航天铝合金变极性等离子弧焊焊接接头的腐蚀与疲劳交替研究

随着可重复使用航天器理念的提出,可重用航天器多次空天往返和地面修复过程的腐蚀与疲劳交替问题不可忽视。本工作以5A06铝合金变极性等离子弧焊焊接接头为研究对象,对焊接接头进行腐蚀与疲劳交替试验,研究不同单位腐蚀时间对腐蚀与疲劳交替工况下疲劳寿命的影响。通过扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜对其断口进行表征,分析了腐蚀与疲劳交替后焊接接头的损伤特性。结果表明,随着单位腐蚀时间的延长,腐蚀与疲劳交替寿命呈现先下降后平稳的趋势。这主要归因于腐蚀会钝化疲劳裂纹尖端,形成新的点蚀坑,同时钝化疲劳过程中的侵入/挤出和微裂纹降低了表面应力的集中程度,使疲劳寿命相对延长,从而反映出寿命保持稳定的状态。其中,断裂位置均处于热影响区,这主要因为焊接热影响区耐腐蚀性差,易造成严重腐蚀损伤,较大的腐蚀坑引起严重的应力集中,从而加速裂纹萌生。

变极性等离子弧焊技术发展及其在航天制造领域应用现状

变极性等离子弧(VariablePolarityPlasmaArc,VPPA)焊是一种高效的铝合金和镁合金焊接方法,其主要优势在于等离子电弧具有高能量密度,可以在焊接时穿透熔池形成小孔,大幅度降低焊接变形和残余应力,提高焊接质量。了解熔池小孔行为、电弧物理特性和控制方法对于优化和提高焊接过程的稳定性至关重要。本文综述了VPPA焊接技术发展的最新情况,对VPPA焊接过程信息的检测研究为深刻认识焊接稳定性机理提供了有力保障,尤其是利用X射线成像系统观测熔融金属流动的研究,对提升VPPA穿孔熔池物理本质的认识做出了重要贡献。此外,针对不同位置VPPA焊接的研究增加了这一焊接工艺的灵活性,由VPPA焊接衍生的多种拓展工艺拓宽了该焊接方法的适用范围。VPPA穿孔焊接技术以其焊接变形小、焊后无缺陷、单面焊接双面一次成形等优势,成为航空航天领域铝合金中厚板材焊接制造的优选工艺。

激光焊及等离子弧焊不锈钢对接接头的疲劳性能

等离子弧焊及激光束焊接均属于高能量密度焊接方法,具有焊缝成形美观、成本低、效率高等特点,能够焊接不开坡口的中厚板材料。文中主要介绍了厚2 mm不锈钢板分别采用等离子弧焊及激光焊对接接头疲劳性能的对比,以分析2种焊接方法对焊接接头疲劳性能的影响。

Hastelloy C276填丝等离子弧焊与氩弧焊工艺及力学性能对比分析

基于船用脱硫洗涤塔制造项目,比较氩弧焊和填丝等离子弧焊的焊接工艺,分别研究Hastelloy C276合金的焊接工艺性能,并通过无损检测、拉伸、弯曲、腐蚀及金相分析等理化试验方法,对两种焊接方法接头质量、力学性能及耐腐蚀效果进行分析研究,探究出两种焊接工艺性能的优缺点。结果表明:两种焊接方法各项性能均满足相关标准要求。与氩弧焊相比,填丝等离子弧焊在提高效率与焊接稳定性、减少热输入、降低焊接材料成本,以及减少焊接飞溅和气孔等方面具有优越性。

N08825镍基合金等离子焊+机械氩弧焊工艺评定试验研究

本文分析N08825镍基合金的力学性能、焊接性能,总结焊接工作中的影响因素,讨论等离子焊接的焊接坡口设计,最后设计对N08825镍基合金进行等离子焊+机械氩弧焊工艺评定,综合进行对焊接位置的力学性能、宏观金相、硬度试验等,确定使用该焊接技术,可以比较有效地完成对N08825的焊接工作,能够获得较好的焊接效果,并且等离子焊接+机械氩弧焊工艺具有比较强的适用性。

穿孔等离子弧焊正面弧光传感技术研究

小孔的稳定性是影响穿孔等离子弧焊焊接过程稳定性及接头质量的重要因素。在等离子弧发射光谱分析的研究基础上，研制了轻便实用的弧光传感器，采用普通光电器件和滤光镜片替代赘重昂贵的光谱分析系统，可以捕捉到表征小孔特征状态的信号。介绍了弧光传感器的组成、物理模型及信号特征。

