电子束焊接在航空航天工业中的应用

航空航天工业的发展无疑是新技术、新工艺和新材料研究与应用水平的综合体现,焊接技术作为一种重要的加工方法在飞机发动机及运载火箭制造中始终处于至关重要的地位。焊接技术的进步与发展不仅能给航空航天结构减重,而且还能为其性能的提高提供技术支持。

提高焊接生产率的途径

本文综述了各种提高焊接生产率的工艺，介绍它们的原理、特点及适用范围。

可调拘束实验测量的焊接凝固裂纹阻力曲线的有限元法修正

利用有限元法对横向可调拘束实验进行了数值模拟,得到了不同弯曲应变条件下熔池尾部的局部应变,结果表明:在进行可调拘束实验过程中,焊接熔池尾部确实存在应变集中,从而对实验测得的平均应变即材料凝固裂纹阻力进行了修正.此外, 将横向可调拘束实验模拟得到的局部应变与采用高速摄影和可调拘束相结合测量得到的局部应变进行了对比,能够较好的吻合.同时,计算了不锈钢SUS310焊接凝固裂纹驱动力,并与修正后的阻力曲线进行比较,预测了凝固裂纹敏感性,预测结果与实验结果相符.说明利用横向可调拘束实验结合数值模拟方法,能够定量预测焊接凝固裂纹.

机器人遥控焊接虚拟环境标定实验研究

通过标定精度影响因素分析实验,得出了机器人遥控焊接虚拟环境标定系统的一组最佳实验参数.分别针对3种不同焊缝类型工件进行虚拟环境标定实验,完成了虚拟环境中机器人模型和工作环境模型之间位姿关系的标定任务.实验结果表明,虚拟环境标定系统达到了较高的定位精度,可以满足遥控焊接过程中局部自主焊接准备工作的需要.

镁合金焊接技术的研究现状及应用

镁合金在航空航天、汽车、电子等领域具有广阔的应用前景, 焊接技术已经成为制约其应用的技术关键。分析了镁合金焊接的主要问题, 介绍了镁合金焊接的研究现状, 综述了镁合金钨极惰性气体保护焊、熔化极惰性气体保护焊、搅拌摩擦焊、惯性摩擦焊、激光焊、电子束焊和电阻点焊的特点, 并对镁合金焊接研究及应用进行了展望。

Ti-6Al-4V电子束焊接焊缝区域精细组织特征

采用OM,XRD,EPMA,TEM分析了电子束焊接Ti-6Al-4V焊缝区域的精细组织结构特征。结果表明接头区域组织形态由基体等轴晶向焊缝柱状形态演化,焊缝区域呈现单一α′网篮状组织,TEM板束形态呈多向分布,焊缝区域的位错分布密度与基体母材相比呈现出减小的趋势,且熔合线附近存在V,Fe等β稳定元素浓度起伏现象。

随焊冲击碾压控制焊接应力变形新方法

提出了随焊冲击碾压控制薄壁构件焊接应力变形、防止焊接热裂纹的新方法,其原理为:通过前后冲击碾压轮,分别对焊后尚处于高温状态的焊趾和焊缝区金属施加一定频率的冲击碾压力,其中前轮周面形状是内凹的,迫使焊趾处的金属向焊缝中心流动,抵消致裂拉伸应变,达到防止焊接热裂纹的目的;后轮周面形状是外凸的,将焊缝金属纵、横向压缩应变和前轮对焊缝的横向挤压应变碾开,使焊缝金属在纵向和横向都充分延展,降低了焊接残余应力,减小了焊接变形。这种方法,设备简单可靠,小巧轻便,不仅能够控制直焊缝,而且能够控制封闭焊缝应力和变形。试验结果表明,随焊冲击碾压法能有效地防止焊接热裂纹的产生;能将薄壁构件焊接残余应力降低到非常小的水平,甚至由拉应力状态转变为压应力状态;能将焊接残余变形控制在常规焊接状态的1/10左右,而且焊道非常平整光滑,余高非常小,有利于缓解焊趾处的应力集中。

AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头力学性能

成功实现了2.5mm厚AZ31镁合金的搅拌摩擦焊接。焊接参数的选择决定接头的力学性能,通过拉伸和弯曲试验,分析了焊接参数的选择对接头性能的影响。试验结果表明,当焊接速度为75～150mm/min,旋转速度为900～1500 r/min之间时,可以得到性能好的接头。为简化焊接参数的选择,同时考虑焊接速度和旋转速度的相互影响,提出一个新的评定参数R/υ,即单位长度上的旋转次数,并分析R/υ与接头性能之间的关系。结果表明,当R/υ=8～15时,接头性能良好,可知,当焊接速度和旋转速度的选择在一个比较合理的范围时,R/υ可以作为搅拌摩擦焊接参数选择的依据。

图像处理在自动焊接中的应用和展望

图像处理技术在自动焊接领域的应用已引起国内外学者的广泛重视.通过图像传感技术获取焊接熔池直观丰富的图像信息,使用高效的图像处理算法,提取焊接熔池的特征信息,用以实现自动焊接过程质量实时传感与控制.本文综合论述了图像处理技术在自动焊接中的应用原理、数字图像的采集方法、数字图像的特征信息定义、广义数字图像处理技术及其对自动化焊接理论研究和实践应用的推动作用.通过总结图像处理技术的研究和应用现状,综合分析了图像处理技术在现代焊接技术中发展和应用的前景.

