旁路耦合微束等离子弧焊增材制造的热过程

针对旁路耦合微束等离子弧焊电弧增材制造中的热物理过程,利用K型热电偶测量堆垛过程中不同焊接速度、不同旁路电流和不同堆垛顺序下的热循环曲线,分析研究堆垛成型时各参数对热过程的影响。结果表明:随着焊接速度的增大,母材热输入减小;在合适的旁路电流区间内,增加旁路电流,母材热输入减少;且同向堆垛散热性要优于往复堆垛。精确控制旁路电流、合理规划堆垛路径可较好地控制旁路耦合微束等离子弧焊电弧增材制造的热过程。

旁路耦合微束等离子弧增材制造自适应高度控制系统

在xPC Target实时目标环境下,采用旁路耦合微束等离子弧进行增材堆垛试验,探究最大临界送丝速度、焊炬悬空高度和总电压等过程参数之间的关系.通过数据分析得到了送丝速度与总电压的回归模型,进一步在xPC Target系统中创建变送丝和电压反馈相结合的自适应高度调节控制模型,搭建了基于自适应高度调节的旁路耦合微束等离子弧增材制造控制系统,进行了在台阶形基板上的堆垛成形试验和单墙体零件自适应堆垛试验.结果表明,该控制系统能提高增材制造过程的稳定性;优化堆垛高度方向上的成形路径设计;实现复杂形状基板上金属零件的堆垛成形.

旁路耦合微束等离子弧热特性及焊缝成形特点

针对传统微束等离子弧焊中焊丝熔敷率与焊接电流不能解耦的局限,提出旁路耦合微束等离子弧焊方法.通过给外填焊丝添加一电流,使焊丝与焊枪钨极间产生一个旁路电弧,实现熔化母材热量与熔化焊丝热量的解耦,确保熔化母材电流稳定的同时提高填充焊丝的熔化速度.对旁路耦合微束等离子弧焊的熔敷率、母材热输入及焊缝成形质量进行试验研究.结果表明,该方法既保持了传统微束等离子弧焊的优点,又在提高焊丝熔敷率的同时降低母材的热输入;并在其它焊接参数保持不变时,随旁路电流的增加,焊缝的熔宽、熔深和稀释率减小,余高和成形系数增大.

旁路耦合微束等离子弧焊增材制造曲面零件

基于xPC Target 实时目标环境,建立了旁路耦合微束等离子弧焊增材制造系统.运用UG/NX软件系统实现了增材制造过程中零件从模型建立、成形路径规划到执行代码生成的一体化和自动化.通过改变旁路电流的大小完成了304L不锈钢椭圆筒形零件和圆柱形零件的快速成形.对堆垛成形后的圆柱形零件进行铣削加工完成了不锈钢戒指零件的加工制造.

旁路耦合微束等离子弧增材制造

在分析旁路耦合电弧焊的基础上,提出了旁路耦合微束等离子弧焊(DE-MPAW)方法.该方法以微束等离子弧焊炬为主路,填充焊丝为旁路,通过可调电阻调节旁路电流大小.在不降低成形效率的基础上,减小成形件的热输入,从而有利于电弧增材制造.在此基础上开展了DE-MPAW焊接方法的初步研究.在DE-MPAW焊实验系统及测控的基础上,对比研究了不同旁路电流下DE-MPAW焊熔滴过渡情况;分析了母材热输入随旁路电流的变化规律,研究了焊缝成形的变化情况;初步开展了DE-MPAW增材制造单道多层的堆垛研究.结果表明:随着旁路电流的增大,其熔滴过渡频率、母材热输入、熔深都相应地减小,且DE-MPAW方法能够较好适用于增材制造.

Inconel 713LC铸造高温合金微束等离子弧焊接裂纹形成机理及抑制

针对Inconel 713LC铸造高温合金焊接增材时热影响区易产生裂纹这一问题,采用微束等离子弧焊接技术,运用扫描电镜和能谱仪对裂纹的微观形貌、合金元素分布进行分析,探究合金热影响区焊接裂纹的形成机理,研究裂纹抑制技术.结果表明,热影响区焊接裂纹的出现主要是受焊接热输入作用晶间碳化物发生部分溶解和液化形成液相,同时晶粒受热长大推动原始晶界发生移动后与液相交汇形成更大面积的液相,晶粒及晶界中的Nb元素、Mo元素和Ti元素等合金元素向液相偏聚,液相冷却凝固后形成尺寸超过10μm的碳化物,在焊接热应力作用下裂纹萌生于碳化物周围并沿晶界扩展,焊接裂纹数量和尺寸均随着热输入的增大而增大.通过脉冲焊接降低焊接热输入,热影响区的高温停留时间变短,降低焊接过程中热影响区合金元素的偏聚,减少合金中有害碳化物的长大,抑制裂纹生成;对铸态母材进行固溶处理后,合金元素偏聚得到均匀化处理,母材硬度下降,塑性得以改善,减弱了合金元素的富集倾向,降低了焊接时的裂纹敏感性.

