电弧光谱信息在焊接质量检测上的应用研究

通过采集TIG，MIG焊接过程的光谱辐射信息，基于等离子体辐射的基础理论，对其焊接电弧辐射进行了分析，TIG焊与MIG焊的光谱分布由于气氛中金属元素浓度的差别，辐射强度和分布都存在较大差别：MIG焊不仅金属线谱数量多，辐射强度比TIG焊大，且随熔滴过渡波动明显。针对其光谱分布和变化特点，选择了特征谱段，用于焊接质量的检测；对于TIG焊选取线谱聚集的紫外区辐射（230-300nm），对于MIG焊选取以连续辐射为主的可见光区辐射（570～590nm），建立了不同焊接方法下，焊接电弧光谱信息在焊接质量检测上的应用理论基础。还进一步通过在焊接过程中预设干扰因素，采集焊接过程在特征谱段的信号，对选择谱段的试验验证表明：基于建立的理论基础，可以有效地利用焊接电弧光谱信息，对焊接质量及焊接过程干扰因素实现判识，特征谱段的信号具有很好的信噪比。

AZ91D镁合金表面激光熔覆Al-TiC涂层组织和性能的研究

目的研究Al-TiC涂层组织和性能的特性,以提高镁合金涂层的硬度和耐蚀性能。方法采用Nd:YAG固体激光器,在AZ91D镁合金表面通过激光熔覆制备Al-TiC涂层,采用光学显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、电化学工作站,对熔覆层的组织形貌、物相结构、显微硬度和耐蚀性能进行测定和分析。结果 Al-TiC涂层的主要组成相有AlTi_3(C,N)_(0.6),Al_3Mg_2,Mg_2Al_3,Al和TiC等。激光熔覆层的厚度约为0.35 mm,表面成型良好,结合层晶粒细小,熔覆层与镁合金基体之间结合良好,呈大波浪形。熔覆层试样的平均显微硬度为224HV,约为基体显微硬度(62HV)的4倍,由此表明熔覆层对镁合金硬度有明显的增强作用。镁合金基体的自腐蚀电位为-1.475 V,自腐蚀电流密度为7.556×10^(–5) A/cm^2,熔覆层试样的自腐蚀电位为-1.138V,自腐蚀电流密度为4.828×10^(–5) A/cm^2,与镁合金基体相比,熔覆层的腐蚀电位值增加,腐蚀电流密度值变小,熔覆层的耐蚀性能得到提高。结论采用激光熔覆技术,能够在AZ91D镁合金基体表面制备Al-TiC涂层,由于硬质相AlTi_3(C,N)_(0.6),Al_3Mg_2,Mg_2Al_3,TiC等的存在,熔覆层的显微硬度和耐蚀性能显著提高。

稀土氧化物对焊条熔敷金属抗高温硫化腐蚀机制的研究

通过在焊条药皮中分别添加稀土氧化物La2O3及CeO2,研究其对焊条熔敷金属在含硫气氛中腐蚀性能的影响。并在此基础上,进一步分析了稀土氧化物对焊缝金属抗高温硫化腐蚀的作用机制,结果表明:稀土氧化物在焊条药皮中的加入使熔敷金属抗高温硫化腐蚀性能有显著提高,添加La2O3的焊条熔敷金属比添加CeO2的焊条熔敷金属具有更好的抗高温硫化腐蚀性能。提高焊缝金属抗高温硫化腐蚀性能的机制,与稀土元素在焊缝组织中的分布、减少内硫化的加速腐蚀过程相关。

焊接多信息同步采集系统构建

为了更有效地提取有价值的焊接信息,建立了可实现对焊接电信号、高速摄像与光谱信息的同步采集的焊接多信息同步采集系统。并对给定触发脉冲下获得的焊接电信号、高速摄像照片和光谱信息进行比较分析,发现这三者在时间上具有很好的对应关系。即实现了焊接多信息的同步采集与分析,对进一步诊断其他焊接方法在各种状态对电弧的影响奠定了基础。

