厚板窄间隙焊接技术研究现状与应用进展

窄间隙焊接技术已经成为现代工业生产中厚板结构的首选技术,其技术和经济优势决定了它是今后厚板焊接技术发展的主要方向之一,近年来随着科技工作者的不断探索和研发,相继涌现了多种窄间隙焊接方法,文中对电弧焊、激光焊和激光-电弧复合焊等窄间隙焊接制造技术进行了系统阐述,概述了不同热源窄间隙焊接制造过程中的焊接质量、焊接效率的影响因素,归纳了不同热源窄间隙焊的工艺特点及应用领域,结合国内外相关技术的发展现状,总结了窄间隙焊技术面临的问题,提出了后续的发展建议,为相关领域的科研工作者提供参考.

Q345B钢激光-电弧复合焊接工艺性能研究

利用激光-电弧复合焊接方法,研究了6 mm厚Q345B板激光-电弧复合焊接成形的影响规律,并分析了该方式下工况适应性及接头性能。结果表明:在激光功率为4000 W、焊接速度0.8 m/min、送丝速度8 m/min及光丝间距5 mm时获得了良好的焊缝成形,且对间隙和错边的适应性较好;焊缝X射线探伤可以达到I级合格;接头力学性能表现良好。

基于有限元分析的感应钎焊蜂窝板工艺研究

为设计合理的感应线圈结构,并探究不同输入电流、加热时间对焊缝温度最大值的影响,选取适合的工艺参数,从而实现蜂窝板感应钎焊的高效率制备。本文建立了感应钎焊蜂窝板的有限元模型,设计了3种形状的线圈:螺旋形线圈、双回形线圈、M形线圈,并计算得到3种线圈感应钎焊蜂窝板的温度场分布,同时探究了不同工艺参数对温度最大值的影响规律。在模拟的基础上,对Ti_(2)AlNb合金和高温合金组成的蜂窝夹层结构进行钎焊试验,验证了感应钎焊Ti_(2)AlNb/GH4099蜂窝夹层结构具有良好的可行性。结果表明,螺旋形线圈在焊缝处的磁场更加集中,产生的电磁热更多,钎焊效率更高。螺旋形线圈更利于感应钎涂过程中产生大量电磁热,并且当电流为1000 A,加热时间为15 s时钎焊效率最高,且实验得到的Ti_(2)AlNb/GH4099蜂窝夹层结构力学性能优异。

手术机器人被动关节有限元仿真方法研究

为了在初期结构设计或优化结构设计时能够快速得出手术机械臂末端关节的刚度,针对由结构件、钢带、带轮及轴承组成的手术机器人被动关节结构,提出了一种可以同时考虑轴承刚度、钢带预紧力及结构件刚度因素的有限元仿真分析方法,用于计算关节结构的刚度。通过试验实测数据,完成了仿真结果与实测结果的对比验证。验证结果表明,该有限元柔性化刚度仿真方法精度高,对刚度性能设计具有指导意义。

热场辅助电磁脉冲焊接Al/Cu异种金属接头组织性能研究

采用热场辅助电磁脉冲焊接技术对Al/Cu异种金属进行焊接,对比分析了热场温度分别为室温、100℃和200℃条件下焊接接头的宏观形貌、界面组织及力学性能。结果表明:热场辅助电磁脉冲焊接技术能够实现Al/Cu异种金属的优质焊接;随着热场温度的增加,焊接接头有效结合区的尺寸增大。而波状界面形貌随着热场温度不同呈现不同的形态,室温下界面呈现正弦波和剪切波的混合波形,100℃下呈不规则的嵌入式波形形貌,200℃下的形貌与室温类似,但是界面反应层的厚度最大;三种温度下的界面反应区都检测到了Al-Cu化合物的存在。力学性能测试结果表明,随着热场温度的升高,焊接接头的力学性能逐渐提高。当加热温度为200℃时,焊接接头的抗拉剪力达到了4076 N;所有试样都在界面处发生断裂,断裂区域存在断口形貌呈现“河流状”和韧窝结构混合形式,推断焊接接头的失效模式为韧脆混合断裂。在外场温度作用下,焊接接头的有效结合区增大,界面波形结构发生改变,进而有效地提升了接头的力学性能。

介观领域中的激光熔透信号物理特性研究

可靠熔透在线检测是激光焊接智能制造领域的重要问题,但是激光熔透信号属于介观尺度光学信号,而传统检测方法受宏观采样手段局限无法有效获取介观熔透信息.所以开展激光匙孔内部更深层次的介观领域特性研究,对于实现可靠熔透在线检测具有重要的指导意义.试验通过自制的光学成像系统,在红外特定谱段下捕捉到了介观熔透信号,研究表明该信号具有隐蔽性强、指向性高、波动性大、趋势性显著的物理特性,并充分证明了介观熔透信号复杂波动表面下的趋势性特征.通过抽象化提取和比对分析发现,该特征不但重复性较好、受焊接热反应本质制约,更与激光焊接熔透状态具有较好的一致性.通过该项研究可为开发介观尺度激光熔透可靠在线检测提供重要理论支撑.

