能束能场增材再制造技术的研究进展

针对再制造工程在发展和应用中面临的挑战和需求,阐述了增材再制造技术的概念,探讨了基于激光、电子束、电弧的熔敷成形技术以及电弧-激光复合熔敷、电弧-磁场复合熔敷、激光-磁场复合熔敷、双激光复合锻打成形等技术的特点及应用,重点分析了纵向磁场对电弧温度场以及旋转磁场对激光熔敷层组织的影响。结果表明：电弧熔敷成形过程引入纵向磁场,电弧中心温度降低,电弧对基体的热影响减小;激光熔敷成形铝基非晶材料过程加入旋转磁场,有利于非晶相的形成和组织缺陷的减少,熔敷层的耐蚀性和力学性能提高。最后指出能束能场增材再制造技术的发展趋势是向多能束能场及后处理复合、再制造全过程智能化和装备集成移动式方向发展。     

电弧摆动对窄间隙GMAW横焊打底焊道成形的影响

采用一款新型摆动电弧窄间隙熔化极气体保护焊焊枪,对FH40厚板进行窄间隙横焊试验,探究不同工艺参数对打底焊道成形、熔滴过渡及缺陷的影响规律。结果表明,摆动幅度对焊道的熔宽和表面凹凸度影响最大,焊接速度对熔深和焊道成形的不对称性影响最大;电弧不摆动时,熔池铺展范围小,焊道凸而窄,坡口两侧无法熔合;电弧摆动过程中熔滴过渡形式和熔池流动状态会发生变化,合适的电弧摆动幅度有助于熔池均匀填满坡口,获得侧壁熔合良好、成形对称的打底焊焊道,但过大的摆动幅度会加快熔池下淌,甚至造成焊道外凸、咬边等焊接缺陷。     

电弧摆动对窄间隙GMAW横焊打底焊道成形的影响

采用一款新型摆动电弧窄间隙熔化极气体保护焊焊枪,对FH40厚板进行窄间隙横焊试验,探究不同工艺参数对打底焊道成形、熔滴过渡及缺陷的影响规律。结果表明,摆动幅度对焊道的熔宽和表面凹凸度影响最大,焊接速度对熔深和焊道成形的不对称性影响最大;电弧不摆动时,熔池铺展范围小,焊道凸而窄,坡口两侧无法熔合;电弧摆动过程中熔滴过渡形式和熔池流动状态会发生变化,合适的电弧摆动幅度有助于熔池均匀填满坡口,获得侧壁熔合良好、成形对称的打底焊焊道,但过大的摆动幅度会加快熔池下淌,甚至造成焊道外凸、咬边等焊接缺陷。     

摆动电弧窄间隙GMAW熔滴过渡规律

研究摆动电弧窄间隙焊接中的熔滴过渡规律是深入理解该焊接方法的重要基础,由于受到电弧摆动、窄间隙坡口的影响,摆动电弧窄间隙焊接熔滴过渡比常规焊接更加复杂.采用高速摄像系统及焊接电信号采集系统成功地对摆动电弧窄间隙GMAW的熔滴过渡过程进行观测研究,揭示了摆动电弧窄间隙GMAW的熔滴过渡特性,分析了摆动参数、焊接参数对熔滴过渡的影响.结果表明,由于焊丝在坡口之间的摆动改变了焊丝与侧壁之间的距离,引起了焊接电弧长度的变化,促使焊接电流发生了波动,从而导致了摆动电弧窄间隙焊接熔滴过渡的规律性变化.     

