HDSh—1真空电子束焊机

真空电子束焊机的总体结构,包括:高压电源,电子光学系统,真空系统,机械传动及控制部分。真空电子束焊接原理:在真空条件下,电子由电子枪阴极发射出来后,被直流高压电场加速,使电子获得很高的能量,并被静电场与磁场会聚为一束,这种高能电子束,打在焊件上时,便将其能量转换为热能,使焊件熔化,当焊件移动时,形成焊缝。电子光学计算     

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.     

氦气保护超低真空电子束焊接束流散射及焊缝形貌分析

为了解决低真空和局部真空电子束焊接时,电子束严重散射而引起的熔深、熔宽降低和焊接过程不稳定的问题,文中研究了加速电压为100 kV,束流为60 mA,真空度在133.32 ~ 1 333.2 Pa变化时的电子束和焊缝形貌的变化规律,并提出了同轴氦气保护的焊接工艺方法. 结果表明,在进行低碳钢材料的焊接时,整个工艺过程稳定,得到了焊缝熔深为30 ~ 40 mm,大深宽比的电子束焊接接头.     

镁合金真空电子束焊接匙孔热效应数值模拟

分析了镁合金真空电子束焊接过程中的匙孔热效应特征,针对真空电子束焊接工艺建立了适用于镁合金焊接的复合热源模型.考虑到焊接过程中存在的高温金属蒸气等离子体及真空电子束焊接"匙孔"深熔效应特征,模型由高斯面热源和圆锥体热源复合而成,利用高斯面热源功率分配系数和圆锥体热源功率分配系数的不同取值,模拟电子束焊接的不同聚焦状态,并得到电子束聚焦状态与散焦状态下的焊接温度场变化,进而通过计算得到聚焦状态变化下的匙孔形状和焊缝成形.结果表明,模拟结果与其具有较好的一致性.     

角焊缝低真空填丝电子束焊接

根据液力变矩器泵轮和上盖总成角环缝焊接的特点，通过试验论证提出了一种低真空填丝电子束焊接方法，解决了焊接质量与生产率的矛盾。本文详细讨论了束流形态、聚焦点位置、填充金属送进、电子束斑位置等主要填丝电子束焊接工艺参数对焊缝成形的影响。经试验与分析，提出了保证焊缝内在质量和良好外观形状的工艺措施。     

电子束焊接过程温度应力场三维有限元仿真

利用MSC．MARC有限元分析软件，在考虑电子束焊接匙孔效应基础上，采用双椭圆热模型，通过增大热传导系数、降低弹性模量和屈服强度的方法来模拟焊接过程中流体的流动效应，并采用自编子程序模拟了热源移动的过程，给出了铝锂合金电子束焊接过程中的温度应力场分布。计算结果表明：铝锂合金电子束焊接时，电子束热源对焊缝热冲击较大，焊缝附近处最高温度可达1300℃左右，三维方向上存在巨大温度梯度，成为热应力集中产生的根源。同时分析了焊缝不同位置处的等效应力演化过程，发现焊缝初始端应力剧烈振荡，处于复杂的三维应力状态，且自始至终高于焊缝的其他位置处的应力分布，成为接头区域薄弱环节。     

AZ61镁合金真空电子束焊接温度场数值模拟

对板厚10 mm AZ61镁合金板材进行了真空电子束焊接数值模拟研究.利用有限元模型以及三维移动双椭球热源模型,采用数值模拟的方法研究了电子束流与焊接过程温度场及焊缝熔深之间的关系.结果表明,建立的模型能够获得电子束深熔型焊接的效果,模拟焊缝成形及焊缝区、热影响区温度场分布与试验焊缝成形及实际电子束焊接特点较为一致,这也证明了该模型在AZ61镁合金电子束平板对焊有限元模拟中有较好的适用性.     

镁合金电子束焊接头性能及微观组织分析

采用电子束焊接MB2镁合金,研究了焊接参数对镁合金焊缝深宽比的影响规律,分析了镁合金焊接接头的力学性能及微观组织.结果发现,焦点位置和扫描图形对焊缝深宽比有很大的影响;利用圆形扫描图形、2000Hz扫描频率、电子束散焦焊接镁合金可以得到性能优良、无裂纹、气孔等焊接缺陷的优质接头,焊缝内部组织为均匀细小的等轴晶,接头抗拉强度达到235MPa,为母材强度的92％.     

