钢轨对接超窄间隙焊接的角变形

钢轨的超窄间隙对接对坡口宽度控制有严格的要求,焊接过程中的角变形直接影响坡口宽度的变化和焊后钢轨的平直度.通过钢轨的超窄间隙焊接试验,实测出焊接过程中角变形随焊层厚度的变化关系,其特征为：当焊层厚度达到13～18 mm时角变形达到最大值,当焊层厚度达到100 mm以上时,角变形不明显.在此变化关系的基础上估算出合适的反变形角度,可保证在焊接过程中坡口底部尺寸随着焊接角变形始终保持在合适的范围内.

多丝电弧焊技术及其电弧稳定性和焊缝成形

多丝电弧焊技术是重要的高效焊接工艺方法,双电源双丝气体保护电弧焊、多电源多丝埋弧焊已经有较为广泛的应用。关于多丝电弧焊工艺、电弧热源模型、电弧间相互作用等,焊接工作者开展了大量卓有成效的研究工作。根据焊丝、电弧和电源数量及电弧燃烧方式,将多丝电弧焊技术分为单电弧、多电弧和多电弧耦合三大类,在简要介绍各种多丝电弧焊技术工作原理的基础上,侧重于电弧间相互作用力和电弧燃烧规律、焊接工艺规范与焊缝成形的探讨和总结,以期促进多丝电弧焊技术的进一步研究发展和应用。

钢轨对接超窄间隙焊接试验

利用焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法,对U71Mn钢轨对接进行了探索性试验研究。使用H08Mn2Si焊丝,通过34层焊道将坡口间隙约4 mm的钢轨焊接完成,单层焊接线能量为0.6 kJ/mm。试验表明焊前预热温度大于400℃可有效消除冷裂纹。在不预热的情况下,这种超窄间隙焊接接头热影响区和焊缝的硬度较高;预热可使焊缝硬度下降到与母材相当,同时使热影响区硬度略有下降。

TIG焊电弧辅助MIG焊引弧过程分析与机理探讨

在TIG-MIG复合焊中,先引燃的TIG焊电弧能够辅助MIG焊实现非接触引弧,且在整个非接触引弧过程中不产生焊接飞溅.利用电信号与高速摄像同步采集系统获取MIG焊引弧过程的电弧电压、焊接电流和电弧图像,研究了先引燃的TIG焊电弧及其参数变化对MIG焊引弧过程及引弧方式的影响.结果表明,细长放电通道形成于MIG焊丝末端与TIG焊电弧之间是TIG焊电弧辅助MIG焊实现非接触引弧的关键;TIG焊电弧辅助MIG焊实现非接触引弧对TIG焊接参数的变化具有良好的适应性.此外,基于气体间隙击穿的流注理论,探讨了细长放电通道的形成过程,揭示了TIG焊电弧辅助MIG焊实现非接触引弧的机理.

变极性TIG焊电弧燃烧稳定性与恒占空比控制

电流换向的快速性和稳定性是影响变极性TIG焊接电弧燃烧稳定性的关键因素,尤其是在小电流变极性TIG焊时,极易出现熄弧和电弧燃烧不稳定问题.对电流换向期间的电压/电流波形深入分析发现,一次逆变采用基于PID的电流反馈控制获得恒流输出时,在电流换向结束后易产生焊接电流回调现象,小电流焊接时甚至降至零,从而导致电弧熄灭,这与PID控制中的di/dt项密切相关.提出了一次逆变在电流换向期间采用恒占空比控制新方法.结果表明,该方法可有效提高换向电流的响应速度,防止换向后的电流回调或超调,增强了变极性电流换向过程的稳定性.

430铁素体不锈钢超窄间隙焊接试验

铁素体不锈钢焊接时，需采用低热输入，以防止因热影响区晶粒粗化而导致的接头局部脆化。采用间隙宽度为3．2mm的焊剂带约束电弧超窄间隙焊接方法，对430热轧板进行焊接试验。利用底部衬条获得了熔合良好的根焊，该方法焊接热输入可低至0．32kJ／mm；热影响区窄，约为0．25mm；铁素体晶粒未严重粗化，晶粒度为5．5—6级。采用ER309焊丝，焊接接头焊缝组织为奥氏体＋板条状铁素体；在焊接热循环过程中，热影响区部分组织发生α→γ→M相变，最终组织为铁素体＋马氏体；快速冷却促使铁素体晶粒内优先析出M23C6或M23（C，N）6。焊缝与母材为高强匹配，热影响区冲击韧性与母材相当。

