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。

GTAW自激发超声工艺对AISI 316不锈钢堆焊层的有效性分析

通过自行搭建GTAW自激发超声波焊接试验平台,研究了电弧自激发超声工艺对AISI316不锈钢堆焊层的有效性。结果表明,电弧图像和声压两方面的测试均反映出所搭建平台的工作性能和自激发超声波工艺的有效性,可在无需添加额外设备的情况下实现焊缝的晶粒细化。当超声频率为60 kHz,振幅电流为10 A时,焊缝熔深可增深59.67%,熔宽可缩小30.14%。对于AISI 316不锈钢堆焊层工件熔池系统而言,40~60 kHz接近其固有频率,更有利于通过抑制枝晶生长获得细化的晶粒。

GTAW堆焊工艺参数对2A12铝合金板堆焊焊缝组织和力学性能的影响

某型装备腹部铝合金盖板在使用一段时间后易出现裂纹、磨损现象,需采用钨极氩弧焊方法进行修复,研究焊接电流和氩气流量对2A12铝合金板堆焊焊缝组织和力学性能的影响。研究结果表明,1.2 mm厚的2A12铝合金板材,当氩气流量不变时,随着电流的增大,堆焊焊缝抗拉强度先增大后减小,在焊接电流为60 A时抗拉强度最大,拉伸断裂位置为母材。当焊接电流不变时,随着氩气流量的增大,堆焊焊缝抗拉强度先增大后减小,在氩气流量为8.5 L/min时抗拉强度最大。当焊接电流60 A,保护气体(氩气)流量8.5 L/min时堆焊焊缝平均抗拉强度达到最大,为127.09 MPa。不同参数下的堆焊焊缝硬度分布趋势大致相同,都呈现M形。

基于变速GTAW焊接温度场解析模型的熔深预测研究

焊接热过程解析模型是一种能够直观反映焊接过程中工件内部的热行为、明确焊接工艺参数与熔池形貌间的物理关系、快速计算得到熔深的方法.目前常用的焊接温度场解析模型通常将电弧近似为一个功率恒定的匀速运动热源进行计算,而非参考实际焊接过程,即通过实时调整焊接热输入(焊接电流或焊接速度)来保证熔透.因此,目前的焊接温度场解析模型并不适用于焊接熔透控制.为了使解析模型能够计算时变速度下的熔深,本文针对钨极氩弧焊(GTAW)工艺建立了适用于计算时变焊接速度的焊接温度场解析模型.首先以匀速移动点热源的温度场解析模型为基础,推导出了时变焊接速度移动点热源在热源作用时间内引起的温度变化公式,通过连续性证明验证了公式的连续可积性并进一步推导出了适用于时变焊接速度运动单椭球热源的焊接温度场解析模型.为了提高计算速度,减少计算量,采用坐标变化方法实现了热源及其附近温度场的快速求解.基于数值积分法得到了解析模型求解方法,实现了熔池温度场的准确计算,并通过提取等温线实现了熔深和熔宽的预测.最后,通过工艺试验验证了解析模型的精度.结果表明:在0~4 s阶段,计算熔深基本与实际测得的熔深相同,误差控制在6%以内;在速度发生改变的4~16 s阶段,由于热源系数不再适用,计算误差增大,但熔深计算误差仍控制在17%以内,熔宽计算误差在12%以内.因此,建立的焊接温度场解析模型基本可以满足时变速度下的熔深预测.

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．

外加纵向磁场GTAW焊缝成形机理

以外加间歇交变纵向磁场GTAW (气体保护钨极氩弧焊 )为研究对象 ,通过采用测量相关参数和拍摄电弧的方法 ,研究了间歇交变纵向磁场GTAW焊接低碳钢、不锈钢和铝合金等材料焊缝成形发生变化的规律和原因。认为在本研究条件下 ,无论处于熔池下方还是上方的单励磁线圈产生的外加纵向磁场都使GTAW焊接电弧特征、熔池行为和结晶过程发生了变化 ,从而导致焊缝成形的改变 ;同时发现当励磁线圈和电弧中心线不同轴心时 ,外加磁场对焊缝成形的影响较为强烈 ,其中铁磁性材料所受影响较显著。

GTAW外加间歇交变纵向磁场的数值计算及其对焊接行为的影响

针对奥氏体不锈钢外加纵向磁场的气体保护钨极电弧焊接（ＧＴＡＷ）时，与电极同轴的单个轴对称空心圆柱线圈在双向脉冲矩形励磁电流作用下产生的间歇交变纵向磁场，采用无暇点单积分磁场的数学模型，对＊ＴＡＷ焊接外加间歇交变纵向磁场进行了数值计算，该方法具有模型简单、计算速度快和精度高等优点并讨论了该间隙交变纵向磁场的分布、磁场的均匀性及其纵向分量与径向分量的比率等规律及其对焊接行为的影响，认为横磁分量将削弱ＧＴＡＷ外加纵向磁场的有利作用，影响磁控电弧的焊接质量.