等离子弧焊电弧的数值模拟

建立了等离子弧焊静止电弧的三维有限元数学模型,考虑等离子气、保护气的作用,利用ANSYS有限元分析软件对电弧的温度场、速度场、压力以及阳极工件表面的电流密度等进行了数值模拟,并与TIG焊进行了比较。结果表明,由于喷嘴的约束作用,等离子弧焊与TIG焊相比,电弧温度显著提高,焊接电流为150A时电弧最高温度达到30000K。等离子弧焊的另一个显著特点是等离子体流速和电弧压力显著增大。通过计算马赫数、有效粘度和动力粘度之比,认为等离子体电弧处于层流不可压缩状态。

等离子弧焊接穿孔行为的声信号传感

使用高精度传声器采集穿孔型等离子弧焊接过程中的声音信号 ,围绕焊接过程中出现的“小孔效应” ,开展了等离子弧焊接熔透的声音信号传感方法的研究。结果表明 ,焊接过程中的声音信号在熔池的过渡阶段产生了剧烈的低频振动 ,与熔池的振动有关 ,说明声音信号的低频段分量中包含有熔池穿孔状态的信息。频域分析表明 ,声音信号的低频段分量 (0～ 10 0Hz) ,在熔池处于不同阶段时有明显的变化 ,熔池处于过渡阶段时其值大 ,穿孔后小 ,未穿孔时居中。据此 ,设计出了声音信号的A算法 ,用于识别焊接过程中熔池的穿孔状态 ,该算法可靠性较高 。

钛的氩弧焊、激光焊和等离子弧焊的实验研究

采用氩弧焊、激光焊和等离子弧焊焊接钛支架杆，与母材对照，测试其力学性能、显微硬度，并做金相分析、电子断口分析，测试数据经统计学处理。结果显示：钛的氩弧焊、激光焊基本满足修复体焊接要求。

固定电弧等离子弧焊接热传导的数值计算

针对固定电弧等离子弧焊接过程建立了二维稳态热传导模型 ,在模型中考虑了工件表面与周围环境换热及辐射散热对整个焊接热过程的影响 ,并且将焊接电流在流经工件时产生的焦耳热作为热能方程的源项进行计算。针对所建立的模型 ,采用大型商业软件PHOENICS(Parabolichyperbolicorellipticnumericalintegrationcodeseries)对工件中的温度场以及电流密度的分布进行了计算。采用该软件对焊接热过程进行数值模拟 ,可以很方便地对求解变量和边界条件进行操作 ,显著提高了效率。比较结果显示 。

等离子弧焊接熔池温度场的三维数值模拟

建立了运动等离子弧作用下焊接温度场的三维瞬态数值分析模型,以分析等离子弧焊熔池温度分布情况以及焊接电流、焊接速度等焊接工艺参数对其影响情况.综合考虑了液态金属的对流传热和熔池外部的固体导热、材料热物理性能参数随温度的变化、焊件表面的散热以及熔化/凝固相变潜热等对熔池温度场的影响.采用三维锥体热源对小孔型等离子弧焊接过程进行了流体动力学和传热分析,利用ANSYS有限元软件求解所建立的模型,得到了等离子弧焊接过程中温度场的变化情况.模拟结果表明,随焊接电流的增大和焊接速度的减小,熔池体积增加,熔宽和热影响区都增大.试验结果验证了所建立模型的正确性和数值求解方法的可靠性.

铝合金等离子弧焊穿孔熔池正面图象检测与处理

研制了一套窄带复合滤光图象传感系统，从铝合金等离子弧焊焊接工件正面检测到部分小孔溶池的清晰图象。采用Ｇａｕｓ滤波，Ｐｒｅｗｉｔ边缘检测和图象错位边缘检测等方法准确提取出可视小孔熔池的小孔宽度和面积等几何信息。

铜/钢异种材料等离子弧焊接头显微组织分析

为实现铜/钢异种材料的优质连接,研究了铜/钢焊接接头的显微组织特点及其组成,试验采用LHM-200等离子弧焊系统对紫铜(T2)与不锈钢(304)异种材料进行焊接,然后通过光学金相显微镜及能谱分析仪,观察分析接头显微组织,研究其接头组织结构及组成.研究结果表明:铜/钢异种材料的等离子弧焊焊缝在铜一侧为平直的,而在钢一侧则为半χ型,在铜侧界面形成漩涡状;在焊接接头的形成过程中铜元素的迁移和扩散主要依靠钢液的流动所带动;焊接接头显微组织主要为奥氏体组织,弥散分布着块状和粒状的铜和钢的固溶体组织,和黑色鱼骨状的α相铁素体组织;焊缝区组织主要是以α、γ富铁相和ε富铜相固溶体组织的形式存在.通过实现发现最佳的焊接参数为:保护气流量与离子气流量分别为0.25 L/min和0.75 L/min,焊接电流为65 A,焊接速度为4 mm/s,焊接后的接头抗拉强度能达到174 MPa.