焊接电弧行为特征和稳定性评价研究与进展

电弧是最常用的焊接热源,对焊接电流和电弧电压的动态变化规律、电弧形态及其动态行为和特征参数等进行研究和分析,可实现对焊接过程稳定性的评价和有效控制,有助于提高焊接制造的智能化水平、焊缝成形和焊接接头质量。归纳总结了国内外学者在分析处理焊接电流和电弧电压信号以对焊接工艺稳定性进行评价、基于视觉传感和图像处理的电弧燃烧和熔滴过渡行为表征和定量分析、焊接电弧数值模拟等方面的研究和发展,以期对焊接电弧及其动态行为特征的研究方法、现状有一个全面和充分的认识,促进研究工作的深入开展和在工程实际的广泛应用。

基于图像的电弧波动行为表征及保护气体流量影响规律

焊接电弧的波动行为影响焊接工艺过程的稳定性和焊缝成形质量。借助于高速摄像并采用图像处理技术,提出了一种基于电弧图像特征的电弧波动幅度半定量表征方法,研究了保护气体流量对电弧波动的影响规律。试验和分析结果表明,受保护气流影响,电弧的波动行为以横向(电弧宽度方向)波动为主,且随着焊接电流的增加,电弧的综合波动幅度明显下降,但横向波动的比重增大。随着保护气体流量的增大,电弧的波动幅度增加,小电流焊接时,电弧波动对气体流量的变化更为敏感。研究结果可为实际焊接中的保护气体流量选择提供参考和依据。

钢轨焊接接头的静弯试验有限元建模及受力分析

钢轨焊接接头的静弯试验是评定焊接工艺和接头性能的重要方法。基于静弯试验系统的结构特征,建立了包含双接触对的钢轨焊接接头静弯接触有限元模型,分析了单元尺寸和接触刚度等接触对参数对计算时间及计算结果精度的影响,优化确定出合适的单元尺寸和接触对模型参数,并通过对比已有文献数据,证明了模型的适用性。然后根据钢轨闪光焊接头的静弯检验标准,对钢轨轨头受压(正弯)和轨头受拉(反弯)时的应力分布进行了模拟计算,获得了钢轨静弯时的应力分布特征、最大等效应力及其位置。通过对计算结果进行分析,对钢轨窄间隙电弧焊接头的强度、残余应力等提出了控制要求,可为后续钢轨窄间隙电弧焊接的工艺改进、接头质量控制和性能改善提供有价值的参考。

树脂基复合材料自冲铆工艺影响因素及研究进展

复合材料和轻质高强金属相结合的混合材料车身结构使用成为汽车轻量化的重要途径,复合材料之间及其与异质材料间的有效连接则是混合材料车身制造的关键环节。自冲铆工艺以其优质高效的特点,在复合材料连接中展现出优势和良好适用性,得到了广泛的关注和研究。总结近年来复合材料自冲铆连接的研究成果发现:复合材料与铝合金薄板自冲铆接头强度多集中在4 kN上下,强度值范围可以与金属板件间的自冲铆接头相媲美;而影响接头性能的主要因素有母材性能、铆钉结构、铆接工艺参数及服役条件等;改善接头性能的关键在于提升复合材料板的强度、降低复合材料内部铆接损伤缺陷及改善钉脚与下板的机械内锁结合性能;此外,自冲铆接头复合以胶接工艺,能够显著提升接头的综合性能。

碳纤维复合材料-铝合金自冲铆接头成形规律及力学性能

碳纤维复合材料在轻量化车身制造方面具有巨大的潜力和应用空间,而实现复合材料的有效连接则为一大挑战。采用自冲铆技术开展碳纤维复合材料和铝合金板材的连接工艺探索,总结了铆钉类型、冲铆速度和铆模尺寸对接头结构参数的影响规律,分析了冲铆过程中底切结构的形成机制,考察了不同板厚接头的强度性能及失效方式。研究发现,自冲铆接头底切值主要受到钉脚刺入下板深度及脚尖局部力矩作用的影响,且随铆钉有效长度、冲铆速度及铆模深度的提升而增加。通过工艺优化,碳纤维复合材料和铝合金板之间可得到成形结构良好的自冲铆接头,其机械内锁强度能够达到铝合金板接头的89%,而相同板厚时,复合材料自冲铆接头相比于铝合金接头的突出薄弱点在于其上板抵抗集中应力破坏的能力。

