旋转电弧焊接技术研究进展

熔焊焊接时会不可避免地出现侧壁不熔、咬边、晶粒粗大等问题,导致接头性能较低。为更好地解决焊接中存在的问题,提出旋转电弧焊接技术。相对于普通焊接,旋转电弧中的旋转电弧耦合力在焊接时对熔池的搅拌破碎效应能加速焊缝中的传质传热,并细化晶粒减小焊缝残余应力,能解决焊接中常见问题,获得优质焊缝并提高焊接接头的使用寿命。主要综述了基于外加磁场、非对称钨极旋转电弧、缆式焊丝熔化极旋转电弧的研究现状,指出目前旋转电弧焊接技术还存在的问题,并对相关技术的应用前景进行展望。

燃弧过程中真空旋转电弧轨迹追踪与特性

控弧的目的是使电弧平稳、快速地离开触头表面,从而有利于提高真空开关的开断能力。不同控弧措施对真空电弧燃弧过程有不同的影响。触头旋转影响真空电弧燃弧期间的弧根状态,进而改变真空电弧在触头表面及触头间的运动特性。该文基于可拆卸式真空灭弧室和非对称平板触头进行了直拉、旋转分离方式下的电弧拉弧实验。使用高速摄相机采集燃弧过程中不同分离方式的真空电弧图像。利用Lucas-Kanade光流法目标追踪技术对真空电弧标定,追踪到真空电弧运动轨迹。通过图像处理技术,得到触头不同分离方式下真空电弧运动轨迹和触头之间的电弧面积,进而得到电弧特性的演变过程。分析结果表明,在相同实验条件下,触头旋转分离加速真空电弧由限制型电弧向扩散型电弧转变,导致扩散型电弧沿径向运动范围增大,使电弧能量尽快消散。

磁控触头旋转开断过程中直流真空电弧形态与电压特性

为探索直流断路器磁控触头开断产生的真空电弧形态演变规律及其电压特性,提出了一种在触头直拉基础上附加阴极旋转运动的开断方式“旋转—直拉开断”。由于磁控触头开断电流自生磁场会影响真空电弧发展过程,文章对阴极旋转开断产生的磁场进行了仿真分析。同时搭建了可拆卸真空灭弧实验平台,对万字型横磁触头和杯状纵磁触头在不同开断方式下的真空电弧的形态演化规律以及电弧电压特性进行了对比分析研究。仿真与实验结果表明:真空电弧在旋转开断方式下受到触头磁场和旋转离心力的共同作用,燃弧时间更短、由限制型电弧向扩散态的转变更快、熄弧效率更高。“旋转—直拉开断”使得在阴极表面的亮斑运动加速,使得电弧能量逸散更快有效提高熄弧能力。

基于二次通用旋转组合设计的冷金属过渡电弧增材制造AZ31镁合金焊道截面尺寸研究

基于冷金属过渡的电弧增材制造技术制备了AZ31镁合金单道试样,测试了单道试样的焊道宽度和焊道高度。根据二次通用旋转组合试验设计与二次多项式逐步回归分析,建立了高度显著的焊道宽度和焊道高度与摆动宽度、焊接速度、送丝速度和基板温度等工艺参数间的关系式。结果表明,工艺参数对焊道宽度的影响主次顺序依次为摆动宽度、送丝速度、基板温度、焊接速度,对焊道高度的影响主次顺序依次为焊接速度、摆动宽度、基板温度、送丝速度。随摆动宽度的增大,焊道宽度逐渐增大,焊道高度逐渐减小;随焊接速度的提高,焊道宽度和焊道高度均逐渐减小;随送丝速度的提高,焊道宽度和焊道高度也随之同步增大;随基板温度升高,焊道宽度增大,焊道高度降低。

