高熔点材料搅拌摩擦焊用搅拌头夹具的结构设计

基于搅拌摩擦焊用搅拌头与机床的配合特点,文中提出了一种工装夹具的设计方案,采用成形连接,通过毂孔配合面传递载荷,法兰盘约束搅拌头轴向运动,分析了焊接和非焊接状态下的工装配合关系。以低碳钢焊接为例,计算夹具与搅拌头配合受载情况,结果表明,最大应力区分布在搅拌针中部圆周面,容易形成磨损带,夹具所受应力主要分布在机床与夹具配合的轴间部位和毂孔内部,主要由于毂孔与搅拌头端面直边存在剪切作用,应力最大115.96 MPa,安全系数为2,满足设计要求。根据搅拌头及夹具制备材料,提出了电火花或铣削等加工方法,并明确相关技术要求。

电子束熔丝增材制造大功率电子枪研制

根据电子束熔丝增材制造需求,结合理论计算,利用三维造型软件设计了电子枪结构包括阴极组件、栅极、阳极、聚焦线圈、扫描线圈;利用模拟仿真软件对电子枪结构进行优化,最终得到优化后的电子枪栅极球面直径14 mm、阳极孔径3.5 mm、阳极倾角140°、阴阳极距离10 mm、聚焦线圈匝数1 800匝、磁轭间隙30 mm、线圈内径60 mm、外径150 mm;设计了电子枪聚焦及偏转扫描驱动电路,带载测试聚焦电流最大值可达1.49 A,偏转扫描最大电流可达±1.06 A,扫描频率达2 kHz;对电子枪性能进行测试,最高耐压达到-75 kV,功率达到30 kW,TC4的熔丝增材成形效率达到5.16 kg/h。研制的电子枪结构轻便、束流品质好、成形效率高,适合于用作真空室内动枪。

面向球形金属粉末制备的电弧熔融等离子体雾化装置的设计

金属增材制造用高性能球形金属粉末的主流制备方法是雾化法,其中等离子体雾化法所制备粉末的性能相对更加优异,但其出粉速率较低。针对这一难题,将等离子体雾化法和丝材电弧喷涂技术结合,开发出了一套新型的电弧熔融等离子体雾化装置,旨在保留等离子体雾化法优势的基础上,提高出粉速率。之后开展了等离子体炬发生器性能测试实验,以及304不锈钢和纯钛丝材的雾化实验。实验结果表明,电弧熔融等离子体雾化法利用高温高速的等离子体炬对金属熔融液进行破碎,保证了粉末颗粒的过热度,使其有充分的球化和凝固时间。从粉末性能和出粉速率两方面对比分析了本技术和国外专利技术,证实了在粉末性能相同的前提下,本技术的出粉速率是国外专利技术的2~7倍。

船舱格子型角焊缝移动焊接机器人系统设计

针对大型船舱格子型角焊缝空间狭小,大型自动化设备与工人难以高质量完成焊接作业的现状,设计了一种可进行连贯直角角焊缝焊接的移动焊接机器人系统。该机器人由机械结构与电路控制系统组成,其中机械结构包括双轴后驱车体、可伸缩接触式传感器、机器人升降旋转复合机构、焊枪位姿调整机构;电控系统硬件包括PLC控制器、行程限位开关、步进电机与配套驱动器、直流减速电机和配套的运动状态调控板。另外,还建立了机器人在直角段角焊缝焊接过程的运动学模型,获取了该段焊缝在均分为10段后每段焊枪的伸缩速度与机器人旋转角速度的数值,为直角型角焊缝焊接的跟踪控制过程提供了PLC编程的数据基础;并基于可伸缩接触式传感器,实现了直线型角焊缝的路径跟踪。实验证明,该机器人能实现小空间直角型角焊缝与直线型角焊缝的连贯焊接,焊缝成型质量好,无焊穿、气孔、焊瘤、咬边、裂纹等不良状况。

米巴赫激光焊机对中系统研究

某公司冷轧多条连续产线投入米巴赫激光焊机,近10年来曾因焊机对中问题导致产线异常停车降速10余起。为保证产线连续生产稳定性,对米巴赫激光焊机对中装置系统组成和检测原理进行分析,根据产线存在的问题制定相应的维护措施,预防关键设备发生损坏的隐患,提升极限对中能力,优化对中装置检测模式,优化对中参数控制分组,解决了产线运行过程中由于对中问题造成的跑偏停车问题,避免了由焊缝断带等造成的重大经济损失。

