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。

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.

基于结构光视觉的GTAW送丝位置实时传感技术研究

核电反应堆冷却剂管道(主管道)是连接反应堆压力壳与蒸汽发生器之间的主要承压设备,被称为核电的“主动脉”.主管道焊接通常采用钨极氩弧焊(gas tungsten arc welding,GTAW)工艺,通过轨道小车进行全位置焊接.然而,受限于坡口的一致性以及设备的稳定性,焊丝与熔池之间的相对位置(简称为送丝位置)在焊接过程中不可避免地出现偏移,破坏了熔池稳定,进而对焊接质量造成严重影响.此外,焊接过程中的高亮弧光以及高温也进一步加大了送丝位置传感的难度.针对以上问题,本文基于结构光视觉传感法,通过分析送丝位置对熔池形貌的影响机制,研究熔池形貌与结构光反射图样之间的对应关系,获得一种能够有效判断主管道GTAW焊接过程中送丝位置的传感方法.试验结果表明,结构光视觉传感技术能够利用熔池表面的镜面特性,将熔池表面的振动状态放大.当送丝位置位于熔池前端时,在熔池前端出现凹陷,并且反映为反射图样右端位置的点阵集中.当送丝位置位于熔池内部时,根据焊丝熔化状态又分为大电流和小电流两种情况:当电流较小时,焊丝在熔池与电弧热量的共同作用下熔化,使得熔池内部出现凹陷,并反映为反射图样中部的点阵集中;当电流较大时,焊丝在电弧热量的作用下熔化,滴入熔池并引起熔池振荡.因此,基于结构光视觉技术能够有效地获取焊丝与熔池的相对位置关系.

705C锆合金厚板GTAW焊接工艺研究

在分析锆合金焊接性的基础上,采用手工钨极氩弧焊在真空焊箱内对30 mm厚的705C锆合金厚板进行焊接试验,通过光学显微镜观察、拉伸试验、弯曲试验和硬度试验,分析了焊接接头的组织与力学性能。结果表明:适当增加焊接电流,控制真空度和层间温度等,可以得到较高质量的锆合金厚板焊接接头。焊缝区组织呈细密、小条状α相,热影响区组织未严重粗化,其α相比焊缝区的稍粗。接头抗拉强度、伸长率分别达到母材97%、90%以上,弯曲性能合格,接头横截面上的硬度分布未见脆化和硬化现象。

Cr涂层厚度对锆合金包壳GTAW焊缝组织与性能的影响分析

研究了Cr涂层厚度对锆合金包壳GTAW接头组织和性能的影响,结果表明涂层明显降低焊缝的熔深,Cr元素非均匀熔入焊缝造成焊缝点状特征出现,且随涂层厚度增加而增多,当涂层厚度超过20μm后,涂层侧焊缝形成鱼骨状的共晶组织,并观察到沿晶间扩展的显微裂纹。水腐蚀下焊缝表面的富Cr层具有明显的裂纹和脱落倾向,熔于焊缝内的Cr元素则显著增加焊缝的硬度,当Cr涂层厚度为15μm时焊缝硬度最高,达到299 Hv,涂层厚度继续增加焊缝硬度出现降低趋势。

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。

外加纵向磁场GTAW焊接机理——Ⅱ.电弧模型

针对外加纵向磁场ＧＴＡＷ（ｇａｓｔｕｎｇｓｔｅｎ－ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ）焊接过程，采用小孔气体微压传感器法和钨极探针法分别测定了外加纵向磁场ＧＴＡＷ焊接电弧在水冷ＣＵ阳极板上的等离子流力和电流密度的分布，并对其规律进行了研究，建立了外加纵向磁场 ＧＴＡＷ焊接电弧等离子流力和电流密度的径向分布数学物理模型．

基于变精度粗糙集的脉冲GTAW过程建模方法

采用变精度粗糙集方法对脉冲GTAW过程进行建模,获取能预测熔池背面宽度的动态模型,并对该建模方法的主要步骤和关键问题做了阐述。结果表明,该模型具有足够的精度,能满足焊接应用的需要。该方法拓展了粗糙集理论的应用领域,并为焊接建模提供了一种新方法,具有较大的应用潜力。

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。

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。

电弧熔丝脉冲GTAW熔滴过渡行为分析

提出了电弧熔丝脉冲GTAW焊接工艺,在非熔化极与工件之间的GTA电弧加入脉冲电流,不仅具有传热与传质分离和无飞溅等优点外,同时通过脉冲GTAW控制熔池熔深与形状,减小热影响区,减少合金元素的烧损.结果表明,随着焊丝距离工件高度的减小,熔滴过渡形式从大滴过渡转为无飞溅搭桥过渡,并且距离越近,熔滴过渡频率越快.当焊丝距离工件一定高度,焊接过程一脉一滴时,存在一个最优的频率可以实现最小的熔滴尺寸.

钛合金超音频直流脉冲GTAW焊缝组织性能

基于1.5 mm厚Ti-6Al-4V(TC4)钛合金平板对接试验,研究分析了超音频直流脉冲氩弧焊焊缝金相组织及焊接接头力学性能.结果表明,与常规直流钨极氩弧焊(gas tungsten arc welding,GTAW)相比,由于超音频直流脉冲方波电流的作用,气泡逸出速度增大,Ti-6Al-4V钛合金焊缝的气孔敏感性降低,熔池高温液态金属流动性增强,电弧能量集中,焊缝晶粒细化明显,其亚晶组织以短棒状a'马氏体组成的网篮状组织或a'片状组织与短棒状a'相交织的状态为主,焊接接头断后伸长率和断面收缩率显著提高.

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。

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。

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。

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。