电弧焊接数值模拟中热源模型的研究与发展

焊接过程的数值模拟作为一种有效的计算手段,在焊接温度场及残余应力分布的评价中获得了广泛应用,而焊接热源模型的选择及模型参数的确定直接影响到计算和评价结果的准确性.本文通过对近年来常用的电弧焊接热源模型进行梳理,介绍了其研究进展,分析了不同热源模型的特点及适用性.高斯面热源模型和双椭球体热源模型作为基础热源模型,广泛应用于较小尺寸工件和规则轨迹的焊接过程数值模拟,且具有较高的计算精度;简化热源模型和温度替代型热源模型多用于大厚工件的多层多道焊接及复杂轨迹焊接过程的数值模拟,能够实现效率和精度的统一;多丝电弧焊接热源较为复杂,采用修正后的双椭球体叠加热源模型,计算结果能保证一定的精度;结合型热源模型对熔池形状的描述更灵活,在深熔电弧焊的数值模拟中具有优势.本文可为电弧焊接过程数值模拟的热源模型选择和模型参数确定提供有益参考.

基于极点配置的逆变焊接电源最小拍控制及其稳定鲁棒性

最小拍控制律应用于基于全桥功率变换电路的逆变焊接电源恒流输出控制,具有良好的动态性能,然而最小拍控制对焊接回路的电感值变化较为敏感,系统的稳定鲁棒性较差。电源输出电缆会给焊接回路带来额外寄生电感,并将有可能导致最小拍控制失稳。采用极点配置法对最小拍控制律进行改进,能够有效提升控制系统对电感值变化的适应能力。实验结果和研究表明:系统的鲁棒性随着配置极点的个数和极点与原点间距离的增加而增强,但动态性能会受到一定影响。通过调整配置极点的个数和位置,能够实现控制系统稳定鲁棒性和快速性的折中和平衡,满足实际焊接电源输出特性控制的要求。

变极性电弧焊接的电流换向过程影响因素试验研究

采用基于反向再燃弧电压产生电路的变极性焊接电源为试验平台,研究了电源设备及其控制参数、焊接回路电缆寄生电感和焊接工艺参数对变极性焊接电流换向过程的影响规律.试验结果表明,提高反向再燃弧电压值能够提升变极性过程的电流变化速率,而较大的焊接回路电缆寄生电感会降低电流变化速率,同时降低变极性结束时的电流值,不利于变极性过程的电弧可靠再引燃和稳定燃烧.初始焊接电流越小,则变极性过程结束时的电流值越小,增加共同导通时间可以提高变极性结束时的电流值,但同时降低变极性开始时的电流大小.因此小电流变极性焊接时可采用较大的反向稳压值并适当增加共同导通时间,以增强变极性过程中的电弧稳定性.

极性变换过程的电弧图像同步错时拍摄及其动态行为观测

对变极性钨极惰性气体(tungsten inert gas,TIG)保护焊电流换向过程中的电弧形态和电流变化信息进行同步采集及综合分析,有助于深入认识极性变换过程中电弧的动态变化机理。然而,变极性过程持续时间短,对电流信息和电弧图像的同步采集精度以及图像采集设备的采集频率和图像分辨率都提出了较高要求。该文综合运用数据采集卡的同步输入与输出功能及高速摄像的同步触发功能,实现了变极性过程的焊接电流和电弧图像的同步采集,同步误差可控制在2μs以内,同时,利用脉冲触发电压周期与变极性周期的差值,实现了以较低的采集频率和较高的图像分辨率而获得了近似连续变化的电弧图像,降低了对图像采集设备的性能要求。在此基础上,对焊接电弧动态行为随电流的变化规律进行初步分析,发现变极性过程中电弧形态变化滞后于电流变化,电流过零时刻及前后不会发生电弧熄灭现象,且电弧灰度最低时刻出现在极性变换后的电流恢复阶段,研究结果为进一步改善变极性TIG焊的电弧燃烧稳定性指明了方向。