窄坡口MAG焊摆动宽度对电弧行为特性的影响

以窄坡口焊枪摆动数学模型和焊丝熔化模型为基础,建立窄坡口MAG焊枪摆动系统的电弧长度数学模型。进行射流过渡和短路过渡条件下不同焊枪摆动宽度的焊接试验。通过高速摄像系统得到电弧和熔滴图像,分析焊枪摆动宽度对电弧和熔滴过渡的影响。利用建立的数学模型模拟电流、电压和弧长随时间变化的规律,对焊枪摆动宽度为3 mm时的短路过渡焊接试验中的电弧和熔滴现象进行理论解释。研究发现,在侧间距(焊丝到侧壁的距离)为0~0.5 mm时,电弧燃烧稳定,熔滴过渡平稳,焊缝质量良好。     

基于实际熔敷形状的旋转电弧传感器数学模型

旋转电弧传感器数学模型是提高焊接质量、旋转电弧信号处理和焊缝偏差提取的理论基础, 焊接熔敷金属堆积形状是决定旋转电弧长度主要因素之一,影响其数学模型精确度. 采用双线结构光传感系统对焊接收弧阶段焊缝进行三维重建获得焊接熔池熔敷形状,运用单纯形法最优化电弧长度,在此基础上建立了旋转电弧传感器数学模型及仿真模型. 结果表明,该数学模型相对于假设的三角锥熔敷形状数学模型,消除了焊接过程工件变形引起的电流信号误差,减小了焊缝转角和焊缝偏差检测误差,提高了旋转电弧传感器数学模型精度.     

增材再制造——面向高端在役装备的智能熔敷成形技术

智能熔敷成形技术是损伤零部件低成本快速再制造的重要手段,具有操作柔性好、机动能力强、成形效率高、适应范围广等特点,可满足高端在役装备多样化和个性化修复需求。本文阐述了智能熔敷成形技术的内涵及特点,并重点介绍了近年来在智能化熔敷成形系统、集约化增材再制造成形材料、磁控熔敷成形、电弧熔敷-数控铣削增减材复合成形等方面的基础性研究成果。     

药芯焊丝混合气体保护焊的熔敷特性研究

以Ar＋CO2作为保护气体，研究了药芯焊丝混合气体保护焊的混合气体配比、焊接电流、电弧电压和气体流量对熔敷速度、熔敷系数和熔敷效率的影响。试验结果表明，At＋CO2混合气体保护焊比CO2焊的熔敷效率高，Ar气比例达到60％以上，熔敷效率显著增加。焊接工艺参数选择合适时，可以获得较高的熔敷速度、熔敷系数和熔敷效率。     

药芯焊丝混合气体保护焊的熔敷特性研究

以Ar+CO2作为保护气体,研究了药芯焊丝混合气体保护焊的混合气体配比、焊接电流、电弧电压和气体流量对熔敷速度、熔敷系数和熔敷效率的影响。试验结果表明,Ar+CO2混合气体保护焊比CO2焊的熔敷效率高,Ar气比例达到60%以上,熔敷效率显著增加。焊接工艺参数选择合适时,可以获得较高的熔敷速度、熔敷系数和熔敷效率。     

焊接热输入对E501T1型药芯焊丝熔敷金属性能的影响

为了考察焊接热输入对E501T1型药芯焊丝熔敷金属性能的影响,按照中国船级社标准要求进行试板焊接试验,分析了焊接热输入对熔敷金属化学成分、力学性能及组织形貌的影响规律,为了获得良好的熔敷金属性能,确定采用不摆动、每层2道工艺进行焊接。     

摆动参数对铝合金电弧增材制造薄壁成形形貌及尺寸的影响

电弧增材制造成形普遍存在结构件的形貌误差较大和精度控制难的问题,针对摆动钨极惰性气体保护焊(Weaving-gas tungsten arc welding, W-GTAW)热源铝合金增材制造过程,研究了不同摆动角度及摆动左右停止时间条件下增材制造薄壁的尺寸和成形形貌特点。对比常规GTAW电弧增材制造,W-GTAW薄壁成形件可以获得更小的基板熔透量,并且摆动速度和摆动左右停止时间越小,薄壁高度越高,当摆动速度为3.0×10^-2 rad/s、摆动左右停止时间为0.15 s时,薄壁熔覆高度为15.91 mm,仅次于常规GTAW薄壁成形件;对于薄壁壁厚,在电弧摆动左右停止时间为0.25 s条件下的W-GTAW成形件壁厚为13.83 mm,相较于常规GTAW壁厚增加了2.67 mm,并且此条件下基板两端翘起角度仅为0.2°;对比常规GTAW增材制造技术,W-GTAW得到了最大精度为0.92的薄壁,而在试验条件下,适当增大摆动角度和摆动左右停止时间,薄壁尺寸精度可以得到进一步提升。     