旋耕刀表面硬质WC合金涂层的电弧热喷涂工艺研究

目的旋耕刀是重要的农机土壤部件,“表硬芯韧”是制造高性能旋耕刀的关键。尝试利用电弧热喷涂方法在旋耕刀表面直接制备含硬质碳化钨(WC)的合金涂层,以提高其综合力学性能。方法以旋耕刀常用制造材料65Mn为基材,以含WC的合金材料为电极丝材,搭建电弧喷涂实验平台,开展三因素两水平工艺实验。重点探讨喷涂电压、送丝速度、扫描速度对涂层制备的影响。结果所制备的涂层表面光滑、平整,无宏观裂纹或可见缺陷。在喷涂电压30V、送丝速度40mm/s、扫描速度30mm/s时,电弧热喷涂的涂层沉积速率为174.7g/min,其平均硬度可达HRC51,表面粗糙度Ra为2.366μm。扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)等测试结果表明,WC合金涂层具有典型的层状结构,结构均匀致密,涂层与基体之间形成了良好的机械结合。结论在基础工艺研究基础上,成功制备了表面含有硬质WC合金涂层的旋耕刀样件,进一步验证了工艺可行性,为高性能旋耕刀制备提供了新的思路和方法。

基于旋转电弧的窄间隙横焊打底工艺

【目的】J型铺设是最适合深水的海底管线铺设和海洋立管安装方法,常采用管道自动焊接装备完成横向环焊缝摆动焊接。针对摆动电弧P-GMAW横焊打底层焊缝成形不对称、背部成形一致性差等问题,提出了基于旋转电弧的窄间隙横焊表面张力过渡(Surface tension transfer,STT)打底工艺方法。【方法】以X65管线钢板材对接窄坡口为试验对象,模拟深水立管J型铺设焊接过程。【结果】基于Minitab的田口方法,建立了正交试验模型,通过焊接工艺试验,探究窄间隙横焊STT打底层焊接工艺规范及不同工艺参数组合对焊缝成形的影响规律。【结论】打底层焊缝背部成形一致性好,无未熔合、未焊透等缺陷。

旋转电弧焊接参数影响船体焊缝成形质量研究

为提高船体旋转电弧焊接自动化的焊接质量,首先利用回归分析法分析旋转电弧焊接熔宽、熔深、余高与坡口上沿间距、旋转频率、旋转直径、导电嘴到工件的距离、焊接速度等工艺参数之间的关系;其次通过正交试验的焊接试样测量焊缝几何尺寸,采用回归分析的数学方法建立预测模型;再次根据焊缝几何尺寸的数学模型计算得出焊接参数的灵敏度,通过对工艺参数进行灵敏度分析,预测焊接工艺参数的改变导致焊缝几何尺寸的变化趋势。最终通过调整旋转电弧焊接工艺参数,获得良好的焊缝成形,提高了船体自动焊接质量。

旋转刀盘圆弧齿轮成形理论分析及数字化建模研究

为得到用于指导加工和仿真计算的圆弧齿轮精确3维模型,根据刀盘与齿轮工件的展成关系,运用空间啮合理论及微分几何知识,推导了圆弧齿轮的齿面方程,证明得到其中截面齿廓为渐开线。对齿面方程中各参数的取值范围进行讨论,给出了定参数下齿轮工件转角φ的计算公式。利用计算机软件实现了旋转刀盘圆弧齿轮的数字化建模,得到了圆弧齿轮的3维数字模型。对比用模拟加工得到的模型,该模型具有更高的建模精度,并根据此模型加工出了工件实体。研究结果可为后续的仿真、实验分析提供基础,并为圆弧齿轮的参数选取及设计应用提供参考。

大气压交流旋转滑动弧的放电特性

为研究气体流量和施加电压对旋转滑动弧放电的电信号与电弧运动规律的影响,采用3种不同几何结构的电极分别进行了大气压交流旋转滑动弧放电实验,并记录了其电信号和放电图像。结果表明:滑动弧放电过程中存在2种滑动放电模式,即稳定滑动放电(A-G)和伴随击穿滑动放电(B-G),2者在电信号特征和电弧运动形态上存在明显不同,并受气体体积流量、施加电压等因素的影响;流场环境和施加的电压对电弧形态及发展过程影响显著,随着气体体积流量的增大,滑动弧放电由A-G模式向B-G模式发展;对于E-1型电极,当气体体积流量较大时(77 L/min),电弧滑动周期较小(9 ms),且出口截面电弧旋转速度较大(11 m/s);随着施加电压幅值的增大,电弧滑动放电模式由B-G模式向A-G模式发展,且出口截面电弧旋转速度增大。实验结果对于揭示大气压交流滑动弧放电机理具有参考价值。