外加纵向磁场GTAW焊接熔池流动机理

以外加纵向磁场GTAW (钨极氩弧焊 )焊接LD10CS铝合金过程为研究对象 ,建立外加纵向磁场GTAW焊接熔池流体流动和传热数学模型 ,对固定电弧的外加纵向磁场GTAW焊接熔池流体流动过程进行数值分析 ,研究外加纵向磁场GTAW焊接熔池流体流动和传热行为。

方波交流GTAW电弧再引燃机理的研究

交流电弧再引燃主要影响因素是电流换向瞬间的电压、电弧空间的电离度和电极发射电子的能力。方波交流电源以其高的电流换向速率提高了交流焊接电弧再引燃的可靠性。但用交流钨极氩弧焊接铝时，由于铝工件熔点和沸点低，电子发射能力弱，在钨极接负变为工件接负时，电弧再引燃困难，仍须采用附加的稳弧措施。在双逆变式交流方波电源中，在利用前级高频逆变恒流电源的快速响应特性的基础上改进了后级的电路结构，克服了传统的高压脉冲或高频高压稳弧的缺点，可靠实现了交流钨极氩弧焊铝的电弧再引燃。

脉冲GTAW熔池动态过程的辨识模型

焊接熔池动态变化过程是一个具有强非线性、多变量耦合作用以及大量随机不确定性因素的高度复杂过程 ,因此很难得到熔池动态特征的解析数学模型 ,使得焊接熔池的动态过程建模成为焊接界和控制界的一大难题 ,也是实现焊接自动化的本质困难。为了对脉冲GTAW (气体保护钨极氩弧焊 )熔池动态过程特性有一个基本受控制性能的认识以实现对脉冲GTAW熔池变化过程的有效控制。本文从经典控制系统设计的角度考察脉冲GTAW熔池动态特性 ,利用试验数据采用系统辨识的方法求取其熔池特征动态性能的数学描述 ,获得了脉冲GTAW熔池动态过程中分别以脉冲峰值时间和焊接速度为输入 ,以背面熔宽为输出的两个单入单出 (SISO)过程的传递函数模型 ,并对模型进行了检验。所建模型有助于研究脉冲GTAW熔池动态过程的受控性能 ,对改善其控制系统设计具有参考价值和指导作用。

超高频脉冲GTAW工艺特性分析

基于5 mm厚的Ti-6Al-4V钛合金平板,分别采用常规钨极氩弧焊（Conventional gas tungsten arc welding,C-GTAW）和超高频脉冲钨极氩弧焊（Ultra high frequency pulsed GTAW,UHFP-GTAW）工艺,选用相同平均电流（60 A）进行焊接,同时利用FLUKE Ti400红外热像仪对熔池中心温度进行实时监测,分别对电弧定点燃烧时、以50 mm/min焊速移动时采集的熔池中心温度进行分析。由测量结果可知,与相同条件下C-GTAW相比,UHFP-GTAW作用下的熔池中心温度最大值增加了10-40 K,表明该工艺具有更高的能量密度。分析1.5 mm钛合金对接工艺试验的组织性能测试结果发现,焊缝区细小均匀的针状α＇马氏体形成的网篮组织含量增加,热影响区组织α＇相呈现短且小的针状且排列更为致密,可改善接头的拉伸力学性能、疲劳性能。UHFP-GTAW焊缝的伸长率最小增幅为30%,断面收缩率最小增幅为50%,疲劳寿命至少增加2倍。

GTAW电弧电势、电流密度和电磁力的数值模拟

基于自由燃烧的GTAW电弧建立了二维稳态的轴对称模型。在研究了电弧的传热和流体流动以及电弧温度场和速度场的同时,按照电磁场理论计算了电弧电势场、电流密度和电磁力在模型空间的分布。方程的求解采用的是以SAMPLE算法为基础编写的通用热流计算软件——PHOENICS。计算结果与文献结果相一致,验证了电弧理论的基本观点。

基于ANSYS薄板GTAW焊接温度场数值模拟

本文采用双椭圆表面热源模型,利用有限元分析软件ANSYS对薄板GTAW焊接三维非线性瞬态温度场进行了计算机模拟,得到了焊件的温度场的分布规律。并与工艺试验结果进行了比较,验证了模型的有效性。

