特征信号图像测速法在超声速多组分等离子体射流中的应用

高速稀薄等离子体流场在航空航天领域有重要的应用.等离子体射流不同于常规的气体或液体的流动,其内部的电离状态、丰富的反应活性、多样的特征尺度、热平衡与非平衡共存等特点导致传统测速方法难以应用.特征信号图像测速法(SSIV)通过将羽流光强波动作为示踪信号来测量流体速度,从而拥有更好的流体跟随性和测量精度.利用低气压(约为100 Pa)直流电弧等离子体实验平台,文章基于特征信号图像测速方法,通过跟踪发生器输入功率周期变化引起的光强波动来测量纯氩以及氩-氦多组分两种工况下的羽流轴向平均速度分布.将中心波长为696.5 nm的窄带滤光片安装到光学镜头上,进一步获取两种工况下氩原子(ArI)单一谱线所对应的射流速度.结果分析表明,相同工况(电功率、气体质量流量及背景气压)下,氩-氦多组分等离子体的射流平均速度显著高于纯氩等离子体射流的平均速度.并且在氩-氦多组分等离子体的射流中,基于整体光强波动得到的射流速度要明显高于基于Ar I特征谱线获得的速度,表明SSIV方法不仅能够测量可压缩等离子体射流的平均速度,还具有分辨不同组分速度场的能力.研究结果展示了特征信号图像测速方法在复杂流场测量中的适用性和优势.

钽薄板微间隙TIG氦弧点对接焊熔池的数值分析

针对钽薄板微间隙TIG氦弧焊接方法,基于有限元分析软件ANSYS,采用数值模拟方法计算了间隙处取不同边界条件时温度场的分布。计算结果表明:间隙的存在使得温度场分布不均,是熔池表面形状呈现椭圆形的一个重要因素,这种影响随焊接时间的变化更为明显。分析了间隙对熔池形状的影响,得出不同工艺参数对熔宽变化的影响规律,并分析了电弧形态差异对接头的影响,这对制定实际的TIG焊工艺具有指导意义。

管子对接全位置TIG氦弧内焊工艺研究

对于壁厚为4mm的小口径管道TIG全位置对接内焊,采用氦弧焊Ⅰ型坡口单面焊双面成型.结合试验,通过对峰值电流、基值电流、焊接速度、电弧电压的优化,解决仰焊焊缝塌陷及下坡焊未焊透的问题,得出最佳工艺.最佳工艺分为4个区,焊接速度75 mm/min、峰值电流114～ 130 A、基值电流58 ～62 A、送丝速度0.45 ～0.6m/min、电弧电压13.4～ 14.0 V.试验表明,在管道全位置TIG对接既不能外焊又不能摆动的情况下,氦弧内焊不失为一种理想选择.

对接间隙对钽薄板TIG氦弧焊熔池形态影响的数值分析

为了研究焊接过程中对接间隙对熔池形态的影响,本文基于有限元分析软件ANSYS,针对钽薄板微间隙TIG氦弧焊接方法,用数值模拟的方法计算了钽薄板TIG氦弧对接焊过程中对接间隙存在时温度场的分布以及不同对接间隙时熔池表面形态的变化。分析了对接间隙的变化对熔池表面形状的影响,并对间隙存在时焊枪偏离焊缝中心的温度场进行了分析。计算了由于边缘效应和焊接热源有效作用范围带来的热传递效应不同时工件内温度场的分布。计算结果表明间隙的存在造成温度场分布不均,是熔池表面形态呈现椭圆形的一个决定性因素,这种影响随焊接时间的增加更为明显。研究结果对制定TIG焊工艺具有实际指导意义。

大电流钨极氩—氦混合气体电弧行为分析

采用水冷紫铜阳极和水冷TIG焊枪,在60～400A的直流电流范围内,对钨极氩-氦混合气体电弧的行为进行了测定和分析,主要测定和讨论了氩、氦及其不同配比的混合气体电弧的静特性、电弧形态、阴极热功率、阳极热功率等内容.结果表明,随着氦气体积流量分数的增大,特别是当其大于80%以上时,电弧电压明显增大,阳极热功率所占比例明显增大,而阴极热功率所占比例却明显减少.试验中使用TIG焊接方法,通过增大氦气体积流量分数和焊接电流,可完全实现常温下中、厚紫铜试件的熔化,获得足够的熔深和良好的熔深形状,进而可实现不预热焊接.

