模态试验法测试焊接残余应力机理分析及模型参数估计

为避免残余应力对焊接结构的不利影响,保证其可靠性,需要探究残余应力分布.模态试验法因具有快速和无损的特点,逐渐应用于残余应力测试.为实现模态试验法测试焊接残余应力,通过振动理论分析了模态试验法的机理,获得了薄板焊件中残余应力与固有频率的关系;薄板焊件中的残余拉应力使固有频率减小,残余压应力使固有频率增大.在此基础上,将钻孔法和模态试验相结合,借助数据拟合的方法,估计了模态试验法测试6 mm 7A52铝合金试板VPPA-MIG(variable polarity plasma arc-metal inert gas)复合焊接残余应力的模型参数,确立了固有频率与残余应力的数值关系.依据确立的数值关系,测得了7A52铝合金试板在不同复合焊接参数下的纵向残余应力分布.结果表明,接头各区域的残余应力分布特征与钻孔法测得的结果基本一致,偏差在4%范围之内,估计出的模型参数能够保证模态试验法测试结果的可靠性,实现了焊接残余应力的快速和无损测试.

变极性等离子弧穿孔熔池受力及焊缝成形稳定性

通过YB005-01型压力变送器测定相同参数条件下正极性等离子电弧力大于反极性等离子电弧力,并建立了铝合金VPPA焊接穿孔熔池受力模型,分析了在不对称正、反极性等离子电弧力的作用下,穿孔溶池稳定性及其焊缝成形机理。同时进一步分析铝合金VPPA力学特性,掌握了焊接电流和离子气流量等重要焊接参数对其影响。经穿孔焊工艺实验,合理选择正、反极性电流幅值和离子气流量等参数,保持穿孔熔池热和力的平衡,为获取铝合金VPPA焊接稳定的工艺规范提供了理论支持。

铝合金VPPA-MIG复合焊接电弧形态及伏安特性

试验使用VPPA-MIG复合焊方法对铝合金进行对接试验.通过高速摄像和数据采集系统获取复合电弧形态和伏安特性.结果表明,由于磁场间的耦合作用,在VPPA正极性阶段电弧相互排斥,反极性阶段相互吸引,采取外加横向交变磁场,电弧摆动幅度明显减小.由于MIG焊电弧的存在,等离子电弧伏安特性发生了改变.弧柱气氛更容易电离,使得等离子电弧电压下降.等离子电流较小时,电弧电压随MIG焊电流的增加而降低;等离子电流较大时,随着MIG焊电流进一步增加,电弧电压降低程度有所减少.试验结果为实现厚板铝合金高效焊接及其电弧耦合机理研究提供理论依据.

铝合金LB-VPPA复合焊接热源模型

激光-变极性等离子弧(Laser beam-variable polarity plasma arc,LB-VPPA)属双高能束新型复合焊接热源。采用Y4-S2型高速摄像检测了LB-VPPA复合焊接热源形态,在理论分析复合热源产热机理的基础上,利用Fortran语言对SYSWELD软件热源模型进行二次开发,建立能够实现正、反极性循环加载的LB-VPPA复合焊接热源模型。经与实际焊接熔池形状对比研究发现,熔池上部采用双椭球体热源,下部采用三维锥体热源,同时在小孔根部植入圆柱体热源的组合式热源模型与实际LB-VPPA复合焊接热源吻合。从模拟6 mm厚7A52铝合金板的VPPA焊和LB-VPPA复合焊接温度场分布结果发现,LB-VPPA复合焊能量更为集中,可以在平焊位置下实现穿孔型焊接。经实际焊接工艺试验验证了上述模拟结果的准确性。因此建立精确的LB-VPPA复合焊接热源模型对开展厚板铝合金LB-VPPA复合高效焊接提供强有力的理论支持。

铝合金变极性等离子弧焊温度场数值模拟

通过高速摄像对正、负极性等离子弧形态进行分析,并分析变极性等离子电弧正、反极性不同产热机理的基础上,采用'高斯+双椭球'组合热源模型,建立正、反极性期间不同热源模型。采用ANSYS参数化设计语言(ANSYS parametric designlanguage,APDL)编程语言实现与实际变极性焊接参数对应热载荷的循环交替加载,计算出铝合金变极性等离子弧焊接温度场及熔池形状。对比分析不同变极性电流和焊接速度条件下焊接熔池的穿透深度,并通过实际焊接试验验证热源模型的准确性。研究结果为准确掌握铝合金变极性等离子弧热源形态、产热机理和等离子弧力等特性,并合理选择焊接工艺参数提供理论依据。