旁路耦合微束等离子弧堆垛与熔池动态行为数值模拟

针对旁路耦合微束等离子弧增材制造堆垛过程中熔滴与熔池的动态行为,在考虑自由表面的情况下,建立一个熔滴与熔池耦合作用的传热与传质模型,分析表面张力和熔滴冲击动量共同作用下的熔池瞬态形状和复杂的流体流动行为,并通过试验验证了模型的正确性。研究发现:当熔滴携带热量冲击熔池时,熔池温度升高,熔池中的最大速度可增大到2.06 m/s;随着进入熔池的熔滴数目增加,熔池余高增加,熔宽增加,而熔深基本不变;同时,当旁路电流增大时,母材温度较低,造成更浅的熔深,更高的余高和更小的熔宽,熔池液态金属的流动也不稳定;增加熔滴间隔时间后,每一层的顶部半径随着层数增加而减小。

旁路耦合微束等离子铝合金薄板焊接工艺

采用ER4047铝丝在5A06铝板表面进行平板堆焊实验,对旁路耦合微束等离子薄板焊接工艺进行研究,研究了焊接电流、旁路电流、送丝速度对焊缝的影响规律,并与传统微束等离子焊接工艺进行比较.研究发现:随着旁路电流的增加,焊丝的熔化速度不断增加,且在相同焊接参数下,相比传统微束等离子焊接方法,旁路耦合微束等离子焊丝的熔化速度更快;采用旁路微束等离子焊接方法可以精确分配母材与焊丝的热输入,得到形貌良好的焊缝.且旁路电流能够有效地增加焊丝的熔化速度,减少母材的热输入,相比传统微束等离子薄板焊接工艺,能够大大提高生产效率,提高焊缝质量.

微束等离子弧焊电弧多物理场耦合

对微束等离子弧焊电弧温度场、流场、电磁场、电弧压力场进行了计算分析.结果表明,轴向和径向温度分别随距钨棒端部和电弧轴中心距离的增加而降低;轴向流速经一段时间后趋于稳定,喷嘴内等离子体径向流速较喷嘴外小,且喷嘴内外流场方向相反;电磁力随距钨棒端面距离的增加而减小,喷嘴内较喷嘴外大,且喷嘴内外电磁力方向也不完全一样;阳极表面上的电弧压力远小于普通等离子弧焊的电弧压力.此外,各物理场之间相互耦合.高速摄影相机拍摄后经处理得到的电弧等灰度线分布与数值模拟轴向等温线分布趋势一致;三维动态光谱检测系统检测计算得到的径向温度分布与数值模拟得到的径向温度分布一致.

基于微束等离子弧的焊缝跟踪

进行了基于微束等离子弧的焊缝跟踪传感可行性研究。利用微束等离子弧发生器产生非转移等离子弧,测量喷嘴与工件之间的等离子焰流的等效电阻,试验发现,该等效电阻与喷嘴距工件的高度之间有明确的对应关系,配合适当的扫描装置,可实现焊缝位置检测功能。进行了维弧电流、喷嘴结构、电极直径、离子气流量等参数对该等效电阻的影响试验,为这种传感方式在实际应用中的各参数选择,提供了试验依据。

微束等离子弧熔凝处理15CrMo钢的组织和性能

利用微束等离子弧对15CrMo钢表面进行熔凝处理,研究了熔凝后各区域的组织和性能。采用光学显微镜、显微硬度仪、磨损试验机、电化学腐蚀试验等方法对各区域进行了测试分析。结果表明,经微束等离子弧熔凝处理后试样剖面由熔凝区、热影响区和基体三部分组成。15CrMo基体组织为铁素体和珠光体组织,熔凝区组织为马氏体组织,热影响区晶粒大小不一,组织不均匀。熔凝区和热影响区的显微硬度和耐磨性明显高于基体,其显微硬度值约为基体的2倍。电化学试验表明经微束等离子弧表面熔凝处理后可提高试样表面的抗腐蚀性能。

激光-微束等离子弧复合焊接过程的结构负载声发射信号表征

采用脉冲YAG激光焊、微束等离子弧焊和激光-微束等离子弧复合焊对304不锈钢进行焊接试验,实时采集焊接过程中的结构负载声发射信号,研究声发射信号对焊接过程的表征.结果表明,激光离焦量为-2 mm的激光-微束等离子弧复合焊接,热源复合效果更好,焊缝表现出更显著的复合热源焊接特征.焊缝获得了更好的表面成形和熔深、熔宽.热源复合效果更好的焊接过程,其声发射信号波形表现出更大振幅,且更为均匀,并与激光热源的周期性相符,呈现出明显的复合热源焊接周期性.因此可以利用焊接过程检测到的结构负载声发射信号表征激光和微束等离子弧两种热源复合效果特征.