基于VC的焊接混沌关联维数分析软件

在G-P算法及相关改进的基础上,开发了焊接混沌关联维数的可视化分析软件。该软件能够根据不同的焊接方法和试验参数,对焊接过程时间序列信号的关联维数进行准确计算与分析,具有友好的人际交互界面。整体软件设计分为参数设置、结果输出和分析与备注3个模块,分别用于不同焊接条件下关联维数及相关参数的数值计算和拟合曲线,并根据用户的不同需求进行数据的提取和保存,进而对焊接过程的稳定性和工艺优化做出定量地评估。该软件的开发不仅充分利用了计算机资源,而且为焊接混沌特性的研究提供了有利的工具。

激光复合焊数值模拟研究进展

焊接热过程是局部加热极不均匀的,且具有瞬时性、不稳定性以及复杂性等特点。激光-电弧复合焊接是一种具有较好工业应用前景的新技术,目前已经引起了国内外研究人员的广泛重视。由于计算机技术的迅速发展,对焊接现象进行数值模拟是国内外焊接工作者的热门研究课题,并得到了越来越广泛地应用。本文概括介绍了激光-电弧复合焊数值模拟过程中应用到的热源模型、控制方程和边界条件、激光与电弧相互作用以及小孔和熔池的动态行为等方面的研究进展及发展趋势。

坡口角度及焊丝偏移量对钛/铝冷弧MIG焊接头显微组织与力学性能的影响

采用SAl 5183焊丝对TA2钛/5A05铝进行脉冲冷弧MIG焊.研究钛侧坡口角度θ及焊丝偏移量d对接头成形及显微组织与力学性能的影响.结果表明,坡口角度过小时,接头上部钛局部熔化而根部结合不良,Ti/Al界面组织差异大;坡口角度过大则出现焊缝下塌;坡口角度在30°~45°范围内,Ti/Al界面组织差异小且结合良好.焊丝偏向钛侧时,接头上部钛局部熔化而根部结合不良,Ti/Al界面组织差异大;焊丝向铝侧偏移过大则出现焊缝下塌;焊丝偏铝侧0~1 mm时,Ti/Al界面组织差异小且结合良好.试验获得的优化工艺为坡口角度θ=35°,焊丝偏铝d=0.5 mm.最佳工艺下,接头上部Ti/Al钎焊界面形成了Ti_(3.3)Al和TiAl_(3)两层金属间化合物;接头下部则通过形成一层TiAl_(3)实现钎焊结合;接头平均抗拉强度达198 MPa.创新点:(1)揭示了坡口角度及焊丝偏移量对钛/铝冷弧MIG焊接头成形、Ti/Al界面组织特性及接头抗拉强度影响规律.(2)揭示了优化工艺下钛与铝异种金属冷弧MIG焊结合机理.

高速超威弧MIG焊下TC4/5A06接头界面组织特性

采用填充SAl5183焊丝和高速超威弧MIG焊方法对TC4钛合金和5A06铝合金进行了熔钎焊,采用SEM、XRD及拉伸测试等分析了焊接热输入E对TC4/5A06接头组织性能的影响规律.结果表明,在试验参数条件下,热输入E对TC4/5A06界面显微组织和接头的力学性能具有明显影响:当热输入E≤0.93 kJ/cm时,接头根部存在未熔合缺陷,TC4/5A06界面处形成了一层厚度不足1μm的TiAl3;当热输入E≥1.20 kJ/cm时,焊缝出现了熔穿缺陷,接头上部和中部的TC4/5A06界面处形成了厚度在2.5~6μm的TiAl3+Ti3Al双层结构,其它区域则形成一层厚约1μm的TiAl3;热输入E在1.02~1.11 kJ/cm范围内时,焊缝成形良好,TC4/5A06界面处形成厚度在0.7~1.5μm的单层TiAl3.在选择的工艺范围内,接头的平均抗拉强度随E的增大而逐渐增大,在不出现成形缺陷的条件下,抗拉强度最高可达232 MPa.