蒸汽发生器传热管焊接堵管用小型化激光头研制

核电站蒸汽发生器传热管破损将导致放射性冷却剂外泄,因此需进行堵管作业。激光焊接精度高,可用于蒸汽发生器的焊接堵管。然而,受限于蒸汽发生器的空间结构,现有的激光焊接头往往难以满足实际要求,因此需设计定制化的小型激光头。首先,分析和计算了小型化激光头的光路;其次,设计出小型激光头的机械结构,并完成其在蒸汽发生器内的运动仿真和干涉模拟;最后,对所设计的激光头装置进行了模拟传热管焊接验证。结果表明,所设计的小型化激光头具有良好的焊接性能和可操控性能,可用于蒸汽发生器的焊接堵管作业。

大截面摩擦焊装备及自动控制系统研发

针对传统电解铝预焙阳极导电装置中使用手工焊时存在的劳动强度过大、环境污染严重及导电率偏低等问题,创新研制了国内首台5000 kN铝导杆摩擦焊装备和首台4000 kN铸钢爪摩擦焊装备,并投入实际生产。重点剖析2套装备在研发过程中涉及自动控制设计范畴时,面临的焊件大惯量及大截面特性、摩擦焊工艺要求相位控制误差小、速度输出精度高,以及数据采集速率快等挑战,通过科学设计,实现摩擦焊装备对输入信号快速准确采集;同时,依靠高效控制策略构建,达到实时精准调控结果,满足大截面同种或异种金属在加工过程中对系统稳定性和人机互动质量,以及速度、位置、压力、安全等控制参数指标要求,进而满足摩擦焊工艺对加工焊件质量及重复性要求高的指标;由于其能够为焊接工艺研究提供过程精准数据,继而为追寻最佳接头质量提供科学路径。由于目前针对同种或异种金属大截面摩擦焊接头历经热时效、热循环及电流载荷下的基础理论和实际应用较少,相关装备研制成果对焊接与控制交叉学科融合发展具有积极作用。对该类装备及自动控制系统的发展趋势予以展望。

基于EKF的热压焊温度控制方法建模与仿真

热压焊是一种应用于电子元器件的焊接方法,热压焊头温度的稳定性是焊接质量的决定性因素。热压焊接时间短,热电偶测温热惯性及随机噪声对热压焊过程温度控制有较大影响。文中研制了一种以STM32F407微处理器为核心的热压焊电源,设计了电源的主电路与控制系统;通过对热电偶的延迟响应和时间常数误差的分析,设计了一种基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)的热压焊控制方法,实现了脉宽调制以及输出温度的稳定控制;分析了热压焊头的加热和热辐射效应,建立了热压焊头的温度模型,并以上述的主电路和控制方案为基础,建立了热压焊系统仿真模型,验证控制方法的有效性。搭建热压焊系统试验平台,按照仿真模型设定的工艺参数进行试验,将仿真温度波形与试验测量波形进行对比分析。结果表明:仿真与试验温度波形趋势呈现相同变化规律,相较于仅PID控制,基于EKF的控制方法具有更短的调节时间,减少了有效噪声对热压焊系统的影响,提高了温度控制的稳定性;该热压焊系统仿真模型为热压焊电源设计提供了一种参考模型;最后进行了FPC与PCB板、同轴线与LED电路板热压焊试验,实现了元器件的可靠连接。

搅拌摩擦焊实验教学平台设计与应用

基于立式加工中心,搭建了用于铝合金等低熔点金属的搅拌摩擦焊实验教学平台,选用7075铝合金与6061铝合金开展焊接实验,分别对旋转速度为1000、1200、1400 r/min,焊接速度为100、150 mm/min的焊接接头的表面成型、显微组织与力学性能进行了分析。结果表明,焊缝成型较好,焊核区硬度最高,热影响区硬度较低,在旋转速度1200 r/min,焊接速度100 mm/min时接头的抗拉强度取得最大值,为184 MPa,拉伸断口具有韧窝状特征,呈典型的韧性断裂。该实验平台可实现低熔点金属材料的有效焊接,同时可满足材料专业学生的焊接实验教学与科学研究的需求。

激光与电加热复合熔覆装置结构设计与分析

激光和电加热相结合的复合熔覆装置可以利用工件和丝材的电阻热效应将金属丝升温到一定温度,有效地减少丝材中的水分含量及内应力,提高熔覆效率及工艺稳定性。文中主要设计激光熔覆和电加热复合熔覆的熔覆头结构,激光熔覆与电加热复合熔覆的熔覆头包含激光熔覆和电加热两部分,熔覆头主要从温度控制、防氧化、安全等方面进行设计并进行了数值分析。