旋转刀盘母面成形的弧齿线圆柱齿轮数学建模

将空间啮合理论用于齿轮的齿面数学方程推导,建立了可用于理论分析的采用旋转刀盘为成形母面的弧齿线圆柱齿轮齿面数学方程。通过观察分析齿轮加工中刀盘与齿胚的运动关系,将弧齿线圆柱齿轮齿面分割为3个主要构成曲面,建立了加工过程中的动态与静态坐标系,依据曲面包络理论建立工作曲面的曲面数学方程,根据坐标转换关系建立了齿底和齿根曲面方程;在此基础上建立齿面方程。输出齿面的点云数据,通过逆向工程拟合取得可用于编辑裁剪的齿轮曲面,再根据曲面之间的关系裁剪曲面,最终生成齿轮3D模型实体。此方法建立了精确的弧齿线圆柱齿轮3D模型,并且与采用模拟加工方法生成的模型一致,为精确地进行有限元分析提供了基础;而由此方法获得的曲面方程可用于对弧齿线圆柱齿轮的理论分析。

不同旋气槽数对SF_6断路器三维气流场影响

针对SF6断路器提出了在气体通道的喷口上游增加旋气槽,实现将传统的轴向吹弧改为旋转吹弧的新型喷口结构。以110kVSF6断路器为研究对象,采用有限体积法对有槽和无槽结构的SF6断路器进行数值模拟并研究了旋气结构对气流场参数的影响。在理论研究表明带有旋气槽结构的断路器具有很强的吹弧能力的基础上,进一步在保证灭弧室内气体流量不变条件下,进行了改变旋气槽槽数对吹弧能力影响的深入研究,得到不同旋气槽数对气流速度分布的影响规律,为进一步定量研究新型旋气式SF6断路器奠定基础。

旋转电弧间隙开关的电极烧蚀

为减小开关电极烧蚀 ,延长开关的寿命 ,设计了一个旋转电弧场畸变间隙开关 ,方法是使开关间隙放电产生的电弧在外加磁场或自身产生的磁场的驱动作用下沿着开关电极的表面运动 ,从而达到减小开关电极烧蚀的效果。给出了不同开关结构、不同电极材料和不同电流波形情况下的大电流烧蚀的微观照片。

轴向磁场控制的旋转电弧开关的研制

开关在脉冲功率技术中极其重要,其已成为制约脉冲功率技术发展的主要技术瓶颈。为了满足高电压、大电流、高电荷转移量、电极烧蚀小、寿命长的要求,文中设计了一个由轴向磁场控制的旋转电弧间隙开关,研究了其电磁场分布及轴向磁场下电弧的运动机制,并进行了初步实验。结果表明此开关中的电弧确实在轴向磁场控制下做旋转运动,且运动速度很快,不需要对触发脉冲进行陡化就能得到纳秒级脉冲。实验放电波形比较稳定,分散性为2ns;开关电极表面的烧蚀小,有利于延长开关的寿命;开关工作参数为:电压23kV,单脉冲能量0.314MJ,峰值电流100kA,电荷转移量27.3C/脉冲。

高压SF_6断路器三维动态电弧仿真

为了研究高压SF6断路器在短路开断过程中电弧的变化情况,建立了三维能量源动态电弧模型和三维气流场模型.考虑到电流变化对整个气流场中压力、温度以及电弧形态的影响,将电弧模型、旋气式断路器气流场模型以及触头的机械运动通过计算机耦合并行求解,对电弧与气流场的共同作用进行分析.仿真结果表明,该电弧模型可以反映出电弧从燃烧到熄灭过程的形态变化和能量逸散过程,得出了电弧和熄弧期间喷口压力的变化规律.