变极性等离子弧焊研究进展

变极性等离子弧焊的优点在于能够灵活调节特征工艺参数如电流频率、正负半波电流幅值及导通时间比 ,以满足铝合金焊接时的阴极清理和形成穿孔焊。介绍了国内外在实现变极性电流波形、电弧稳定性、阴极清理机理、小孔信号检测等方面的研究现状。指出保证前后级同步是双逆变电路形式的技术关键 ,双通道形式可克服主、维弧干涉并降低钨电极烧损。溅射、电介质击穿及瞬时熔化和蒸发是目前解释阴极清理机理的主要理论 ,重要的是工艺参数对清理的影响规律。近年来又出现了几种新的小孔检测方法 ,而正面检测及多传感信息融合仍是其主要发展方向。

不锈钢等离子弧焊熔池小孔行为的弧光传感研究

针对不锈钢穿孔等离子弧焊过程，熔池小孔的特征行为与弧光光谱辐射强度之间的关系进行了光谱试验研究。随着小孔的形成与闭合，弧光光谱辐射强度产生了形似于负脉冲信号的显著跃变，该跃变信号对于预测小孔的形成和闭合是极为有利的，而且通过检测敏感谱线的辐射强度可以优化传感信号品质。

铜钢异种材料等离子弧焊接头性能

采用LHM-200等离子弧焊机对1 mm紫铜与低碳钢异种材料进行了熔透型等离子弧焊试验,得到了内部无缺陷、外观成形良好的接头.观察了接头的显微组织,并分析了工艺参数对接头力学性能的影响.结果表明,焊缝区中心显微组织呈细胞群状,界面两侧的组织特征呈现显著的不同,焊缝与铜侧界面没有明显的熔合线,局部呈漩涡状,钢侧与焊缝连接处出现了明显的分界线;最佳工艺为焊接电流为65 A,焊接速度为0.4 cm/s,离子气流量为0.7 L/min,此时接头抗拉强度可达176 MPa,试样断裂于铜母材热影响区.

等离子弧焊中电弧反翘现象的数值模拟

根据流体的质量、动量、能量守恒方程,建立了穿孔等离子弧焊接过程中的等离子电弧三维数学模型,用磁矢量法求解磁场问题。模型包括了一部分喷嘴和钨阴极,小孔也被包含进模型中。利用ANSYS有限元分析软件求解模型,得到等离子电弧的温度分布,以研究等离子弧焊中电弧反翘现象。结果表明,等离子电弧反翘随小孔尺寸的增大而减弱,电弧尾焰随小孔尺寸的增大而增强;而适当的增加焊接速度以使小孔轴线与电弧轴线之间形成一定的偏差是形成等离子电弧反翘现象的必要条件;焊接电流主要是通过改变小孔尺寸而对电弧反翘产生影响。

SiCp/6061 Al复合材料等离子弧焊工艺参数对焊缝组织及性能的影响

采用等离子弧焊接工艺研究铝基复合材料SiCp/6061 Al的焊接性,借助X射线衍射、扫描电镜等手段分析接头组织,着重探讨了在填加和不填加合金化填充材料Ti的情况下,焊接电流、焊接速度对焊缝显微组织及焊接接头力学性能的影响机理,研究表明,在未填加材料Ti时,焊接工艺参数的改变并不能抑制有害相Al4C3的生成,只能改变其尺寸和数量;在填加填充材料Ti时,焊缝熔池中增强相的种类及分布是影响焊接接头性能的主要因素;适当调整焊接工艺参数有利于焊缝中心形成完全以新生颗粒TiC,TiN和AlN为增强相的完全原位反应区;同时减小新旧增强相共存区域的宽度,并消除增强相SiC颗粒的偏聚现象,从而提高了焊接接头的力学性能。

铝合金中厚板变极性等离子电弧焊(VPPA)焊接工艺的研究

目前我国宇航工业中大量的铝合金构件主要采用交流钨极惰性气体保护焊（TIG），用这种方法焊接铝合金不可避免地要产生气孔等焊接缺陷。本文主要介绍了一种新型的焊接方法──变极性等离子电弧焊工艺的特点以及用这种方法焊接LD10CS高强铝合金的试验研究。试验表明：该工艺方法具有能量密度高、穿透力强的特点，因此焊缝成形美观，焊接变形小，接头性能好，3～10mm板一次焊透，单面焊双面成形，焊接效率高。

基于反翘电压的脉冲穿孔等离子弧焊熔透控制系统

采用无源探针检测系统从脉冲穿孔等离子弧焊的反翘电压信号中实时、准确便捷地提取了熔池熔透信息。并以此作为反馈信号,以每个脉冲周期小孔存在时间作为被控制量,脉冲峰值电流作为控制量,采用MATLAB模糊逻辑工具箱进行熔透控制器的设计与仿真,以查表法完成了模糊控制系统的开发。结果表明,该系统可以在脉冲穿孔等离子弧焊接中实现“一脉一孔”过程,不仅保证了连续、稳定、可靠的穿孔焊接过程而且可以得到良好的焊缝成形。