钛合金管件与不锈钢内衬管真空扩散焊工艺研究

采用真空扩散焊工艺实现了TC4钛合金管件与15-5PH不锈钢内衬管的连接,研究了焊接温度、保温时间、中间层等对焊接界面结构、界面扩散及焊合率的影响规律。结果表明,在焊接温度为900℃,保温时间为4 h,Ni中间层厚20~30μm的条件下,可实现TC4管件与15-5PH内衬管的有效连接,焊合率最高。焊接接头界面产物组成,从钛合金侧到不锈钢侧依次为:TC4-(α+β)—NiTi_(2)—Ni_(x)Ti_(y)P_(z)—Ni_(3)Ti—FeNi_(3)—γ-(15-5PH)。焊接温度和中间层是影响连接质量最主要的因素,采用低于880℃的焊接温度或不采用中间层时,无法实现TC4管件与15-5PH内衬管的可靠扩散连接。保温时间为4 h时,焊接温度从890℃升高到910℃,焊合率和扩散层厚度先升高后略降低。焊接温度为900℃时,保温时间从2 h延长到4 h,焊合率和扩散层厚度均升高。

膜式壁堆焊设备在锅炉制造行业中的应用

膜式壁管屏堆焊设备主要用于锅炉膜式壁管屏表面堆焊镍基作业。设备主要由工件固定架及升降平台、管屏工装架、高速摆动焊接机头、焊接电源及送丝机、焊接控制系统等组成。升降平台横向轨道上布置两把焊枪,通过对称布置可实现4把焊枪同时施焊两个叠加布置的工件,焊接效率高。焊接机头具有按照设定参数焊接定长焊缝的功能,并能够在行程范围内进行自动焊道排布和搭接量的控制。焊接过程中具备摆动焊接功能,实现立向下自动堆焊焊接。

基于二次电子发射的Monte Carlo仿真模拟

二次电子发射特性在现代先进真空电子器件中有着广泛的应用,准确测量二次电子的产额数据对进一步确定二次电子发射特性至关重要。然而,目前的实验条件无法保证高真空的实验环境和高精准的测量技术,导致得出的实验数据往往存在着不可避免的误差。因此,利用Monte Carlo计算方法模拟电子束与金属固体的相互作用过程已然成为了一种较为实用的解题方法。此方法是一种基于随机模拟的数值计算方法,通过重复随机采样,根据采样结果计算目标量的期望值,进而得到数值解,它在研究电子运输问题上具有极强的解题能量。模型采用经验Mott散射截面公式来快速描述电子的弹性散射过程,利用介电函数模型来描述电子的非弹性散射过程,从而快速计算出二次电子在金属内部的散射运动轨迹,通过定量分析出二次电子发射产额的影响因素。研究发现,二次电子产额随着入射粒子能量的增加而增加,在一定范围内产额随能量增加的趋势比较明显,但达到一定能量后,产额将趋于饱和。此外,入射角度对二次电子的产额分布也有显著影响。

基于CST的强流电子枪的电磁聚焦模拟

强流电子枪的工业应用必须具备良好的聚焦性能,静电透镜能够控制电子束的发射和电子束会聚的最小束腰位置,发散后的电子束进入磁透镜需要磁透镜对电子束进行精确聚焦。磁透镜对电子束的聚焦性能受到电子束的尺寸影响,也受到磁透镜中心轴与电子束中心对中和自身磁场径向均匀度的影响。利用CST仿真软件对强流电子枪的静电透镜参数和磁透镜结构进行优化,并总结了相关规律,仿真结果表明增大聚束极的相对偏压,会减小阴极输出的电子束束流大小,但是聚束极对电子束的会聚能力增强,从而电子束最小束腰位置距离阴极的表面距离更近。与开启式磁透镜相比,屏蔽式磁透镜的磁场在中心区域更加集中,磁场强度更大。磁透镜半径越大在轴上的磁通量密度越小,但是磁透镜半径越大在中心产生的径向磁场均匀度越好。磁屏蔽铁壳间隙越大,磁透镜在中心位置的径向磁场分布均匀度越高,磁透镜在中心位置的磁通量密度随着屏蔽铁壳间隙的增大而降低。

高刚性三维并联搅拌摩擦焊机头机构设计

根据铝合金复杂厚壁结构件产品对空间三维曲线搅拌摩擦焊技术的迫切需求,结合传统搅拌摩擦焊机头机构灵活性较差,仅能完成平面内二维直线焊缝的焊接的缺点,以三维并联搅拌摩擦焊机头为研究对象,将正交并联机构在精度、高刚性、承载能力及灵活性等多方面的优点与搅拌摩擦焊技术相结合,应用设计、计算、仿真手段,开发的高刚性三维并联搅拌摩擦焊机头具有极为重要的科学意义及工程实用价值。

