轻金属材料激光+GMAW复合热源焊接机理的研究进展

激光+GMAW复合热源焊接是近几年在国际上得到迅速发展和应用的焊接前沿新技术,是轻金属材料优质高效连接的最佳熔焊工艺。但对其内在的物理特征及其基础理论和关键技术问题还缺乏深入的研究。文中分析了激光+GMAW复合热源焊接在国内外的研究现状,并在此基础上根据作者已进行的研究,提出了当前应当重点深入研究的几个关键科学和技术问题,如激光与电弧的能量耦合机制、激光对弧焊熔滴过渡的作用机制、复合热源焊接熔池内的传热与传质、复合热源焊接冶金、焊接接头的应力-应变场与变形控制规律等。最后指出数值模拟是轻金属材料复合热源焊接基础研究的重要手段。

DE-GMAW高速电弧焊工艺机理的研究

通过大量的工艺实验,找出了DE-GMAW双焊枪组合的匹配参数,测试了焊接电流波形,拍摄了熔滴过渡图像,并获得了无成型缺陷的焊缝照片．基于实验结果解释了高速焊接工艺的机理．建立了适用于DE-GMAW焊接工艺的有限元模型,并对该工艺条件下的温度场、应力-应变场进行了数值模拟．结果表明:计算出的DE-GMAW焊缝横断面形状尺寸与实验结果吻合良好;在通过焊丝的总电流相同时,DE-GMAW焊接时焊缝尺寸、热影响区宽度、应力、应变及变形均小于常规GMAW焊时的结果．这为DE-GMAW焊接工艺参数优化提供了基础数据．

高速MAG电弧焊驼峰焊道产生过程的实验研究

开展了高速活性气体保护(MAG)电弧焊接工艺实验,确定出了不同焊接电流条件下形成驼峰焊道时的临界焊接速度、相邻驼峰之间的距离以及同一驼峰焊道"波峰"和"谷底"的断面形貌.基于高速MAG电弧焊熔池的视觉捡测图像,分析了驼峰焊道的产生机理,并利用上坡焊和下坡焊实验进行了验证.同时,也分析了保护气体成分对高速MAG电弧焊焊缝成形的影响.

焊接多物理场耦合数值模拟的研究进展与发展动向

现代焊接工艺涉及力、热、电、磁、光、声等一切可以利用的能源及其与被焊材料的相互作用,本质上是传热、冶金、力学等多学科、多物理场强耦合的复杂过程。深入了解和掌握焊接工艺涉及到的复杂多物理场耦合及其相互作用机制,对于实现焊接加工过程的优质、高效、低耗与清洁,具有重要意义。本文论述了焊接热过程与熔池-小孔动态行为、焊接应力与变形、接头组织与性能等领域数值分析与预测技术的关键理论基础与技术方法。重点介绍了激光-熔化极电弧复合热源焊接、受控脉冲等离子弧焊和搅拌摩擦焊工艺过程数值分析的最新成果。在此基础上展示焊接多物理场耦合数值模拟领域的研究进展与发展动向。

超声振动辅助搅拌摩擦焊的研究进展

超声振动辅助技术已被证明是获得高效优质搅拌摩擦焊接头的一种有效途径。主要论述当前超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺的研究进展,介绍了国内外近期研发的3种不同的超声振动施加方式及相应的实施效果,分析了各种方法存在的优缺点,为超声振动辅助搅拌摩擦焊的进一步研究发展提供参考。

外加能量辅助搅拌摩擦焊技术的研究进展

搅拌摩擦焊接已经成为材料成形领域主要的固相连接工艺技术。在简要回顾搅拌摩擦焊及其衍生焊接技术研发现状的基础上,综述了近年来国内外开展的第二能量辅助搅拌摩擦焊的研究现状,主要包括激光、电弧、感应、电流、超声等能量辅助搅拌摩擦焊技术。进而着重综述了超声振动辅助搅拌摩擦焊的研究进展,介绍了目前出现的3种超声振动在搅拌摩擦焊中的施加方式。最后,对外加能量辅助搅拌摩擦焊下一步的研发方向进行了展望。

穿孔等离子弧焊接工艺研究进展

穿孔等离子弧焊接由于其自身所具有的独特工艺优势,在航空航天装备制造领域有较大的应用潜力。本文介绍了穿孔等离子弧焊接的工艺特点、优势,综述了穿孔等离子弧焊接国内外研究与开发方面的新进展,着重评述了近年来穿孔等离子弧焊接的多种改型工艺。这些改型的穿孔等离子弧焊接新工艺避免了常规穿孔等离子弧焊接方法的缺点,能够满足不同应用场合的实际需求。