焊接电弧形貌判别模型及钨极高度的影响规律

在不同的焊接工艺参数下,电弧具有不同的几何形貌,焊接工艺参数的改变会实时地引起电弧形貌发生变化。借助高速摄像和图像处理技术,通过将弧柱边缘像素点的坐标从图像坐标系转换至以弧柱质心为原点的极坐标系,该文提出了一种基于极坐标的电弧形貌判别模型,实现了电弧形貌的有效识别,并研究了不同焊接电流下电弧形貌与钨极高度的定量关系。试验结果表明:在不同的焊接电流和钨极高度下,电弧存在扁锥形、钟罩形、长锥形和长条形4种典型形貌。电弧呈现钟罩形时,电弧的横向摆动幅度较小,有利于焊接电弧的稳定燃烧和保证焊缝成形质量。随着焊接电流的变化,不同电弧形貌对应的钨极高度范围也会发生改变。基于电弧形貌的钨极高度控制策略,为自动化焊接中实时控制钨极高度提供了新途径。

基于电弧图像的脉冲TIG焊电弧形态及特征温度演变规律

脉冲电流钨极惰性气体(tungsten inert gas,TIG)保护电弧焊广泛应用于高品质焊接制造。研究电弧形态、灰度和温度等特征参数随脉冲电流的变化规律,有助于更深入地理解脉冲TIG焊的电弧动态物理特性,更好地评判焊接过程的稳定性和控制焊缝成形质量。该文通过同步采集焊接过程的脉冲电流及对应的电弧图像,借助于图像处理和标准温度法计算求解了脉冲TIG焊的电弧形态、灰度及特定位置的温度,分析了其随脉冲电流周期性变化的规律。试验结果表明,脉冲TIG焊的电弧形态、灰度、特定位置的温度等特征参数与脉冲电流的变化同步,同步精度在0.1 ms以内。在脉冲电流前后沿的电流突变过程中,电弧在电流增加时的形态扩张和温度上升速度快于电流减小时的形态收缩和下降速度。在钨极下方1 mm处,电弧温度在脉冲电流增加时的平均上升速度为11613 K/ms,在脉冲电流减小时的平均下降速度为5710 K/ms。距离钨极越近,电弧灰度在电流突变前后的变化越小,但电弧温度的变化越大。

TIG电弧辅助MIG焊非接触引弧的参数适应性

为了深入了解钨极惰性气体保护（tungsten inert gas,TIG）电弧辅助熔化极惰性气体保护（metal inert gas,MIG）焊实现非接触引弧的特点,以及此种新型引弧方式对MIG焊接参数变化的适应性,该文通过TIG-MIG复合焊的大量引弧试验,利用电信号与电弧图像同步采集系统对此进行了试验研究。试验结果表明：先引燃的TIG电弧不仅能使MIG焊快速可靠地实现非接触引弧,而且能使MIG焊在较低的电压和电流条件下进入稳定的熔滴自由过渡,形成的焊缝规则且无飞溅附着;当MIG焊的初始送丝速度、焊枪倾角、保护气体流量以及焊丝末端直径在一个较大的范围内变化时,MIG焊在TIG电弧的辅助下均能够实现非接触引弧;根据焊丝末端直径匹配合适的初始送丝速度,即使焊丝末端带有较大尺寸的小球,MIG焊在非接触引弧过程中也不会产生焊接飞溅。

电极极性和保护气体种类对TIG电弧辅助MIG焊引弧性能的影响

通过电信号-高速摄像采集系统记录钨极惰性气体保护-熔化极惰性气体保护(TIG-MIG)复合焊引弧过程中的电压-电流信号和电弧图像,研究了TIG焊和MIG焊的电极极性接法、MIG焊保护气体种类对TIG电弧辅助MIG焊引弧性能的影响。试验结果表明:MIG焊采用直流反接是TIG电弧辅助MIG焊依靠细长放电通道实现非接触引弧的必要条件,TIG焊采用直流正接还是反接仅影响TIG电弧辅助MIG焊实现非接触引弧的容易度;MIG焊非接触引弧是由于TIG电弧外层的电子向MIG焊丝末端移动,在途中与周围的保护气体发生频繁碰撞并使之部分电离,产生大量正负带电粒子,导致间隙的电导率显著提高,以致间隙在低电压下发生了电击穿;相比Ar+1%O2(体积分数)和Ar+15%CO2(体积分数),MIG焊在纯Ar中实现非接触引弧更容易。