微细丝与异质材料多股导线平行电极电阻钎焊装置设计及焊接工艺研究

目的开发用于微细直径丝材与不等直径异质多股线精密连接的装置,并对其进行优化设计。方法采用直径为0.2 mm的镍丝与不等直径铜质多股线为焊材,采用石墨电极,设计了以上电极为凸台、下电极为凹槽的方案,但考虑到凸台电极容易发生损耗,将上电极优化为平行电极,并结合装置特点设计了专用工装夹具。在此基础上进行焊接试验;分别选用直接微电阻钎焊工艺与平行电极微电阻钎焊工艺对镍丝与铜质多股线进行焊接试验,对比研究了先上电极优化后微电阻钎焊、先压方后微电阻钎焊、直接微电阻钎焊、平行电极微电阻钎焊工艺所得焊接接头的成形情况,探究不同工艺与焊接参数对接头质量的影响机制,并获得最优工艺方案;对不同工艺及焊接参数下所得的焊接接头进行拉剪力测试与微观组织分析,对不同条件下接头的拉剪力与微观组织进行分析比较,并对拉剪性能较好的平行电极微电阻钎焊接头进行振动测试,研究其抗振性能。结果采用先上电极优化后微电阻钎焊工艺得到的焊接接头的平均拉剪力为21.04 N;采用先压方后微电阻钎焊工艺得到的焊接接头的平均拉剪力为15.04 N;采用直接微电阻钎焊工艺得到的焊接接头的最大拉剪力为22.3 N,其钎料并未完全包裹高温导线,成形差;采用平行电极微电阻钎焊工艺得到的焊接接头的平均拉剪力为24.8 N,其接头连接稳定,最大直径均不超过0.8 mm,且抗振性能良好。结论设计并优化得到的平行上电极能够有效减少电极损耗,通过比较各工艺接头可知,先压方后平行电极微电阻钎焊为最佳的焊接方案,焊点直径稳定,接头质量良好,可以实现传感器引脚线与多股高温导线的高质量、精密、可靠焊接。

基于激光加热阴极的高精密焊接电子枪研究

高精密焊接对电子枪的束流品质提出极高的要求,而传统电子枪由于工作原理的问题,束流品质的提升十分有限。探索性地进行激光加热阴极电子枪的研究,有效避免灯丝电流磁场对电子束束流分布的影响,所获得的电子枪束流能量集中,消除能量分布多峰的问题,同时由于磁场影响的消除,电子束束斑的尺寸大幅度减小。由于红外激光加热溅射效应可以忽略,阴极的寿命得到大幅度的提升。由于束流能量更加集中和斑点尺寸减小,焊接时的能量输入减小,零件的相应变形也较小。该电子枪特别适于高精密零部件焊接及需要良好束流品质热源的领域,如电子束微纳加工、高精度3D快速成形和打孔等领域。

聚焦电流和阴极位置对束流品质影响的CST仿真

电子枪的阴极位置和聚焦电流大小会影响电子束的焦距和束斑形貌,进而影响增材制造零件的质量。首先根据实际的电子枪结构,建立了1∶1三维电子枪物理模型和有限元分析模型,并采用CST软件的粒子工作室模块进行了仿真,研究了聚焦电流大小和阴极位置对电子束的焦点位置和束斑形貌的影响。仿真结果表明:聚集电流为460 mA,阴极下表面距栅极上表面为1.0 mm时,电子束在工作平面处的束斑直径为0.61 mm,电子分布较均匀且形状较圆。进行了电子束选区熔化实验,成功实现了钛合金粉末的预热和熔化成型。试验结果表明模拟仿真对电子枪的设计具有一定的指导作用,可以实现800 mm工作平面处的成功成型的要求。

脉冲变极性等离子弧焊接系统及其特征信号分析

研制基于单片机控制的具有高低频调制脉冲功能的双逆变变极性等离子弧(Variable polarity plasma arc,VPPA)焊接系统,检测并分析叠加不同高低频脉冲参数条件下该焊接系统输出信号的特征,并对系统进行实际焊接试验,结果表明系统运行良好。从特征信号的时域及频域分析发现,当高频脉冲频率提高到2 kHz时,与1 kHz相比较,脉冲上下降沿斜率降低1.2倍,高次谐波量增加1.4倍。由焊接试验结果得出,当高频脉冲频率及正反极性电流等工艺参数选择合适时,可以得到比典型VPPA焊接更加优越的焊缝成形,获得具有均匀鱼鳞纹的理想焊缝。从焊缝显微组织的分析发现,脉冲VPPA焊接工艺得到的焊缝晶粒比典型VPPA焊缝晶粒细小,因此该焊接工艺对进一步提高航空航天高强铝合金焊接质量具有重要意义。

光纤激光填丝熔覆系统开发

传统的激光熔覆技术采用金属粉末添加方式,生产效率较低、合金粉末价格昂贵,同时由于合金粉末极易氧化,形成的涂层致密性较差,在实际工业应用领域受到较大的限制。针对传统激光粉末熔覆技术存在的问题,开发了一套光纤激光器填丝熔覆系统,采用IPG光纤激光作为热源,采用TIG-Mate自动送丝装置实现填丝控制,通过LNC-R8200A控制器实现对上述机构的时序控制。试验结果表明,开发的光纤激光填丝熔覆系统,可以高效优质地实现激光熔覆过程。