高速电弧焊工艺的研究现状

分析了在实际生产中实现高速焊接的必要性以及常规焊接方法在实现高速焊时所遇到的问题。然后主要从双丝或多丝电弧焊工艺和双焊炬组合焊接工艺两个大的方面着重介绍了纵列式熔化极气体保护焊、等离子弧-熔化极气体保护焊和双电极熔化极气体保护焊等高速弧焊工艺。另外还介绍了其他实现高速焊的方法及其存在的问题,并对高速电弧焊工艺的发展和应用进行了展望。

焊接物理(IIW SG-212)研究进展——第70届国际焊接学会年会焊接物理研究组报告评述

对上海第70届国际焊接学会年会期间焊接物理研究组(IIW SG-212)交流的报告和论文总体情况给予了简要评述。选取了若干有代表性的论文,介绍了国内外焊接科技人员在电弧物理、熔滴过渡、熔池行为、金属蒸气和烟尘等方面取得的最新研究结果。指出了下一步应给予重点关注的问题。

铝-镁合金的超声振动强化搅拌摩擦焊试验研究

研究铝镁异种合金的连接可拓宽轻量化结构的应用领域,具有重要的学术意义和工程实用价值。进行常规搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)和超声振动辅助搅拌摩擦焊(Ultrasonic vibration enhanced friction stir welding,UVe FSW)的对比试验,并对结果进行分析。试验结果表明超声的施加可以拓宽工艺参数窗口,改善焊缝表面的成形,减少缺陷,优化界面结构,细化均化晶粒,提高接头的力学性能。进行载荷测试后发现,超声的加入可以降低焊接所需载荷,这有利于降低设备体积。而温度场的测试则说明,超声波对于焊件有预热作用。

高速电弧焊驼峰焊道产生机理的研究进展

在高速焊接过程中,当焊接速度达到临界值时通常会出现焊道表面形状的周期性波动这一显著特征缺陷,即所谓的驼峰焊道。驼峰的出现限制了焊接速度的进一步提高,从而影响了生产效率的提高。目前,对于驼峰焊道的产生机理国内外的研究者提出了若干模型,从不同角度给予了解释,但至今还没有得到一致认可的统一理论模型。文中对高速电弧焊接焊缝成形缺陷(驼峰焊道)产生机理的国内外研究现状及发展趋势进行了评述。

激光＋GMAW复合热源焊焊缝成形的数值模拟Ⅱ．组合式体积热源的作用模型

根据激光+脉冲GMAW电弧复合热源焊焊缝横断面的形状特点,从宏观的传热过程出发,提出了4类新颖的、适用的组合式体积热源的作用模式,将电弧热、熔滴热焓和激光热能分别描述为双椭圆分布、双椭球体分布和峰值热流递增一曲面旋转体分布.将适用的组合式体积热源作用模式应用于复合焊的温度场数值分析,计算出了不同工艺条件下的复合焊焊缝形状足寸,与实测结果进行了对比,两者吻合情况良好,所建立的4类组合式体积热源充分考虑了复合焊的工艺特点,对焊缝形状尺寸的数值模拟精度较高,能定量体现温度场的变化规律。

激光＋GMAW复合热源焊焊缝成形的数值模拟--Ⅲ．电弧脉冲作用的处理与热源模型的改进

针对激光+脉冲GMAW复合焊时电弧脉冲的热作用特点,将电弧热流处理为脉冲电流和基值电流阶段分布参数不同的双椭圆模式,同时适当减小焊件表面的热导率,以间接考虑脉冲电流和基值电流的间歇式作用.根据平均焊接电流大小确定熔滴热焓椭球体分布的作用区域,并考虑激光热源的作用位置.从以上几方面对前期研究采用的热源模型进行了改进,建立了两类新的适用于复合焊的组合式体积热源模型.利用改进后的热源模型对不同工艺条件下复合焊的焊缝横断面形状尺寸进行了模拟计算.计算得到的熔深、熔宽以及熔合线走向都与实验结果吻合,使数值模拟精度有了较大提高.

激光+GMAW复合热源焊焊缝成形的数值模拟Ⅰ.表征激光作用的体积热源分布模式

为了建立激光+GMAW电弧复合焊接的体积热源作用模式,根据激光深熔焊接的焊缝形状特征,分析了激光焊接的热源作用特点,提出了4类新的体积热源分布函数.建立了激光焊接温度场的数值分析模型,计算出了4类体积热源模式下的激光焊缝形状尺寸,与实测结果进行了对比.发现提出的4类体积热源模式能够较好地对激光焊接过程中激光热源对焊缝成形的作用进行表征,是恰当的和适用的.