铝合金脉冲变极性等离子弧焊接工艺

研发了一种单电源双脉冲混合调制VPPA（variable polarity plasma arc,VPPA）焊接系统,在典型VPPA焊接基础上加入高低频调制脉冲,可输出1~5 k Hz高频脉冲,1~2 Hz低频脉冲及高低频混合脉冲.以3003铝合金为试验对象,采用脉冲VPPA焊接方法,对其进行焊接试验,并通过焊接接头拉伸性能测试、显微相组织分析及断口扫描电镜等手段对铝合金的焊接质量和接头性能进行了分析.结果表明,由于高低频混合脉冲电流的周期性变化,对熔池产生搅拌、冲击作用,从而提高了焊接接头抗拉强度,细化焊缝晶粒组织,断口韧窝趋于均匀且密度增加,提高了铝合金焊缝质量.

钻孔法测量焊接残余应力误差因素分析

为提高焊接残余应力钻孔法测量结果的可靠性,需分析其测量过程中的误差因素,依据误差传递理论推导了由应变误差与释放系数误差传递给最终测量结果的误差公式,并由测量过程中的误差因素建立了一条影响最终测量结果的误差链.以2A12高强铝合金VPPA-MIG复合焊接板材为试验对象,定量分析了误差链中的弹性模量误差、贴片误差和应变读数取值时间误差传递到最终结果中的相对误差.结果表明,由弹性模量误差传递到残余应力σ_1,σ_2中的相对误差均很小;由贴片误差传递到残余应力σ_1,σ_2和Φ角中的相对误差在贴片24 h后均降为0%;由应变取值时间误差传递到残余应力σ_1,σ_2和Φ角中的相对误差在应变释放150 min后均降为0%.

基于弹性模量变化的7A52铝合金VPPA-MIG复合焊接残余应力测试

采用虚拟仪器和NI数据采集卡搭建了一种以小孔法为核心的残余应力测试系统,分析了7A52铝合金VPPA-MIG复合焊后残余应力的分布情况.为降低弹性模量误差对最终测量结果的影响,通过实测复合焊接接头不同区域的弹性模量,拟合弹性模量随测量点位置变化的曲线来修正弹性模量误差.针对10 mm厚7A52铝合金板材,完成了VPPA-MIG复合焊接残余应力测试试验.结果表明,焊缝两侧各区域上的残余应力分布基本关于焊缝对称,熔合区出现最大拉应力,最大横向残余应力σy与纵向残余应力σx分别为118和223 MPa.从熔合区至热影响区,残余应力均为拉应力,逐渐减小且高于焊缝中心的残余应力.与单MIG焊相比,复合焊的最大横向残余应力与纵向残余应力大于MIG焊,但高应力区比MIG焊窄.

铝合金变极性等离子弧焊应力场数值分析

以传热学及热弹塑性有限元分析法为理论基础,利用ANSYS有限元分析软件,对铝合金变极性等离子弧焊接温度场、应力场进行数值模拟.建立"高斯+双椭球"热源模型,通过正反极性不同尺度热源模型的循环加载,实现对焊接温度场及其应力场较准确的计算;焊后在焊缝的纵、横方向选取不同的点进行残余应力实际测量.结果表明,不同路径上焊接残余应力值其分布规律与理论基本相同;实际测量结果同计算结果进行比较,二者数值相差较小,说明数值分析的计算结果具有一定的理论指导意义.