基于光谱的激光—MAG复合焊耦合机理分析

采用光纤式光谱仪,对激光—MAG复合焊等离子体辐射,进行空间分布200～1100nm间光谱采集。选取特定谱段辐射积分,给出其在紫外辐射(FeII)、可见光辐射(FeI)、红外辐射(ArI)各扫描层面辐射强度分布。进一步结合高速摄像,研究激光—MAG复合焊的耦合机理。研究结果表明,激光与MAG复合后,其等离子体在焊接电弧中心位置的辐射增强(其中紫外和可见光谱段更明显),形成一个辐射梯度较大的辐射增强区。FeI、FeII对应谱段的电弧辐射区间增宽,这种现象在激光作用的电弧前沿更明显。特定谱段辐射的面分布表明,激光—MAG耦合后,辐射在熔池附近及电弧中部的辐射增强,而在电弧上部的辐射减弱。耦合后的等离子体能量分布更集中于中心部位和熔池附近,复合等离子体Fe辐射区间的增宽,也为电弧稳定提供电离通道。耦合后等离子体辐射分布,使得激光复合焊焊缝成形改善、电弧稳定性增加。

不同参数钢和铝TIG焊电弧光谱辐射分析

通过调整焊接参数,对不同焊接参数下(弧长、电流、气流量),钢(直流正接)和铝(直流反接)TIG焊电弧的光谱分布信息进行了采集,研究不同焊接参数下焊接电弧光谱信息的变化规律。结果表明,钢TIG焊过程中,不同谱段辐射强度会随弧长增加而增加,但在弧长较长时与较短时变化规律不同;其中线谱较少区域与弧长变化之间的线性度最好;辐射随焊接电流的增加成正比增加;在气流量较大时,随气流量变化不明显,气流量较小时存在明显影响。铝在TIG焊中,随弧长变化,光谱辐射强度没有明显变化;辐射随焊接电流的增加成正比增加;在气流量较大时随气流量变化不明显,气流量较小时存在明显影响。

大功率YAG激光-MAG复合热源的光谱诊断与分析

大功率YAG激光-MAG复合热源具有广泛的工业应用前景,其等离子体状态的诊断对于指导复合热源发展方向、优化复合参数具有重要意义。通过建立的中空探针光谱扫描系统,采用荷兰Avaspec-FT-2快速数字光谱仪,横向扫描焊接电弧等离子体,采集YAG激光-MAG复合等离子体不同空间位置的光谱;通过计算得到其特定辐射谱段的空间分布,对比激光复合前后等离子体辐射的变化;并结合高速摄像照片,探讨其耦合机理。进一步选取特定谱线(FeⅠ),采用Boltzmann图法对复合热源等离子体的空间电子温度进行计算;研究结果表明,YAG激光-MAG电弧复合后,等离子能量更靠近熔池,集中作用于焊接试板,其能量作用区域展宽;在电弧中心区造成电子温度上升。

不同参数下MIG焊电弧光谱波动特点

熔化极惰性气体保护焊(MIG)过程中,熔滴过渡、弧长波动等会引起辐射的剧烈变化,其变化规律对于焊接质量检测具有重要意义.文中通过采集不同参数下的MIG焊电弧光谱分布,研究其在焊接过程中的变化规律;并结合该参数下熔滴过渡特征,基于电弧物理理论,对典型参数下光谱波动的规律进行物理解释.结果表明,不同参数下电弧光谱的分布和变化规律不同,具有各自的光谱分布特征;在MIG焊接过程中,由于熔滴过渡会造成光谱信息的规律波动,但在过渡的不同时间段,光谱信号在不同谱段(紫外区、可见光区、近红外区)的变化规律存在较大差异.