铝合金搅拌摩擦焊接头焊核区等轴再结晶组织的形成机制

建立了搅拌摩擦焊铝合金接头焊核区等轴再结晶组织形成过程的物理模型 ,详细阐述了焊核区的组织形成过程。试验结果表明 ,热循环的作用导致搅拌头附近的母材发生软化 ,形成软化层 ;软化层在搅拌头的机械搅拌作用下发生塑性流动 ,软化层内不同的流层间流速不同 ,存在速度梯度。在流层间的界面处产生粘性摩擦剪应力。在粘性剪应力的作用下 ,母材轧制态下的板条状组织被拉长 ,并发生强烈的弯曲变形 ,当弯曲程度超过了其晶界所能承受的上限时 ,原有的板条状组织晶界被破坏而逐渐消失 ,板条内的等轴再结晶组织按能量最小原理重新排列 ,形成焊态下无序、无方向性的等轴再结晶组织排列。

铝合金/不锈钢钨极氩弧熔-钎焊接头界面层的微观结构分析

运用OM,SEM和EDS分析了铝合金/不锈钢TIG熔-钎焊接头界面层的结构特征,并通过微压痕和SEM原位拉伸实验测试了其力学性能.研究结果表明:界面处形成了厚度不均一的锯齿状金属间化合物层,厚度为4—9μm,满足界面层的要求(≤10μm);界面反应层包括两类化合物层,即焊缝一侧的τ5层和钢基体一侧θ+η+τ5层,在界面处首先形成τ5相,抑制了粗大枝晶状θ+η二元相的生长.微压痕测试得出:τ5层平均硬度值为HV1025,θ+η+τ5层硬度值为HV835.τ5层压痕处产生裂纹,表明τ5相是一种硬脆相.SEM原位拉伸实验显示,界面层起裂于θ+η相,在外力作用下沿θ+η+τ5层迅速开裂,界面层抗拉强度达到120 MPa.

TA15钛合金与304不锈钢的电子束焊接

对TA15钛合金和304不锈钢的电子束焊接进行了研究,对接头显微组织、相组成和显微硬度进行了分析.结果表明,TA15与304不锈钢电子束焊接性较差,在较小的热应力下即在焊缝内产生大量裂纹.焊缝内生成连续分布的化合相,主要包括TiFe2,TiFe,Cr2Ti等,脆性化合物的产生是裂纹形成的根本原因.焊缝区内显微硬度明显高于母材,且TiFe2的硬度高于TiFe相,贯穿裂纹在TiFe2相富集的区域产生.二者的直接电子束焊接难以实现,需要添加中间层以改善焊缝的冶金条件,改变化合物的种类和分布,从而实现可靠连接.

活性化TIG焊中活性剂和焊接参数对焊缝深宽比的影响

研究了在TIG焊中单一成分的活性剂 (SiO2 、CaF2 、TiO2 、Cr2 O3 、NaF)对不锈钢焊缝深宽比 (D/W )的影响 ,并针对SiO2 活性剂 ,分别研究了活性剂的涂敷量和焊接规范参数 (焊接电流、焊接速度和弧长 )对A -TIG焊焊缝深宽比的影响。试验结果表明 ,焊道深宽比随活性剂涂敷量的增加而增大 ,在所选择的五种活性剂中 ,以SiO2 的影响最为显著。涂敷活性剂SiO2 的试件 ,随着焊接电流、焊接速度和弧长的增加 ,焊缝的深宽比与无活性剂时相比有明显的增加。在TIG焊中应用某种活性剂 ,使用原有的设备就能够大幅度提高焊缝的深宽比 ,从而降低生产周期和制造成本 ,具有很好的应用前景。

铝/钛异种合金激光熔钎焊接头特性

以CO2激光为热源,以AlSi 12焊丝为填充材料,对Ti-6Al-4V钛合金和5056铝合金异种材料激光熔钎焊进行研究,采用SEM、EDS、XRD和金相显微镜分析接头的微观结构特征,通过拉伸实验评定接头的力学性能。研究结果表明:所得接头具有熔焊和钎焊双重性质,即铝母材局部熔化,为熔化焊,而钛母材与焊缝金属之间存在金属间化合物层钎焊界面;钎焊界面上部的金属间化合物层组成复杂,可分为2层,即呈针状或芽状的Ti-Al-Si系金属间化合物层和以Ti-Al系金属间化合物为主的连续层;钎焊界面下部的金属间化合物层较薄;拉伸试样断裂倾向于发生在紧邻钎焊界面的焊缝上,平均抗拉强度为298.5 MPa。