保护气对焊接电弧行为与热输出特性的影响

为提高传统非熔化极惰性气体保护焊电弧的电弧力和能量密度,提出保护气为氦气的氦弧;试验中利用高速摄像记录氦弧的电弧形态,同时对电弧力和电流密度进行测量计算,并与传统氩弧进行分析对比。结果表明,在同一参数下氦弧同一截面直径明显小于传统氩弧;且氦弧电弧力的最大值大于传统氩弧;相同条件下氦弧的电流密度比传统氩弧更加集中。为对比焊接效果,在Q235钢板上做定点烧蚀试验,并对阳极表面熔池尺寸和焊接接头的晶粒度进行分析。试验结果表明,与传统氩弧相比,氦弧在焊接接头的熔深和熔宽都偏大,但晶粒度平均等级小于氩弧。

钽薄板TIG氦弧焊热过程的数值分析

针对钽薄板氦弧焊接的特点,基于有限元分析软件ANSYS,对钽薄板TIG氦弧焊接的温度场进行三维数值动态模拟,并将计算量控制在可接受的范围内。建模时采用实体单元和表面单元结合,并采用焊缝处细密、远离焊缝处粗略的不均匀网格,热载荷施加过程中采取了一系列非线性措施,分析了焊接结束后温度场在工件上的分布规律及冷却时间对工件温度场分布的影响,并据此提出了提高钽薄板TIG氦弧焊接接头质量的方案。计算结果表明熔池的尺寸随焊接时间的变化较为明显。计算所得熔池大小与实验结果基本吻合。

Ar、He保护的MIG焊电弧模拟对比研究

在MIG焊接过程中,电弧等离子体中必然存在金属蒸汽,金属蒸汽的存在很大程度上影响着电弧的特性。考虑金属蒸汽和电弧辐射能量,本文建立了二维轴对称电弧模型,利用Fluent软件对氦和氢保护的MIG焊电弧进行数值模拟。结果表明,在考虑辐射的情况下,氦弧的温度场明显收缩,电弧温度下降。与氩气保护的MIG焊进行对比,发现氦弧温度场的最高温度低于氩弧的,高温区域大于氩弧的,这是由于氦气和氩气的热物性参数差异所导致的。

钽薄板TIG焊接电弧形态的研究

通过高速摄像方法研究了钽薄板TIG焊接过程中,保护气体及工艺参数不同时电弧形态的变化规律及其对焊接质量的影响。结果表明:保护气体不同时,电弧形态明显不同。采用TIG焊焊接钽板时使用氦弧能得到更好的焊接质量;当弧长不变,增加焊接电流时,电弧有效作用范围变大,电弧温度及能量密度高,熔池增大速度较快;当焊接电流不变,弧长增加时,电弧有效加热半径变大,但由于弧长增加而引起电弧热能分散,熔池增长速度较慢,热影响区范围增大。焊接工艺参数的变化对电弧形态的影响规律,对制定钽薄板TIG焊接过程中较为合理的工艺参数具有重要意义。

铝合金非熔化极直流正接氦弧焊氧化膜撕裂机理

采用高速摄影观察了不同气体流量下铝合金非熔化极直流正接氦弧焊焊接过程中电弧的形态及氧化膜撕裂过程.观察测量结果表明,在试验参数范围内氦气流量的增加减弱了氧化膜的撕裂程度,但提升了焊缝深宽比及电弧能量效率.氦弧焊阳极产热功率的提升削弱了氧化膜之间的化学键强度,产生了氧化膜撕裂现象.在静力学平衡方程基础上推导得出了熔池液面与电极所在平面交线的微分方程,解释了熔池液面下凹程度随氦气流量增加而增加的原因,同时熔池中心指向熔池边缘表面张力也随气体流量增加而减小,两种因素共同作用使氧化膜撕裂程度随气体流量增加而减弱.