基于热功率的焊接热输入分配及稀释率预测

【目的】热输入Q_(HI)仅简单描述了焊接能量的来源与大小,没有阐明焊缝与母材吸收的热量如何分配的不足。【方法】该文利用基于填充金属量提出的热功率PPR概念,通过焊缝尺寸测量,JmatPro与公式计算等手段,实现了焊接热输入分配及稀释率进行的预测。【结果】基于P_(PR)可实现对熔化母材面积A_(mb)的预测,其曲线变化可分为渐增区、快增区、缓增区3个阶段。结合JmatPro计算的材料体积比热容与A_(mb)预测公式,可将不同PPR下的有效焊接热输入Q_(e)进行细分,发现在可焊区形成焊缝的热输入只占其31.77%~34.69%。【结论】提出了基于P_(PR)的焊缝面积百分比稀释率δ预测公式,并给出可焊区的焊接热功率为12.69~47.88 kW/cm^(2),稀释率为48.28%~85.03%。

万瓦级扫描激光焊接背面焊缝成形规律研究

采用穿透式扫描激光不开坡口焊接方法对8 mm厚碳钢进行了万瓦级激光焊接试验,分析了激光功率、焊接速度、离焦量、扫描幅度和扫描频率对焊缝背面成形的影响。结果表明,当焊接速度为0.9 m/min、1.2 m/min时,在扫描激光作用下熔池受表面张力与重力平衡,获得了背面成形均匀、连续、根部熔透良好,背面余高合适的焊缝;随着离焦量从-10 mm到+10 mm变化,负离焦相较于正离焦焊缝成形更连续均匀,背部余高在1.2~1.5 mm;改变扫描幅度与扫描频率时,扫描频率大于300 Hz、幅度大于2 mm时焊缝部分未熔透,扫描频率为200 Hz、扫描幅度为1 mm时焊缝成形较好;焊接热输入和离焦量对焊缝背面成形的影响作用大于扫描频率和扫描幅度。通过提高焊接速度、选用-10~0 mm之间离焦量、liner(垂直)扫描方式、200 Hz扫描频率、1 mm或2 mm扫描幅度可获得均匀、连续、根部熔合良好的背面焊缝成形。

大厚度TC4钛合金窄间隙焊接接头组织性能研究

围绕磁控窄间隙TIG焊接(MCNG-TIG)和真空电子束焊接(EBW)大厚度TC4钛合金接头微观结构不均匀性及其对接头力学行为的影响进行了对比研究。利用扫描电子显微镜对两种接头中部焊缝区和热影响区不同区域的微观组织进行了表征,并对接头截面显微硬度分布和室温拉伸性能进行测定。结果表明,两种接头焊缝区皆为网篮组织,但MCNG-TIG焊缝中α板条宽度比EBW焊缝更加细小。热影响区为初生α相+β转变组织构成的混合组织。随着距焊缝中心的距离增大,β转变组织含量降低。MCNG-TIG热影响区中β转变组织比EBW热影响区更加细小。MCNG-TIG接头平均硬度分布为:热影响区>母材>焊缝;EBW接头平均硬度值分布为:焊缝>热影响区>母材。两种接头的室温拉伸强度系数皆达到0.9以上,EBW接头强度和延伸率略高于MCNG-TIG接头。MCNG-TIG接头室拉伸断裂位置位于靠近母材的热影响区,而EBW接头断裂位置位于焊缝中心。拉伸应变演化结果表明,MCNG-TIG接头在拉伸早期阶段在焊缝中和靠近母材的热影响区同时出现了应变峰值区域。随着拉伸的进行,双应变峰值区特征消失,塑性应变主要集中在靠近母材的热影响区。

TC4钛合金低真空20kW激光焊接特性研究

为探究厚壁钛合金在不同环境压力下的激光焊接特性,采用低真空激光焊接技术对Ti6Al4V合金进行非熔透焊接试验研究,分析了亚气氛环境压力对钛合金万瓦级激光焊接焊缝成形、焊接气孔、等离子体羽、熔池及匙孔的影响规律,并探讨亚气氛环境可以改善万瓦级激光焊接质量的可能原因。研究结果表明:环境压力对焊缝熔深、熔池宽度及匙孔上表面开口直径的影响存在一个临界区间即104 Pa数量级,达到临界区间后焊缝熔深会显著增加,熔池宽度、孔口直径显著减小。造成这种现象的可能原因之一是等离子体羽的突变,亚气氛环境激光焊接等离子体羽被明显抑制,对激光束能量传输的干扰效应降低。