60Si2Mn钢高速电弧喷涂耐磨涂层的摩擦磨损性能

为提高旋耕刀的耐磨性并延长其使用寿命,利用高速电弧喷涂技术在旋耕刀材料60Si2Mn钢表面制备NiAl粘结层与Ni-Al2O3、Cr2O3、SiC、Cr、Ti和Fe构成的耐磨涂层。经XRD、显微组织分析及硬度测试得到,耐磨涂层由Fe9.64Ti0.36、FeAl、Al2O3和SiO2多相组成,组织均匀致密,表面硬度达到1 037 HV0.2,比传统淬火、中温回火的表面硬度提高69%,表层硬度最高达到1 202HV0.2。摩擦磨损试验结果表明,耐磨涂层与传统淬火、中温回火相比,体积磨损量下降60%,摩擦因数降低44%,电弧喷涂涂层有效的降低了摩擦和磨损,改善了材料的耐磨性。

内圆弧截面回转成形腔体加工探讨

从加工含有内圆弧截面的回转体机械模具产品出发,对比分析"赶刀法"、靠模铣削、数控和样板刀加工等常用加工工艺的不足。探讨加工刀具绕断面轮廓圆弧中心做圆周旋转的可行性,设计出一套内圆弧面车削工具,通过使刀具做围绕刀座轴线的圆周运动,解决了常用加工工艺中的过切、干涉及刀尖圆角造成的加工误差等问题。该套车削工具具有安装使用方便、调整简单精确、可实现大圆弧截面加工、降低工人劳动强度、提高工件精度和降低粗糙度的效果。

周向弧形弹簧双质量飞轮设计方法研究

根据周向弧形弹簧式双质量飞轮结构及工作原理，基于怠速工况和正常行驶工况下所建立的发动机、双质量飞轮与动力传动系统的多质量扭振模型，提出了周向弧形弹簧式双质量飞轮第1级扭转刚度的取值方法以及双质量飞轮转动惯量分配方法。根据弧形弹簧的布置形式，分析了第2级扭转刚度与第1级扭转刚度的关系，提出了第2级扭转刚度的取值方法。采用普通离合器式扭转减振器，动力传动系统在怠速工况下第1阶扭振频率在15～20Hz之间，与发动机怠速接近，容易发生扭振。利用此方法为某轿车设计了周向弧形弹簧式双质量飞轮，并对该车的动力传动系统进行了模态分析与振动试验验证。研究结果表明：怠速工况下，第1阶扭振频率降至9Hz，远低于怠速；正常行驶工况下，在正常行驶速度范围内未发生立谐次扭振，并对发动机的速度波动削减了67％，具有良好的减振效果。

旋转电弧焊接熔池温度场与流场数值模拟

建立了旋转电弧焊接热源模型,综合考虑了电磁力、熔滴冲击力、表面张力、电弧压力、浮力等外界作用,对旋转电弧焊接条件下的熔池温度场和流场进行了数值模拟。模拟结果表明,电弧不旋转焊接时,在熔池的上部,铁水由熔池中心向熔池边缘流动,流场和温度场在焊缝的横截面上均呈现出对称分布的特征;在熔池的下部,铁水由熔池边缘向熔池中心流动,这种流动导致了指状熔深的产生。旋转电弧焊接时,在熔池中产生了一个绕着电极轴线逆时针运动的涡状流动,熔池的流场和温度场在焊缝的横截面上不再对称;在熔池的下部,则没有出现铁水由熔池边缘向熔池中心流动的情况,与普通焊接相比,熔池的熔宽变大,熔深变小。

旋转电弧传感角焊缝信号滤波研究

针对含短路抑制的旋转电弧信号,为提高电流信号信噪比,提出了一种组合滤波方法。首先,在电流信号中运用差分法确定短路抑制位置;再将短路抑制特性与差分特点相结合,确定短路抑制的起点和终点位置,对抑制段信号进行线性修复。然后,采用中值滤波、均值滤波以及平滑滤波等对电流信号滤波。最后,通过滤波后信号与基于实际熔池的理论模型电流信号分析对比及预设固定偏差的试验,证明组合滤波的有效性。

旋弧式灭弧装置中电流过零后介质自由恢复过程的研究

通过对旋弧式灭弧装置中电弧电流过零后弧隙中介质自由恢复过程的测量,得到了和SF_6气吹灭弧方法相似的介质自由恢复特性。并首次揭示了介质自由恢复特性和电弧电流之间的关系,以及导磁材料的存在对介质强度恢复过程的影响。