小孔等离子弧焊接热场的有限元分析

根据小孔等离子弧焊接的工艺特点,建立了相应的热源模型和焊接热场的分析模型。数值模拟结果表明,一般的双椭球体热源和三维锥体热源不能准确描述小孔等离子弧焊接热过程。提出了改进型的三维锥体热源模型,可以较准确地计算焊缝的正面和背面熔宽,但熔合线走向的计算精度仍较低。在此基础上,考虑等离子弧对熔池的热-力作用,建立了符合小孔形态的热源模型,对小孔等离子弧焊接热场进行了有限元分析,计算出的小孔等离子弧焊缝形状与试验结果吻合良好。

高速TIG-MIG复合焊焊缝驼峰及咬边消除机理

搭建了TIG-MIG复合焊试验平台及电参数—高速图像同步采集系统,进行了一系列低碳钢高速TIG-MIG复合焊工艺试验,研究了高速TIG-MIG复合焊的电弧形态、熔滴过渡及熔池行为对焊缝成形的影响,并确定了合适的匹配参数.结果表明,MIG焊电流在240~300 A,且TIG焊电流与MIG焊电流相当时,TIG-MIG复合焊焊接过程稳定,即使在焊接速度高达2.5 m/min时,焊缝仍无驼峰、咬边等缺陷,与传统MIG焊相比,熔深增加,熔宽减小.TIG-MIG复合焊由于电弧间的相互作用,两电弧指向发生偏转,电弧压力减小,焊接过程不产生弧坑,且熔宽变窄,这是避免驼峰和咬边缺陷的主要原因.

TIG焊接熔透熔池形状和表面变形的数值模拟

利用建立的三维TIG焊接熔池瞬时行为数值分析模型,对移动热源作用下不锈钢薄板全熔透时熔池动态行为进行了数值分析。结果表明,同时采用电弧热流和电弧压力的双椭圆分布模式,相对于高斯分布模式,计算出的熔池形状和表面变形与试验结果吻合得更好。给出运动电弧作用下熔池表面变形的动态演变,分析了与固定电弧焊接时的异同,为运动电弧作用下TIG焊接的数值模拟与智能控制提供了理论依据和试验数据。

高速GMAW驼峰焊道的产生机理与抑制技术

GMAW焊接速度高于一定的临界值时,会出现驼峰焊道成形缺陷。采取低成本、可行和有效的工艺措施,对GMAW焊接工艺做出高效化改进,在保证焊接质量的前提下提高GMAW的焊接速度,成为当今研究的热点之一。近年来,国内外焊接科技人员针对高速GMAW驼峰焊道的形成机制、抑制驼峰焊道的技术措施,以及传统GMAW工艺的高效化改进等方面开展了大量的研发工作。文中对此加以归纳和评述,提出该领域仍存在的问题以及进一步的发展动向。

GMAW焊接熔滴长大和脱离动态过程的数学分析

考虑GMAW焊接过程中熔滴过渡的主要特点,利用“质量-弹簧”理论建立了熔滴过渡的数学模型,对连续电流条件下GMAW焊接熔滴过渡过程进行了动态力学分析。定量分析了熔滴过渡形式、振荡速度等对熔滴过渡行为的影响,预测出了不同焊接电流条件下的熔滴脱离尺寸和过渡频率。结果表明,在同一焊接电流条件下, 上一个熔滴的脱离会影响到下一个熔滴在焊丝末端的振荡,并影响熔滴的尺寸和过渡周期:熔滴尺寸和过渡频率的理论计算值与试验数据基本吻合。

电弧功率对Laser+GMAW-P复合热源焊热场特征的影响

焊接HAZ的热场特征,如HAZ的宽度和焊接热循环的参数等,对焊接接头的组织和性能有重要影响,是决定焊接接头质量的关键因素.本文应用已建立的复合热源焊的组合式体积热源模型,对Laser+GMAW-P复合热源焊的热场进行数值分析,定量研究了不同电弧功率对Laser+GMAW-P复合热源焊热影响区(HAZ)宽度和热循环参数等热场特征基础数据的影响规律,并与单激光焊和单GMAW-P焊的情况进行了比较,以期从冶金上揭示复合热源焊的特点.