钢制安全壳MAG自动焊摆动参数对焊缝成形的影响

针对钢制安全壳用SA738Gr.B高强钢摆动电弧MAG自动焊,研究了电弧摆动过程中摆动幅度、摆动速度、两侧停留时间对焊缝成形的影响。结果表明,在单一变量条件下,焊缝熔宽随摆动幅度增加而增加,焊缝熔深、余高随摆动幅度增加而减小。焊缝熔深、熔宽、余高均分别随摆动速度、两侧停留时间的增加而增加。摆动参数通过影响实际焊接速度来影响焊缝成形。本研究为钢制安全壳摆动电弧MAG自动焊工艺摆动参数的选择及工程应用过程中摆动参数的调整提供指导和依据。     

65Mn钢表面熔敷硬质合金及其耐磨性能

以65Mn钢为研究对象,使用电弧熔敷由WC、Ti C和Co组成的硬质合金粉末,在材料表面形成电弧熔敷层。使用光学显微镜,X射线衍射分析仪和扫描电镜观察和分析了电弧熔敷层的组织与结构,并通过显微硬度计和磨粒磨损试验机研究了熔敷层的硬度和耐磨性能。结果表明,电弧熔敷硬质合金可在65Mn钢表面形成与基体结合紧密的耐磨涂层,当涂层中Co、Ti C和WC含量分别为45%,20%和35%时,硬质合金涂层表面的平均磨损量仅为未处理65Mn旋耕刀的27%。电弧熔敷可显著提高表层显微硬度,改善表面耐磨性能,提高耕作部件的使用寿命。     

单丝高熔敷率MAG焊接工艺的研究

从提高焊接电流和电孤热熔化焊丝等效电压的角度出发,提出了两种新型的单丝高熔敷率MAG焊接工艺-细丝大电流MAG焊和直流正接MAG焊,并借助高速摄像手段分析了这两种焊接工艺的电孤行为、熔滴过渡机制以及焊缝成形特点.试验结果表明,通过选择合适的保护气体体φ(Ar)98%+φ(O2)2%使得电弧烁亮区包覆了大部分液锥和全部的液流束且熔滴过渡基本在电弧烁亮区内部进行,可获得稳定的细丝大电流MAG焊;同样选择φ(Ar)98%+φ(O2)2%的保护气,能够获得电弧较为稳定、焊接飞溅较小、焊缝成形良好的直流正接MAG焊.     

碳极氩气拘束电弧粉末堆焊工艺

利用碳极氩气拘束电弧进行了粉末堆焊试验，发现其母材稀释率远比其它电弧堆焊方法低得多，而且合金元素过渡系数高。作者认为其稀释率低与电弧温度分布及压力分布均匀、温度适中、电弧气氛具有一定还原性的特点有关。电弧径向温度分布及压力分布均匀可使熔池的熔深均匀，不易形成锅底形熔池，故稀释率低；温度适中既提高了熔敷效率又有利于降低合金烧损；还原性的电弧气氛及氩气的保护作用有利于降低合金元素烧损，从而提高合金元素的过渡系数，并且提高熔敷层对母材的润湿性。其综合作用使碳极氩气拘束电弧堆焊稀释率低，合金元素过渡系数高。     