铝合金LB-VPPA复合焊接热源特性

以Al-Mn系铝合金LB-VPPA(laser beam-variable polarity plasma arc)复合焊接热源特性为研究对象,采用Y4-S2型高速摄像仪和汉诺威焊接质量分析仪分别研究了LB-VPPA复合热源焊接过程中的电弧形态的变化、焊接电流、电压的特征信息.结果表明,激光对VPPA焊接电弧有吸引作用,并且与VPPA正、反极性作用机理不同.正极性阶段发现激光被压缩于VPPA电弧内部且作用于电弧根部,而反极性阶段在VPPA电弧上方会出现一个等离子体柱.VPPA焊电弧根部等离子体对激光的逆轫致辐射吸收,电弧因温度升高而膨胀导致其横截面积变大;同时引入激光为VPPA焊接电弧提供了大量自由电子,电流密度增加、导电性增强、电导率提高、电阻减小,导致电弧电压下降了约3~4 V.随着激光功率的增加,激光对VPPA电弧作用效果明显增强.

高强铝合金双脉冲VPPA焊缝成形机理

建立双脉冲VPPA(variable polarity plasma arc)焊接系统,进行7A52高强铝合金双脉冲VPPA焊接工艺试验,研究低频脉冲调制叠加高频脉冲对VPPA焊接过程中焊缝成形和焊缝力学性能的影响.结果表明,低频脉冲周期性振荡液态熔池,可获得表面饱满的鱼鳞纹焊缝;高频脉冲使电弧更为集中,有效地提高了电弧能量密度,穿透力加强;双脉冲耦合振荡加强了对熔池的搅动作用细化了铝合金焊缝晶粒.焊接接头抗拉强度达到384.13 MPa,相比VPPA焊接接头强度提高了10.21%左右;焊接接头断面收缩率和断后伸长率均有一定程度的提高.铝合金双脉冲VPPA焊接工艺提高了焊接接头力学性能.

弧长控制对铝合金双脉冲MIG焊的影响

采用奥地利FRONIUS公司生产的TPS2700型数字化逆变焊机,对2.5 mm的薄板铝合金进行了双脉冲MIG焊接试验。通过HANNOVER焊接质量分析仪对双脉冲MIG焊接电信号进行检测分析,获得了低能脉冲弧长修正(AL1)和高能脉冲弧长修正(AL2)的变化对铝合金双脉冲MIG焊接过程稳定性及其焊接质量的影响规律,即在薄板铝合金双脉冲焊接时,需低能脉冲弧长修正和高能脉冲弧长修正分别调节,并采用比厚板焊接参数略大的弧长控制参数才能获得稳定的焊接过程和良好的焊接质量。

脉冲VPPA焊接信号采集分析系统的设计与应用

为了对脉冲VPPA焊接信号进行检测与分析,研制开发了一套脉冲VPPA焊接过程电、光信号采集分析系统,并对此系统进行了实际调试与应用,结果显示系统运行良好。光电同步显示部分完成了电信号与电弧形态的同步显示;对所采集信号进行了数字滤波,从而提高了信噪比;同时进行了对信号的频谱分析,发现加入不同频率的脉冲电流会增加相应频率的谐波量。该系统利用Labview2011编程实现,可对焊接电、光信号进行同步采集与分析,为以后的研究工作搭建了平台。

铝合金VPPA-MIG复合焊接电信号分析

为分析铝合金VPPA-MIG复合焊接过程中的电信号,在铝合金7A52复合焊接试验过程中,利用VPPA-MIG复合焊接电信号检测系统分别检测VPPA电弧与MIG电弧电信号,将检测到的电信号经小波降噪处理后进行功率谱分析。通过15组试验的电信号功率谱分析发现MIG电弧电信号中总有0 Hz直流分量存在,而且其功率占整个信号功率比例(功率占比)较大。当VPPA电弧正反极性变化频率恒为100 Hz时,MIG电流越大,MIG电弧电信号的主要高频成分及其谐波分量也越大;焊接速度变化会影响MIG电弧电信号的主要高频成分及其谐波分量的功率占比,而VPPA电流变化不会对MIG电弧电信号的主要高频成分产生影响。VPPA电弧电信号的主要频率成分总包含0 Hz直流分量和100 Hz及其各次谐波分量,且不受自身电弧电流、MIG电弧电流以及焊接速度的影响。