GH4169惯性摩擦焊界面摩擦及瞬态热过程数值模拟研究

针对GH4169高温合金惯性摩擦焊过程,基于有限元方法研究了界面摩擦机制的转变、摩擦产热和温度场等热过程参量的分布特征及瞬态演化规律。利用试验数据对有限元模型的准确性进行了对比验证。结果表明,焊接初始整个界面均为库仑摩擦区,从0.54 s开始库仑摩擦区逐渐缩小并在9.60 s完全消失,剪切摩擦区从0.31R0(R0为工件半径)处开始形成并逐渐扩展至整个界面。根据模拟结果,提出了描述库仑摩擦区演化过程的解析公式。分析了摩擦机制转变引起的界面热流密度、摩擦应力和温度的耦合关系及变化规律。研究表明,界面上库仑摩擦机制向剪切摩擦机制的转变有利于焊接界面附近温度场的均匀化。

真空激光焊接技术研究进展

随着激光器功率的增加,激光传输受等离子体羽辉影响损耗严重,导致激光焊接一次性可穿透深度并非与激光输出功率成正比,焊缝成形稳定性无法可靠保证。而在真空环境下,激光焊接能够展现出不同的工艺特征,能有效抑制等离子体羽辉,增加焊缝熔深,改善熔池稳定性,获得高质量的焊缝。真空激光焊接为实现厚壁构件优质、高效焊接提供了新的工艺方法与研究思路。在综合评述国内外研究成果的基础上,介绍了真空激光焊接技术的发展历史,分析真空环境下激光焊接过程中的焊缝成形、熔池与匙孔、等离子体羽辉特征,梳理了真空激光焊接装备设计和真空激光焊接的相关应用等内容,并对目前该技术研究中存在的问题进行探讨以及对真空激光焊接技术未来发展方向进行展望。

工业纯钛摩擦螺柱焊接头组织与性能研究

为解决传统电弧螺柱焊焊接大直径(M≥12 mm)有色金属时焊缝合格率低、焊接工艺繁琐等问题,提出采用静龙门式搅拌摩擦焊设备配合专用螺柱焊工装对尺寸为M12、材质为TA2的工业纯钛螺柱与底板进行焊接。并对三组不同顶锻位移下的工业纯钛螺柱焊接头进行宏观形貌、显微组织、抗扭强度与显微硬度分析。结果表明,在顶锻位移较小的情况下,TA2螺柱焊接头焊缝中心出现孔洞缺陷,顶锻位移中等的情况下焊缝中心出现条状缺陷,而较大参数下接头焊合良好,未发现缺陷;顶锻位移为3 mm时接头抗扭强度最高,可达117 N·m;锻造变形组织使焊缝附近区域显微硬度明显升高。

超声冲击改善铝合金焊接接头组织和性能的研究进展

铝合金焊接过程中存在的裂纹、组织粗大、残余应力和变形等问题一直制约着该领域的发展。超声冲击处理(Ultrasonic impact treatment,UIT)作为辅助强化焊接接头的手段之一,能够有效地细化组织、改善应力状态和表面粗糙度,并有效提高焊接接头的拉伸性能、疲劳性能和抗腐蚀性能。为了更好地理解超声冲击对铝合金焊接接头的作用和影响,推动超声冲击技术在铝合金焊接领域得到更广泛的应用,在此基于超声冲击的工作原理,介绍了其对不同类型的铝合金焊接接头微观组织形态、应力分布、表面粗糙度、综合性能和内部缺陷的影响,以期为超声冲击辅助铝合金焊接过程提供帮助,最后对超声冲击在铝合金焊接领域中尚需深入研究的问题和发展方向进行了展望。

5059铝镁合金TIG焊接接头组织性能研究

通过开展5059铝镁合金4 mm自动TIG焊对比试验,当热输入为13.8 kJ/cm时,焊缝组织为尺寸较大的等轴晶组织,晶内呈树支状生长,平均晶粒度约为2.56级,焊缝区域能谱(EDS)发现第二相含有7.78%Mg、9.20%Mn,接头的抗拉强度低于330 MPa。当降低热输入为12.5 kJ/cm时,通过调整焊接压力架工装的工作状态,保证焊接试板有效压紧,提高焊缝冷却速度,焊缝组织为尺寸较小的等轴晶组织,呈条状规则排列,平均晶粒度约为4.91级,焊缝区域能谱(EDS)发现第二相含有11.10%Mg、8.86%Mn,接头中形成含有Mg、Mn的金属化合物强化相,弥散地分布在铝基体中,且Mg、Mn元素含量较高,焊缝区显微硬度可达到基材显微硬度的90%以上,接头的抗拉强度满足规定值(大于330 MPa)。

