裂纹阻力可以通过实验方法来获得,而凝固裂纹驱动力主要采用有限元计算方法得到.本文通过对SUS310不锈钢,在裂纹敏感温度区间内,焊缝金属动态应力应变场演变过程三维模拟计算的研究,得到了10 mm厚板的凝固裂纹驱动力曲线.利用动态单元再生技术,解决了焊接凝固过程的三个因素-焊接熔池的变形、初始温度的变化和凝固收缩的影响.并且模拟计算得到的驱动力与实验测量的凝固裂纹阻力曲线进行了比较,预测了焊缝金属的凝固裂纹.

大型曲轴模具失效分析及堆焊修复技术

针对某锻造厂服役条件下的大型曲轴模具寿命偏低的状况,对该类型模具失效原因进行了分析,同时对失效的曲轴模具进行了堆焊修复试验。研究表明,机械疲劳裂纹和热磨损是曲轴模具失效的主要原因,热疲劳和塑性变形一般不是此类模具失效的主要因素,但二者会加剧模具型腔的磨损,加速模具失效进程。提高模具的高温(650℃)强度、高温(650℃)冲击韧性和热稳定性等抗力指标可提高模具寿命。根据对比试验,选择国产RMD535和RMD647两种型号药芯焊丝对失效的曲轴模具进行了复合堆焊修复,经生产验证修复后的模具寿命得到显著提高,修复效果良好。