低活化铁素体/马氏体钢厚板真空电子束焊接接头组织及性能分析

针对聚变堆氚增殖剂试验包层模块(TBM)结构材料CLF-1低活化铁素体/马氏体钢,进行真空电子束焊接试验,并对焊接接头的显微组织及力学性能进行分析研究。结果表明:采用电子束焊接的焊缝表面成形良好,无气孔、裂纹等焊接缺陷;焊接接头横截面呈典型的匙孔穿透焊缝形貌,焊缝金属显微组织为较粗大的板条马氏体,熔合线附近为马氏体、少量铁素体和魏氏体组织的混合组织;热影响区主要由马氏体和残余奥氏体组成,且晶粒尺寸大小由焊缝向母材依次减小。经710℃,210 min焊后热处理,焊缝区显微硬度均值为350 HV,存在明显的硬化现象;常温下接头平均抗拉强度为635MPa,断裂位置处于远离焊缝的母材侧,550℃高温抗拉强度均值为350 MPa,断裂位置在焊缝区;经180°侧弯试验,焊缝表面无肉眼可见裂纹,焊接接头具有较好的力学性能。     

镁合金真空电子束深熔焊接及焊缝成形数值模拟

对10mmAZ61镁合金板材进行了真空电子束深熔焊接数值模拟研究.考虑到焊接过程中高温金属蒸气等离子体的热效应及真空电子束焊接"匙孔"深熔热效应特征,建立了高斯面热源与双椭球体热源复合的移动热源模型,采用数值模拟的方法研究了镁合金真空电子束焊接温度循环特征及不同焊接工艺对焊缝成形的影响.结果表明,建立的复合热源模型能够获得电子束深熔焊接的效果,并可模拟不同焊接工艺下的温度场分布与电子束热源作用下的焊缝成形,这也证明了该模型在AZ61镁合金电子束平板焊接的热效应模拟中有较好的适用性.     

Development of gap sensing system for narrow gap laser welding

Narrow gap welding with an oscillation laser beam is one of the effective processes for thick plate welding. To put this welding process into practical manufacturing, a groove-sensing system using image processing for narrow gap welding with an oscillation laser beam is used. This developed system uses still images of the weld zone taken by a coaxial CMOS camera. It can recognize the position of the groove wall by analysing the brightness distribution in the still image. It can then control the oscillation width and the laser-irradiated area by calculating the groove width and the groove centre position. Some narrow gap welding experiments were performed to evaluate the performance of the developed system. The results revealed that the developed system is effective for narrow gap welding with an oscillation laser beam. Using this system, the narrow gap groove can be welded even if the groove width has changed during the welding process.     

基于熔池图像尖端特征规律的焊接偏差测定方法

通过对管道全位置熔化极气体保护焊(gas metal arc welding,GMAW)熔池图像的研究分析,发现并验证了其根焊熔池图像尖端与焊缝坡口中心位置重合的现象,依据此规律性特征,提出了一种基于熔池图像尖端信息的焊接偏差测定方法.该方法的基本原理是,在对焊接过程熔池CCD图像进行中值滤波、小波变换、连通区域分割等图像处理后,以搜索算法测得的根焊熔池图像尖端位置信息作为焊缝坡口中心位置的坐标值,此值与焊丝中心坐标值之差即为焊接偏差量.试验证明,此方法能从根焊熔池图像中实时测定焊接偏差量,为实现机器人自动焊缝跟踪控制提供了可靠依据.     

基于焊枪轮廓特征提取的焊接偏差测定方法

在熔化极气体保护焊(gas metal welding, GMAW)焊接过程中,由于弧光干扰严重,视觉系统难以同时准确提取焊缝和焊丝尖端,从而影响焊缝跟踪的精度.针对这个问题,提出一种定位焊枪中心来替代定位焊丝尖端的焊接偏差测定方法,并对该方法进行了可行性论证.首先,在增强熔池图像中的焊缝、焊枪边缘轮廓信息后,设置矩形窗获得边缘采样点.然后,使用聚类算法筛选出正确的边缘采样点,根据采样点利用最小二乘法拟合出焊缝直线和焊枪椭圆方程.最后,计算当前图像焊枪中心与焊缝直线的距离,与基准图像中的对应距离进行比较,测定出焊枪位置偏差量和焊枪摆幅偏差量.实际验证结果表明,焊枪中心与焊丝尖端的替代误差在0.2 mm以内,满足跟踪精度要求,具有较强的工程实际意义.     

电子束填丝工艺对堆焊焊缝成形的影响

利用电子束填丝焊工艺在304不锈钢基体表面堆焊低碳钢焊丝获得堆焊层,并系统地研究了影响堆焊层成形质量的主要工艺参数.重点讨论了束流、焊接速度、送丝速度、填丝角度和填丝方位对堆焊层宏观质量的影响规律.结果表明,焊接热输入和送丝速度的匹配是决定焊缝成形的最主要因素,在相同工艺参数下,焊缝宽度取决于束流,束流越大,焊缝越宽,填丝角度影响着焊缝熔深,随填丝角度的增大,熔深逐渐增大,而采用前置填丝方位更易保证焊接过程的稳定及焊接精度.     