大型锆-钢复合板反应器的焊接技术及质量评价

介绍了窄间隙埋弧焊、氩弧焊、等离子弧焊等焊接方法在大型锆-钢复合板反应器制造中的应用,并指出了各种方法的适用范围及优缺点。除对焊接接头进行常规的射线、渗透及超声检测外,还对反应器进行了水压、气密性、热循环、氦检漏等试验,检验复层焊缝在设计温度、设计压力下是否产生缺陷及缺陷是否发生扩展,尽可能保证设备的长周期安全运行。

2219铝合金不同气氛下TIG焊焊接接头组织性能

为研究氦弧TIG焊焊缝质量,对比分析了2219铝合金氦弧TIG焊与氩弧TIG焊焊缝成形及组织性能.结果表明,在背部熔宽相同的条件下,氦弧TIG焊焊缝正面熔宽、下塌量及热影响区宽度均小于氩弧TIG焊,氦弧TIG焊与氩弧TIG焊焊缝的微观组织及第二相组织基本相似,焊缝区晶粒为等轴晶,热影响区晶粒为粗大的板条状,组织为粗大的α铝基体与金属间化合物Al2Cu及少量的共晶组织,焊缝区的第二相组织明显多于热影响区,无法发挥弥散强化的作用.氦弧TIG焊与氩弧TIG焊焊接接头的断裂方式均为韧性断裂,抗拉强度基本保持一致,氦弧TIG焊焊接接头的断裂总延伸率高于氩弧TIG焊,维氏硬度高于氩弧TIG焊焊缝的硬度.

氩氦等离子体电弧特性的数值模拟

应用ANSYS软件对氩、氦等离子体电弧进行了数值模拟。通过前处理、求解、后处理,分别模拟了氩弧和氦弧的电弧温度分布。通过比较氩弧和氦弧温度场发现,氦弧的径向距离明显收缩。模拟结果表明:氩弧温度场分布呈钟罩形,而氦弧呈球形;氦弧的最高温度小于氩弧,但氦弧的平均温度高于氩弧。等离子体的热力学与输运性质不同是造成以上差异的主要原因。

不同焊接条件下TIG焊接紫铜厚板的热效应研究

为改善紫铜厚板的焊接性,采用商业有限元软件Marc对钨极气体保护焊接紫铜厚板的温度场进行模拟,并详细讨论了焊接电流以及预热温度对熔池和热影响区的影响.结果表明,熔池和热影响区均随着预热温度和焊接电流的增加而增加,因此,在采用不同的预热温度和焊接电流的组合可以得到相同尺寸的熔池,但热影响区尺寸差别很大;在20℃时采用He或N2气保护焊得到的熔池尺寸与Ar气保护预热400℃时得到的熔池尺寸基本一致,但热影响区的尺寸窄于Ar气保护预热400℃时得到的热影响区尺寸.

镁合金铸件氦-氩保护TIG焊修复工艺

镁合金因其较高的比强度而在诸多领域发挥重要的减重作用,且多为铸造构件,但镁合金铸件的缺陷问题成为制造瓶颈.对镁合金铸件修复工艺进行研究,采用非熔化极惰性气体保护焊(TIG焊)探究此工艺下不同保护气体对TIG焊修复焊道的成形、组织特征及性能的影响,并通过不同氦-氩含量的保护气体下TIG焊电弧形态及电弧电压的研究,分析氦气含量对修复焊道熔深的影响.结果表明,调整镁合金铸件TIG焊修复工艺保护气体中的氦气比例,会改善焊道形貌;增加保护气体中的氦气比例,将有效提高焊道熔深和深宽比;保护气体中氦气含量的改变对修复焊道组织、硬度无显著影响.模拟缺陷修复试验结果表明,镁合金铸件氦-氩保护TIG修复工艺可以满足铸件浅层缺陷修复需求,增加保护气体中氦气含量可提高熔深,提高此工艺的适用性.