铝合金LB-VPPA复合热源焊焊缝成形机理

以Al-Zn系铝合金LB-VPPA(激光-变极性等离子弧)复合焊接焊缝成形机理为研究对象,分析了LB与VPPA耦合效应对复合热源特性及其焊缝成形的影响规律.结果表明,LB与VPPA相互耦合不仅提高了激光吸收率,在变极性等离子弧根部形成一烁亮区,并且在VPPA反极性期间此效应更为显著.适当减小VPPA电流幅值,增加离子气流量,匹配合适的激光功率,可获得总热输入小,穿透力更强的热源,从而能够克服单VPPA平焊位置不易形成穿孔熔池的难点.8 mm厚Al-Zn系铝合金LB-VPPA复合热源焊在I_z=115 A、I_f=155 A、离子气流量q=3.0 L/min、激光功率P=1 000 W时可获得良好的焊缝成形.

高强铝合金VPPA-MIG复合焊接焊缝成形机理

VPPA-MIG复合焊集VPPA穿透力强和MIG焊熔敷效率高的优点,弥补了单VPPA焊工艺区间窄且需立焊和MIG焊熔深浅的不足.使用Red Lake Y4高速摄像获取6 mm厚2A12铝合金VPPA-MIG复合焊接熔池图像,建立了熔池受力模型.对比分析了复合热源不同能量配比对焊缝成形和熔池形貌的影响及VPPA-MIG与单MIG焊缝成形特点.结果表明,VPPA-MIG复合热源相比单VPPA热源易保持焊缝成形稳定性.VPPA电流接近穿孔阈值时,配合较低功率MIG热源可以获得6 mm厚2A12铝合金良好焊缝成形;VPPA能量比例过低时,小孔较浅,熔化效率较低,不能起到增加熔深的作用;VPPA能量比例过大,易使熔池失稳,焊缝成形不良.热源输入功率相同时,VPPA-MIG复合焊比MIG焊显著增加焊缝熔深和深宽比,提高生产效率.

基于小波频带能的脉冲VPPA焊接熔透特征信息提取

焊缝熔透状态的监控对焊接过程质量控制和自动化生产的实现具有重要的意义。建立脉冲VPPA焊接系统,对脉冲VPPA焊接不同熔透状态的电弧电压进行小波分解,将其分解到不同频带,进行频带能量的计算,提取了与频带能量对应的熔透状态特征信息。研究结果表明:脉冲VPPA焊接电弧电压高频频带能量能够很好地反映焊缝熔透状态,当焊缝熔透状态发生变化时频带能量值产生突变,可作为脉冲VPPA焊接过程在线检测量,为脉冲VPPA焊接熔透实时控制提供一种新方法。

穿孔等离子弧焊接温度场的数值模拟与分析

依据传热学及有限元理论,采用高斯+双椭球组合热源模型对铝合金穿孔等离子弧焊接温度场进行了数值模拟,并用APDL编程语言通过循环嵌套方式完成了焊接过程中正反极性期间不同形态的热源载荷的加载。计算出了5mm厚的铝合金在规定焊接参数条件下穿孔熔池的形成时间和合适的焊接速度。通过数值计算证实了等离子弧由于压缩效应,能量集中,焊接效率高的特点,为实际焊接过程中合理选择焊接参数提供了理论指导。

铝合金Plasma-GMAW-P复合焊接电弧特性及熔滴过渡行为

研究了Plasma-GMAW复合焊接过程中的电弧特性以及熔滴过渡行为。结果表明,不同电流的等离子弧通过改变GMAW电弧的导电以及受力状态来影响GMAW电弧形态以及熔滴过渡行为。等离子弧电流较小时,GMAW电弧的等离子流效应对GMAW电弧形态影响显著,基值时期的GMAW电弧基本沿焊丝轴线燃弧,峰值时期由于在焊接方向上同时受到方向相反的2个力而被压缩,熔滴所受的等离子流力以及等离子流力垂直向下的分力因此增加,对熔滴过渡的促进作用增强,熔滴更易从焊丝脱落。等离子弧电流增加,氛围中金属蒸气增多,电荷流效应对GMAW电弧的影响增强,基值时期GMAW电弧偏向等离子弧方向燃弧,由于焊接电弧存在热惯性,MIG电弧在峰值时仍偏向等离子弧,熔滴所受等离子流力垂直向下的分力因此减小,熔滴脱离焊丝的时间增加。