Ti60/TC17异种钛合金惯性摩擦焊接头组织性能研究

采用惯性摩擦焊技术焊接Ti60/TC17钛合金,并对焊态/热处理态接头进行组织和性能分析;焊接过程中,有粘流态金属滴落,两侧金属材料熔合较好,且接头焊缝处飞边形貌呈现不规则曲线状,缩短量达4.2 mm,轴向错边小于0.3 mm;焊缝界面两侧区域均发生了动态再结晶,焊缝区显微硬度值较高,越远离焊缝位置显微硬度值越低;焊态下,焊缝处组织为针状α板条和等轴晶粒组成,两侧热机影响区有明显的流线形貌;热处理后,焊缝处针状α板条细化,次生α相增多,再结晶晶界明显,两侧热机影响区流线形貌消失;通过接头拉伸性能测试,焊态/热处理态试样室温拉伸断裂位置均发生在TC17侧,断口形貌呈典型解理断裂,焊态下,平均抗拉强度为978.5 MPa,达母材的92.06%,热处理后,平均抗拉强度为1076.5 MPa,提升98 MPa,超过母材抗拉强度,这说明热处理有利于将组织内的残余应力释放,同时易于析出针状α相,进而提高接头力学性能。

钛合金板翅式换热器壳体焊接加工过程能耗检测方法研究

目前行业内缺少功能多且实用有效的焊接加工能耗在线检测方法,针对此问题,提出并构建了在线检测体系,开发出一套实用性较强的能耗检测系统,实现钛合金板翅式换热器壳体在激光填丝焊接过程中关键能耗参数的获取,并通过试验验证了检测系统及方法的有效性,表明其可以广泛应用于零部件在焊接加工过程中的能耗监测、分析管理及节能优化研究。这将有助于对焊接加工能耗进行合理有效的评价,为未来制定焊接能耗检测方法标准和绿色工厂评价等提供技术支撑。

TC4钛合金激光焊接技术研究进展

激光焊接技术作为当前一种高效、优质焊接新技术的典型代表具有高质、高效、高稳定性、低变形等技术优势,拥有广泛的应用领域。总结了国内外激光焊、激光填丝焊、激光-电弧复合焊接TC4(Ti-6Al-4V)钛合金时,焊接参数对焊缝成形的影响,并且分析了激光-电弧复合焊金属蒸气等离子体的作用机制、复合热源的相互作用模式及熔滴过渡和熔池动力学,重点探讨了焊缝及热影响区典型微观组织及其转变过程,为激光焊接技术在TC4钛合金实际工程应用推广提供理论支撑。

基于3D视觉与深度学习的焊接钢管端部引熄弧板切割点空间定位方法

针对目前焊接钢管端部引熄弧板切割点空间定位精度低、速度慢和环境适应性差的问题,提出了一种基于3D视觉技术和深度学习的高效、高精度的切割点空间定位方法。首先,利用3D视觉技术获取钢管端部的点云数据,通过三维点云处理方法提取有效点云和过滤点云中的离群点,并采用二维图像处理方法将其投影为二维图像;然后通过深度学习中目标检测方法确定二维图像中钢管端部与引熄弧板连接边缘区域;最后计算分析钢管端部与引熄弧板在二维图像中的交点信息并将交点信息映射至原始三维点云,完成钢管端部引熄弧板切割点的空间定位。实验测试了896个不同的钢管端部带有引、熄弧板点云数据(正样本)和104个不带有引熄弧板数据(负样本),统计测试结果:正样本管端和引熄弧板连接边缘定位准确率达到99.56%、误检率为0.15%,负样本检出率为0.29%。使用本文方法测试294次钢管端部引熄弧板切割点空间位置,统计测试结果与实际切割点位综合误差,结果均在±2 mm以内,钢管端部引熄弧板切割点空间定位平均耗时为5.8 s。测试结果表明,该方法可以有效解决上述问题。

高功率激光-MAG复合焊接成形稳定性

采用激光-MAG(Metal active gas arc welding)复合焊接工艺,以焊缝表面成形、焊缝纵截面形貌和熔深波动程度为工艺稳定性评价依据,借助高速摄像系统和图像处理方法,对焊接过程中飞溅和等离子体两种关键过程信息进行特征识别和定量化表征,系统地研究激光功率从5 kW提高到30 kW时,焊接过程关键特征信息与焊接过程稳定性之间的关系。结果表明,随着激光功率的增加,焊缝表面成形出现周期性“上凸-下凹”现象,焊缝内部裂纹和熔深变化特征也随之周期性变化;等离子体面积和飞溅面积均随激光功率的提高呈增加趋势,且两者波动程度和熔深波动程度均呈正相关;等离子体面积增加会导致激光传输过程中能量衰减程度的加剧,使焊缝熔深增加趋势逐渐变缓,其波动程度是影响焊接过程稳定性的关键因素之一。