GTAW神经网络-模糊控制技术的研究

研究神经网络与模糊控制融合技术 ,构成钨极气体保护电弧焊GTAW神经网络 -模糊控制系统。重点论述神经网络和模糊逻辑在熔深建模和控制以及焊缝跟踪方面的应用。通过视觉传感器CCD获取电弧区图像和熔池表面形状 ,建立一种描述熔深的神经网络模型 ,根据焊接电流、熔宽和焊缝间隙量来精确估算熔深 ,同时结合模糊逻辑提高熔深的控制精度。针对弧焊过程非线性以及焊炬伺服系统动态过程难以用精确数学模型来表达的问题 ,设计焊缝跟踪自调整模糊控制器 ,通过自适应共振理论模型算法检测焊缝位置并根据跟踪偏差在线调整控制参数 ,从而提高焊缝跟踪精度。试验结果表明 ,所设计的系统具有良好的控制特性 ,为实现GTAW过程智能化提供了一条有效的途径。

外加纵向磁场对GTAW焊接不锈钢接头宏观形貌及组织的影响

改善焊接接头宏观形貌及内部晶粒形态、减小晶粒尺寸,成为提高焊接接头性能的重要途径.通过对不同外加纵向磁场强度作用下,GTAW焊接不锈钢接头宏观形貌及显微组织的分析研究,得出在外加直流纵向磁场作用下,焊缝凝聚金属偏向一侧堆积,当磁场强度为5 mT时,由于电磁搅拌作用最明显,焊缝组织明显细化,最后对其机理进行了分析.

氮气对SAF2507双相不锈钢GTAW焊接接头组织与性能影响

采用GTAW焊接SAF2507双相不锈钢,焊丝为ER2594,保护气体为Ar＋N2。研究了保护气体中氮气（φ（N2）=0～5%）比例对SAF2507 GTAW焊接接头组织和性能的影响。结果表明,随着保护气体中N2含量的增加,焊缝组织中奥氏体相增多,硬度下降,耐点腐蚀性能增强;当N2含量到达5%时,产生焊接飞溅和焊接气孔,接头焊缝冲击功降低;采用φ（Ar）＋φ（N2）2%～3%保护的焊接工艺,焊接接头能保持较好的相比例,焊接接头的组织、力学和点腐蚀等综合性能更优。

脉冲GTAW焊过程辩识及PID控制

针对脉冲ＧＴＡＷ焊熔池动态过程，利用面积法、Ｌａｐｌａｃｅ变换的极限定理法及最小二乘法对焊接速度与熔池背面熔宽模型进行了辩识。结果表明，面积法更适用于熔池动态过程辩识；对辨识所得到的二阶熔池模型进行了 ＰＩＤ控制器设计，并针对起焊时的时滞采用 Ｓｍｉｔｈ预估器予以补偿。实验结果表明，Ｓｍｉｔｈ预估器对时滞具有很好的补偿效果。

基于遗传算法的模糊神经网络控制器在GTAW中的应用

GTAW (钨极气体保护电弧焊 )是一种能够很好控制线能量 ,进行高质量薄板焊接的方法。焊接过程是一个复杂的、多参数耦合的高度的非线性系统 ,在实际焊接过程中难以实现实时、有效的在线控制。模糊控制吸收了人的经验思维的特点 ;神经网络则对信息的处理具有自组织、自学习的特点 ;遗传算法是一种全局优化搜索方法 ,具有简单通用、普遍性强 ,适合并行处理和应用范围广的优点。作者将三者有机地结合起来 ,在模糊神经网络控制器的基础上利用了改进的遗传算法 ,并分析了其网络结构和离线学习的方法 ,协调利用三者的优势设计了一种新型的模糊控制器 ,并使之用于脉冲GTAW仿真中 ,结果证明了该新型模糊神经网络控制器比传统的模糊控制器具有一定的优越性。

GTAW熔池三维表面激光点阵反射特征的仿真与优化

熔池表面三维测量对实现GTAW熔透控制及深入理解电弧、熔池耦合作用具有重要意义.基于激光视觉提出了一种熔池表面测量方法.在熔池表面测量时激光光路参数变化对反射点阵图像有较大影响.为了研究激光入射角、激光器到熔池距离、成像屏到钨极距离对传感质量的影响规律,建立了熔池表面标准模型、入射线、反射线、成像屏方程,并采用光学反射定律逆向仿真了反射点阵的变化规律,并通过工艺试验对仿真结果进行了验证.结果表明,θ,D,L的最佳调节范围为28°~32°,45~55 mm,50~60 mm;仿真结果与试验结果吻合良好.

新型方波交流GTAW逆变电源的研制

针对铝、镁金属及其合金焊接的特点 ,研制了 1台新型的方波交流GTAW (GasTungstenArcWelding)逆变电源 ,该电源采用较为简单的后级逆变结构形式 ,降低了整机的成本和电路的复杂性。同时运用新颖的稳弧控制措施 ,得到了较好的稳弧性能。实验证明 ,该机具有多功能、性能可靠的特点 ,能很好地满足焊接铝。