灰铸铁微束等离子弧表面处理的研究

利用微束等离子弧对灰铸铁表面进行扫描,使其表面形成厚度450～550μm的快速凝固薄层,研究发现薄层基体为细化的莱氏体组织,原灰铸铁基体上的片状石墨消失,取而代之的是弥散分布的球状石墨微粒.显微硬度分析证实微束等离子弧表面处理增强了灰铸铁的表面硬度,滑动磨损试验表明经微束等离子弧表面处理的试样的表面耐磨性得以显著提高.

微束等离子弧熔焊和银钎焊钴铬合金机械性能的比较

目的 比较微束等离子弧熔焊和银钎焊钴铬合金的机械性能。方法 采用微束等离子弧焊机熔焊钴铬合金试件,银钎焊法焊接相同规格试件作比较,利用万能拉伸实验机测试两组试件的抗拉强度,观察试件的断裂部位。结果 微束等离子电弧焊试件的抗拉强度大于银钎接试件的抗拉强度,焊接接头的强度接近母材强度,断裂部位在母材和焊缝处的比例为1:1;银钎接试件的抗拉强度较低,有5/6断裂部位在焊缝处。结论 微束等离子弧熔焊钴铬合金机械性能优良,有临床应用前景。

新型微束等离子弧焊接电源的研制

鉴于高频电弧具有较强的自收缩作用及较好的电弧稳定性的特点 ,研制了调制型脉冲微束等离子弧电源 .本电源可通过对高频电流的低频脉冲调制调节电弧对焊缝的热输入 ,同时具有电弧能量密度大、主弧空载电压低及起始电流递增和熄弧电流递减等功能 ,适用于铜、钛、不锈钢等金属薄件、微细件的焊接 .

TC4钛合金微束等离子弧堆焊接头成形研究

分析研究了TC4钛合金薄板微束等离子弧堆焊工艺参数对接头成形的影响。试验结果表明,随焊接电流的增加,堆焊高度明显减小,堆焊宽度明显增加;随焊枪与焊件距离的增大,堆焊高度略微增加,堆焊宽度略微减小;随送丝速度的增大,堆焊高度和堆焊宽度均显著增加。热输入和稀释率是导致上述试验结果的主要原因。

高频脉冲微束等离子弧焊电源的研制

设计了比较理想的高频脉冲微束等离子弧焊电源控制电路,分析了该电路的组成和工作原理。试验结果表明,该电源具有良好的动特性和静特性,电弧稳定,操作简单,能很好地满足微束等离子弧焊的要求。

等离子弧及新型IGBT微束等离子焊接设备

介绍了等离子弧及新型IGBT微束等离子焊接设备

TC4钛合金微束等离子弧焊接接头疲劳性能研究

运用微束等离子弧焊接方法对TC4钛合金薄板进行堆焊,通过测试母材及焊接接头在振动载荷下的疲劳裂纹扩展速率发现,焊接接头的抗裂纹扩展能力比母材强。观察并分析母材及焊接接头的金相组织及疲劳断口可知,焊缝区的网篮组织中存在许多细长α′针状马氏体,会阻碍裂纹的扩展,提高焊缝抗裂纹扩展能力;热影响区组织中的α′针状马氏体比焊缝区数量更多,形态更加短小,是其拥有比焊缝区更好的抗裂纹扩展性能的原因。

横向稳态磁场作用下微束等离子电弧数值分析

为分析外加横向稳态磁场作用下电弧特性与电弧对工件热、力输入的变化规律,本文建立了微束等离子电弧三维模型,将外加磁场简化为背景场添加至模型,使用有限元分析软件COMSOL进行求解计算。结果表明:外加横向稳态磁场作用下,喷嘴内部各项特性均未发生较大变化,喷嘴下方电弧等离子体在洛伦兹力的作用下向x负方向移动,电弧温度、等离子体速度与电流密度等均发生相应的偏转,因此造成电弧对工件的热输入减小、压力降低。最后在薄壁件上进行了焊接试验,试验过程中拍摄的电弧轮廓与仿真电弧形态基本一致,加磁区域堆焊层余高增加、熔宽减小,焊缝向两侧"下塌"现象消失。外加横向稳态磁场可减小电弧对熔池的热、力输入,进而改变焊缝形貌,抑制薄壁件堆焊过程中由于热、力输入过大而产生的"下塌"现象,有利于薄壁件的堆焊成形。