温差拉伸控制铝合金薄板的焊接变形

对两种形式的温差拉伸控制铝合金薄板焊接残余变形的效果和规律进行了研究。研究表明，由随焊激冷造成的动态温差拉伸减小焊接变形的效果受夹具自身散热条件的影响较大：不采用整体预热时，难以造成马鞍形温度场，此时减小焊接变形的机理主要是焊接线能量的等效降低；采用整体预热后，能够造成一定程度的温差拉伸，减小焊接变形的效果明显提高。中间冷却两侧加热的静态温差拉伸能够造成显著的马鞍形温度场，充分发挥温差拉伸的作用，有效地减小了焊接变形。静态与动态温差拉伸结合使用，获得了最小的焊接变形。

异种材料真空电子束焊接研究现状分析

真空电子束焊接具有高能量密度、束斑直径和位置精确可控,焊接残余应力小,焊缝无污染等优点,因此,电子束焊接在异种材料连接领域的应用成为近年来研究的热点,并取得了大量的研究成果,部分已经在工业生产中得到了应用.由于电子束焊接属于熔化焊接,因此在异种金属连接中也存在冶金过程带来的困难.文中对异种材料的真空电子束焊接的研究现状进行了分析,对不同类型的异种材料接头真空电子束焊接中存在的问题和解决方法进行了总结,并提出了今后异种材料真空电子束焊接的研究重点.

顶板焊接顺序优化减小焊接变形的预测

利用热弹塑性有限元方法对材料Q345大型吊车箱形梁分段的顶板结构焊接变形进行了数值模拟计算,建立了分析模型,定量地描述了纵筋与顶板焊接顺序及横筋与顶板焊接顺序对焊接变形的影响,并按照"与"的关系结合两者的最优化焊接顺序形成整体焊接结构的最佳焊接顺序.对预测的最佳焊接顺序下的变形模拟值和测量值进行了对比.结果表明,两者吻合良好,最优与最差的焊接顺序得到的变形量为15.12和28.47mm,降低了47%,为实际生产提供了可靠的数值预测依据.

铝合金与不锈钢异种金属铝硅药芯焊丝TIG熔钎焊接头组织及性能

采用铝硅药芯焊丝进行了铝合金与不锈钢异种金属无镀层TIG熔钎焊试验,运用OM,SEM,EDS及XRD分析了接头微观组织,研究了界面层及焊缝中金属间化合物种类,分析了药芯钎剂的作用,并测试了接头力学性能.结果表明,药芯钎剂能够促进铝硅钎料在不锈钢表面润湿铺展,获得的润湿角小于30°,钎剂挥发不完全,在接头中产生许多气孔;接头中钢侧界面层由[Al,Fe,Si]相和Fe4Al13构成,焊缝由α-Al基体、汉字状α铁相(Fe2SiAl8)以及细长板条状混合相(β铁相FeSiAl5及少量Al-Si共晶相)构成;剪切试验中接头均断裂在钢侧界面层,接头抗剪强度仅为55MPa,断裂面由[Al,Fe,Si]相、FeAl以及少量的FeSi,AlCr相构成.

焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响

为了得到T形接头焊接顺序的优化方案,在确定合理的焊接热源形式以及建立有限元模型的基础上,利用单元死活技术从多道焊、分段焊与多层焊的角度对焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响进行数值分析。对于多道焊来说,焊接残余拉应力出现在焊缝及其附近区域,且峰值出现在焊缝区域;相邻焊道之间采用首尾相接的方法得到的焊接残余拉应力峰值是最小的。对于分段焊来说,采用先焊两端后焊中间的方法不仅可以增加整个焊缝的焊接残余低应力区域;而且可以有效地降低先焊区域的焊接残余应力,降低效果与后焊焊段的焊接方向以及先焊焊段上的点到后焊焊段端部的距离有关。在多层焊的过程中,采用对称施焊的方法得到的焊接残余拉应力峰值是最小的。

大型底板结构焊接顺序控制变形数值分析

利用非线性有限元方法对某大型结构底板焊接顺序进行数值模拟计算,建立了疏密过渡的有限元模型.使用随温度变化的材料热-力参量,采用高效率的移动串状双椭球热源模型,定性地对比了不同焊接顺序及不同约束情况下底板挠曲变形量数值大小.结果表明,先焊底板比先焊筋板方法挠曲变形小;底板两条纵、长焊缝分别焊接比同时焊接方法挠曲变形小;使用刚性平台约束焊接比自由焊接挠曲变形小;筋板两侧横、短焊缝同时焊接不会产生扭曲变形;焊接结构的挠曲变形与结构的中性轴密切相关.