Study of all position electron beam welding process for pipeline joints

Abstract

For the purpose of applying the electron beam (EB) welding process to the site welding of natural gas pipelines, the authors investigated fundamental all position EB welding characteristics for 19 mm thick API 5L–X65 steel pipe. To establish appropriate welding conditions for satisfactory weld bead formation, the study was separated into two steps. First, appropriate welding parameter ranges were investigated in eight representative welding positions by rotating the test pipe in which the electron gun was fixed. Second, based on the investigation in the first step, all position continuous welding was carried out successfully by rotating the gun in a vertical plane. The influence of edge misalignment and mismatch on weld bead formation was investigated and the dimensional tolerances needed to obtain acceptable weld beads were clarified. Solidification cracking in the weld metal of a pipeline steel was investigated and it was determined that sulphur was the most harmful element in terms of promoting cracking. Some mechanical properties of the weld joint were also examined.     

TC4钛合金扫描电子束焊接温度场数值模拟

建立了TC4钛合金扫描电子束焊接三维温度场的数学模型.采用电子束光斑半径较大的焊接工艺,开展了椭圆扫描/无扫描电子束焊接的试验和数值模拟研究.模拟结果与试验结果吻合良好.结果表明,电子束扫描可使高温熔池的深度减小、宽度增加、提前进入稳态,并且显著降低熔池最高温度和冷却速度.对加速电压为60 kV、电子束流为10 mA、焊接速度为0.9 m/min的电子束焊接工艺,频率为500 Hz的电子束椭圆扫描可使熔池最高温度降低近1900K、冷却速度每秒降低近100 K.     

基于被动视觉的焊接过程多信息检测系统

针对焊接过程控制的要求,提出了一种基于被动视觉的焊接过程多信息检测系统,系统由工业CCD摄像机、窄带光学滤光片、计算机系统等组成,窄带滤光片以弧光较弱的950 nm为中心波长,以减少焊接过程中弧光的干扰,获得清晰的焊接图像.在焊接过程中,系统通过视觉信息对焊缝、电弧、熔池和焊丝等进行实时检测,提取电弧摆动的中心位置偏差、幅度偏差和角度偏差等多个特征参数,以此对焊枪进行控制,使得电弧的摆动中心和焊缝中心一致,摆动平面和焊缝中心垂直,摆动幅度和焊缝宽度相适应,避免了焊接过程的夹渣和未熔透等缺陷,保证了良好的焊后成形质量.     

BT20钛合金电子束热处理残余应力计算

利用三维有限元分析软件，模拟了BT20钛合金薄板焊态和焊后电子束局部热处理的实际焊接温度场以及残余应力的分布。结合数值计算，讨论了不同的热处理方式以及热处理工艺参数对焊接接头残余应力分布的影响。结果表明，在钛合金薄板焊缝的背面进行电子束局部热处理，可以显著降低焊缝中心处的残余拉应力。数值计算结果还表明，在其它工艺参数相同的情况下，随着局部热处理加热宽度和加热时间的增加，焊缝及近缝区的纵向残余应力随之降低，同时产生残余应力的范围也随之增大。     

电子束焊接对调质15CrMnMoVA高强钢组织及性能的影响

为实现高淬火倾向的航空高强钢材料的高质量接头,以15CrMnMoVA高强钢为研究对象,进行了电子束焊接工艺试验研究;针对不同结构的电子束焊接接头,分析了焊缝显微组织特征、焊接接头的显微硬度分布和力学性能,探讨了电子束焊接工艺对接头组织性能的影响。结果表明,15CrMnMoVA钢的焊缝中心形成了网篮状马氏体组织,其显微硬度为典型的马鞍形分布。不同锁底结构的电子束焊接接头的拉伸性能基本都与母材相当,但其疲劳性能差异明显,锁底长度为1.5 mm时焊接接头的疲劳性能较好。     

基于卡尔曼滤波的焊缝偏差实时最优估计

建立了基于卡尔曼滤波的焊缝偏差实时最优估计算法.以焊缝中心位置为特征矢量,建立焊缝位置检测的状态方程和测量方程,并依据最小均方差原则建立了卡尔曼滤波最优估计的递推算法.测量噪声协方差由传感器测量误差的统计值得到,假定过程噪声是由于加速度变化引入,通过两点法确定焊缝中心位置的初值.在焊接过程中,应用卡尔曼滤波消除噪声干扰,实现焊缝位置的实时精确预测.计算机仿真和试验结果表明,焊缝偏差信号经过卡尔曼滤波处理后,消除了偶然因素和随机噪声的影响,提高了跟踪精度以及系统工作的稳定性,适合实际工程应用.

Abstract：

The optimal estimation algorithm for real-time welding deviation based on Kalman filtering is presented. The state equation and measurement equation for detecting the weld position is established, and the optimal estimation of the Kalman filtering recursive algorithm also is established according to the principle of minimum mean square error. Measurement noise covariance is obtained from the statistical value of measurement error, and after the process noise is supposed to derive from the changes in acceleration, the initial values of the welding center position are determined by the twopoint method. During the welding process, the welding position is accurately predicted while the noise interference is eliminated by Kalman filtering. The computer simulation and experiment results show that the weld deviation signal processed by the Kalman filtering can eliminate the disturbance of causal factors and random noise,improve the tracking precision and the stability of system, and be suitable for the practical engineering applications.