AZ91D镁合金表面激光熔覆Al-Cu合金的温度场模拟与验证

目的确定AZ91D镁合金表面激光熔覆Al-Cu合金的最佳工艺参数。方法利用有限元软件ANSYS建立移动高斯热源作用下的温度场三维模型,对不同参数下激光熔覆过程中的温度场进行动态模拟,确定工艺参数。结果熔池中心的温度随着激光功率的增大而增大,随着热源移动速度和光斑直径的增大而减小。温度过高时,熔覆层下塌且内部出现裂纹;温度过低时,熔覆层上有大量的金属颗粒且内部含有夹杂物。结论当功率为240 W、扫描速度为2.5 mm/s、光斑直径为0.6 mm时,熔池中心的温度约为1100℃,熔覆层与基体接触面的温度约为700℃。在此参数下得到了表面成形光滑且与基体结合紧密的致密熔覆层。

基于电弧光谱的钢熔化极惰性气体保护焊质量判识

通过对熔化极惰性气体保护电弧焊(MIG焊)电弧光谱分布进行采集,研究其光谱分布的基本特征,并基于光谱分布的分析,通过预设干扰因素,对不同特征谱段光谱信号随焊接过程的变化进行采集,寻求MIG焊接质量在线光谱测控的理论依据和工程实现。研究结果表明,MIG焊电弧光谱在不同谱段存在金属谱线和Ar谱线聚集区。在不同弧长下的不同熔滴过渡形态,其光谱信号在特征谱段得到明显反映,电流变化引起的焊道变宽也有很好的特征信号;不同干扰因素引起的焊接缺陷,在焊接电弧光谱信号不同谱段的分布和变化规律不同,通过对特征谱段信息的采集,可以获得关于焊接过程信息的特征信号,从而实现对MIG焊接质量的分类判识。

激光-MAG复合焊等离子体辐射分析

对于MAG焊、激光-MAG复合焊的等离子体辐射,采用中空探针,使特定点的辐射通过探针对其等离子辐射进行空间分布采集,对比分析激光复合前后等离子体辐射光谱的分布规律,并结合高速摄像,为激光-MAG复合焊的耦合机理研究和工程应用提供理论基础.结果表明,激光复合后,在电弧中心形成一个辐射明显增大的区域,区域外侧存在一个辐射降低区域;在电弧前侧激光复合作用位置,会形成一个以铁辐射谱线为主的"电离通道".激光复合后,电离通道的存在为电弧的稳定提供了基础;在中心区形成了能量集中的辐射通道,改变了电弧中能量的分布,使能量更集中于中心区域,获得比传统MAG焊更大的熔深.

不同参数下GMAW电信号关联维数分析

GMAW焊接过程的非线性决定了其混沌特性,关联维数是对动力系统混沌特性进行定量分析的主要指标.文中采用相空间重构方法,通过计算关联维数,对GMAW焊接过程中电流信号时间序列进行分析;并改变焊接电压、焊接电流、气体流量等工艺参数,研究不同参数下弧焊过程的混沌特性.结果表明,GMAW焊接过程的混沌现象,不仅存在于短路过渡当中,也存在于滴状过渡中.在此基础上,进一步研究了关联维数随焊接参数的变化规律,认为关联维数可作为焊接过程稳定性评价的依据,即关联维数越小,焊接过程越稳定,焊接工艺参数越优化.上述判据对焊接工艺参数选择的工艺优化试验,焊接过程稳定性监控提供了混沌判识的理论基础.