双钨极TIG电弧增材熔敷道成形特性研究

双钨极TIG电弧具有低电弧压力特性，能够在大电流下避免驼峰、咬边等缺陷，提高熔敷效率。为将其应用于增材制造，采用单丝输送和双丝输送两种模式，针对200 A以上的大电流双钨极TIG电弧，研究熔敷电流、送丝速度、行走速度对熔敷成形的影响。结果表明，在单丝输送模式下，200～350 A电流范围内，送丝速度过快会导致熔敷道铺展不良，而在350 A以上，送丝速度过快会导致插丝缺陷；采用双丝输送模式，能提高电弧熔丝热效率，有效降低插丝倾向，提高熔敷效率。最终得出200～650 A电流下的最大许用送丝速度和行走速度范围，为双钨极TIG电弧增材制造提供了成形良好的工艺窗口。双钨极TIG电弧增材在650 A熔敷电流下依然能够成形良好，熔敷效率达到5.36 kg/h。     

奥氏体不锈钢管子-管板焊接熔敷顺序的研究

分析了奥氏体不锈钢换热管与管板焊接的熔敷顺序,采用相同的母材材质和规格、相同的焊接参数,分别采用先自熔后填丝、先填丝后自熔以及单层焊(填丝)三种熔敷顺序进行了焊接试验。并通过对三种焊缝接头的角测量实验、宏微观试验、铁素体试验以及拉脱力试验等对比试验发现,如果采用先自熔后填丝的熔敷顺序,第一层电弧直接对坡口根部加热,有利用根部熔合和增加熔深,保证密封性能,第二层填丝方式可以保证接头的强度;而先填丝后自熔熔敷顺序的优点是第一层保证接头性能和密封性,第二层电弧可以优化第一层焊缝,同时修饰焊缝,焊缝成形美观。无论哪一种熔敷顺序,都可以满足管子-管板焊接的标准要求。     

大电流MAG焊不稳定熔滴过渡形成机理及影响因素分析

熔滴过渡的稳定性对大电流熔化极活性气体保护焊(MAG)焊接质量至关重要．采用高速摄像系统、电信号采集系统对大电流MAG不稳定熔滴过渡过程、电弧形态及电信号进行研究,揭示不稳定熔滴过渡的形成机理,分析了影响大电流MAG不稳定熔滴过渡临界电流值的因素．结果表明,大电流MAG焊熔滴过渡为摆动过渡和混合过渡的不稳定过渡模式,液锥受强电磁力是失稳偏离焊丝轴向的直接原因,电弧旋转/摆动频率随熔滴过渡模式和电弧形态不同而不同．焊丝伸出长度为影响不稳定熔滴过渡临界电流值的主要因素,且在试验参数内随着焊丝伸出长度的增大临界电流值显著减小．     

混合气体保护焊焊接过程电弧特性分析

通过焊接机器人在给定的试验条件下进行混合气体保护焊,采用汉诺威焊接质量分析仪对电弧电压和焊接电流信号进行采集,并通过分析焊接过程的电弧特性找到熔滴过渡以及焊缝成形的主要影响因素。结果表明:在给定的混合气体流量比的条件下,电弧电压会影响熔滴的过渡频率、电弧稳定性、飞溅大小、焊缝熔宽等,而焊接电流则会影响焊丝熔化速度、焊缝熔敷率、过渡频率、飞溅大小、焊缝成形等。合适的焊接电流与电弧电压相匹配可以获得稳定的电弧、良好的过渡特性及美观的焊缝。     

摆动电弧窄间隙焊接工艺参数对焊缝成形的影响

在优化设计摆动电弧窄间隙GMAW焊炬的基础上,研究了摆动角度、摆动速度和侧壁停留时间对焊缝截面尺寸的影响规律。结果表明,摆动电弧有利于改善窄间隙焊接过程中的侧壁未熔合问题;随着摆动角度的增大,焊缝熔深减小,而侧壁熔深增大,表面下凹量则随着摆动角度的增大而增大;摆动速度的增大有利于焊缝熔深的减小和下凹量的增大,但是其对于侧壁熔深的影响不显著;焊缝熔深随着停留时间的增大而显著增大,侧壁熔深则随侧壁停留时间的增大略有增加,表面下凹量随着侧壁停留时间的增大而增大。