厚板铝合金变极性等离子弧焊工艺

分析铝镁合金的焊接特性和变极性等离子弧焊的焊接特点及氩-氦电弧的特性,依据8～12 mm板厚5083的焊接经验,选用变极性等离子弧焊,分别采用氩气、氩气+氦气作为保护气体,对16 mm厚的5083铝合金进行焊接试验,通过优化焊接工艺参数,获得良好的焊缝成形;按JB/T 4730《承压设备无损检测》的要求对获得的焊接接头进行射线检测和渗透检测,通过机械性能试验验证焊接接头的机械性能,各项检测及试验结果均符合NB/T 47014《承压设备焊接工艺评定》的要求,获得的焊接工艺规范参数在高压封闭电器外壳筒体的焊接中稳定应用。

氩氦混合气对铝合金CMT电弧增材制造过程成形质量的影响

针对铝合金CMT电弧增材制造技术,采用5356铝合金焊丝在Ar+He二元混合气体保护下进行CMT机器人自动化增材制造实验,研究不同Ar+He混合气比例对成形试样尺寸精度和力学性能的影响。对试样尺寸精度、气孔率及拉伸性能进行了分析。结果显示:表面粗糙度随氦气比例的增加先增加后减小。当氦气比例增加到75%后,不仅可以有效消除0.2 mm以上的宏观气孔,也可以消除显微气孔。力学性能显示抗拉强度同样随氦气比例的增加先增大后减小,70%Ar+30%He时抗拉强度达到最大值252.5 MPa。

脉冲堆元件的焊接

脉冲堆用的7种元件的密封包装是通过焊接来完成的。本文以燃料元件为主,着重对焊接设备,焊接工艺及质量检验进行了介绍,同时还介绍了脉冲氩弧焊和氦弧堵孔焊的工艺。

通过保护气体装置实时调节热输入的电弧增材工艺研究

电弧增材制造技术以电弧为载能束,采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件,具有广阔的发展前景,但该技术仍存在合金元素烧损、热裂纹、产品变形等问题。因此,本研究通过调节保护气体的混合比例,研究混合气体与热输入量之间的关系,开发一种实时控制热输入量的电弧增材工艺。研究表明:由于氦气的电离能、导热率高,氦气的含量与电弧电压成正相关;以氦气和氩气为混合气体的保护气体装置可以有效地调节热输入量。

电弧特性及其对熔池形貌影响的数值模拟

通过电弧模型与熔池模型耦合数值模拟,研究了氩弧和氦弧特性及其对SUS304不锈钢钨极惰性气体保护(TIG)焊熔池形貌的影响.通过比较氩弧和氦弧的温度轮廓线以及阳极表面电流密度和热流密度分布发现,氦弧的径向距离比氩弧收缩明显,导致更多热量传递给阳极.模拟了氩弧和氦弧下浮力、电磁力、表面张力和气体剪切力分别对熔池形貌的影响.结果表明:不论是在氩弧还是在氦弧下,熔池中表面张力是影响熔池形貌的最主要驱动力.在氩弧下,影响熔池形貌的另一个重要的驱动力是气体剪切力,而氦弧下则是电磁力.由于电磁力引起的内对流运动增加了熔深,从而导致相同氧含量时氦弧下的熔深和焊缝深宽比要高于氩弧下的熔深和焊缝深宽比.随着氧含量的增加,氩弧和氦弧下的焊缝深宽比均先增加而后保持不变.焊缝深宽比的模拟结果与实验结果符合较好.