基于特征元素谱线的TIG焊质量检测方法

通过采集钢钨极氩弧焊(TIG焊)电弧光谱,对其在200～1100nm间的元素线谱进行了研究,对电弧光谱中存在的辐射线谱进行了标定.并基于电弧等离子体辐射基础理论,分析了TIG焊电弧辐射的特点,提出利用特征元素线谱检测焊接质量的思想;通过特征元素谱线(段)的筛选,给出与焊接质量密切相关的特征谱线(谱段).结果表明,通过同步采集选定谱段的焊接电弧辐射强度,研究特征谱线(谱段)电弧辐射在焊接过程中强度的变化;基于不同谱段信号变化特点,可对焊接过程的干扰因素进行融合判识,从而检测干扰因素和焊接质量;不同干扰因素的响应特征谱段不同.

脉冲电流对钛/铝异种金属熔钎焊界面特征的影响

采用填丝脉冲钨极氩弧焊(P-GTAW)对TA15钛合金与2024铝合金进行焊接试验.分析脉冲电流对钛/铝异种金属界面结合特性的影响;观察接头厚度方向不同位置Ti/Al界面显微组织特征,并对界面反应层的物相组成和化学元素分布进行分析.结果表明,采用P-GTAW实现了钛与铝异种金属薄板的对接,钛合金发生微量熔化,与铝合金形成熔钎焊结合;通过采用脉冲电流,改善了Ti/Al界面的能量密度分布,减小了接头厚度方向界面的显微组织差异;由于脉冲电流的作用,减少了Ti/Al界面附近连续脆性金属间化合物的生成,降低了接头的裂纹敏感性,提高了接头的性能.

基于Lyapunov指数的GMAW喷射过渡稳定性分析

基于Takens相空间重构理论及Lyapunov指数的wolf法,通过优化原始时间序列选取方法,对GMAW喷射过渡的混沌特性进行研究,依据Lyapunov指数变化规律分析喷射过渡的稳定性。结果表明,喷射过渡过程处于混沌状态,其最大Lyapunov指数均大于0,Lyapunov指数可用于分析喷射过渡过程的稳定性。在射滴阶段,随着电流增加,Lyapunov指数逐渐增大,混沌的复杂程度有所增加,焊接过程稳定性降低,在射流阶段,随着电流的增大,Lyapunov指数逐渐减小,混沌的复杂程度降低,焊接过程的稳定性提高。从射滴过渡到射流过渡是一个渐变过程,转变临界电流存在于一个较小的电流区间内;在此区间熔滴过渡形态为射滴、射流混合过渡,过渡频率不规律导致Lyapunov指数不稳定,实际焊接过程中应该尽量避开此电流区间。

AZ91D镁合金表面堆焊Al-Si合金涂层微观组织及分析

目的在镁合金上堆焊Al-Si合金涂层,分析Mg/Al界面处过渡区的组织、成分与形成过程。方法采用低成本、高效的直流脉冲熔化极气体保护焊(DC-PMIG welding),在低热输入下将ER4043(AlSi5)焊丝堆焊到AZ91D镁合金表面,形成Al-Si合金涂层。采用金相显微镜、扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪分析Mg/Al过渡区的微观组织,讨论过渡区的组织、成分,并分析其形成过程与机理。结果过渡区分为两部分。区域Ⅰ的主要成分依次为Mg+Al_(12)Mg_(17)、Al_(12)Mg_(17)、Al_(12)Mg_(17)+Al_3Mg_2和Al_3Mg_2,不规则块状Mg_2Si相弥散分布于其中。区域Ⅱ的主要成分为柱状α-Al,表面析出了大量点状Al_3Mg_2,α-Al柱状晶晶界处存在黑色点状Mg_2Si。结论直流脉冲熔化极气体保护焊能够在AZ91D镁合金表面制备Al-Si合金涂层,基体与涂层之间存在过渡区,过渡区中不同位置的镁、铝相对含量不同,成分也不相同。区域Ⅰ与区域Ⅱ中Mg_2Si不同的析出顺序,使其微观结构不同:Mg_2Si在镁含量相对较多的区域Ⅰ中优先析出并长大,形成块状Mg_2Si;而区域Ⅱ中率先析出α-Al,随后在α-Al晶界处形成了黑色点状Mg_2Si。