连续行走脉冲TIG焊熔池谐振法熔透控制

熔池振荡频率与熔池尺寸之间的良好对应关系,可以用于进行熔池尺寸检测及熔透控制,但在快速行走焊接时难度很大。本文在恒定直流之上叠加定频率正弦波电流做为脉冲焊接电流激振熔池,在连续行走焊接时,通过电弧电压检测熔池振荡即熔池尺寸。在脉冲电流作用期间,随着熔池尺寸的增长,当熔池自身固有振荡频率与焊接电流正弦波频率一致时,熔池产生谐振,从电弧电压中检测到谐振特征变化信号,该信号的强度,稳定性,重复性及与熔池     

快速行走TIG焊接时熔透信号的提取及分析

焊接熔池的振荡特性,可以做为焊缝的熔透信号。在脉冲电弧力作用下,熔池金属产生振荡,当电弧快速行走时,外加横向磁场控制电弧,可靠地提取出熔池振荡信号。检测发现,熔池振荡频率与熔池尺寸之间存在着良好对应关系,实验焊接速度达到200mm/min 以上.     

TC4脉冲PAW工艺研究

进行了TC4直流PAW、高频脉冲PAW和“一脉一孔”型PAW焊接工艺研究,对比了三种PAW焊接工艺的焊缝外观形貌,力学性能和工艺性能,后两种焊接工艺焊接接头性能略优于直流PAW。高频PAW焊接工艺的高频脉冲对熔池的冲击作用,有利于增加电弧挺度、提升焊接速度;利用钛合金表面张力大特性配合合理的工艺参数,实现了稳定的TC4“一脉一孔”型焊接工艺,该工艺PAW比传统直流PAW焊缝外观成型更加美观,焊缝背面具有手工GTAW单面焊双面成型形貌特征,且更加均匀、美观,焊缝正面几乎没有下塌;力学性能试验和扫描电镜分析显示“一脉一孔”型PAW焊缝力学性能优于直流PAW,比传统“小孔型”PAW更适合TC4合金的焊接。     

焊接工艺——熔焊

双电极奥氏体不锈钢焊条单弧焊工艺研究;弧焊时保护气流的延伸长度;摆动电弧埋弧焊的数学建模与仿真;螺旋埋弧焊管双丝高速焊工艺参数的优化;直缝焊管预焊缺陷对埋弧焊质量的影响及控制;直流脉冲埋弧焊工艺的焊接接头组织分析;电弧作用下熔透型TIG焊熔池液面行为的数值模拟。     

焊接工艺——熔焊

双电极奥氏体不锈钢焊条单弧焊工艺研究;弧焊时保护气流的延伸长度;摆动电弧埋弧焊的数学建模与仿真;螺旋埋弧焊管双丝高速焊工艺参数的优化;直缝焊管预焊缺陷对埋弧焊质量的影响及控制;直流脉冲埋弧焊工艺的焊接接头组织分析;电弧作用下熔透型TIG焊熔池液面行为的数值模拟。     

中厚板脉冲双丝高速打底焊自由成形及稳定性分析

采用不同直流脉冲匹配的tandem焊枪实现了12 mm厚Q235钢共熔池打底焊接,并利用高速图像(HSI)和实时电信号对焊接过程进行实时动态检测,研究了焊接速度对焊缝成形、焊接电弧形态和焊接过程稳定性的影响.结果表明,焊接速度主要对焊缝成形和焊接过程稳定性造成影响,对电弧形态的影响不大.随着焊接速度的增加,电弧稳定性先增大后减小,在焊接速度为40 mm/s时,背部自由成形最佳.不同焊接速度下,主丝电弧都保持较高的挺度,几乎不发生偏移,从丝电弧形态在单个脉冲周期内通过产生9°～15°的规律性摆动,促进熔池中部金属向侧壁流动,减小熔池后端金属的累积,从而消除焊缝表面的驼峰和起脊缺陷,提升了整体光洁度.主丝的焊接稳定性整体高于从丝,当焊接速度为40 mm/s时,两电弧稳定性最好.     

电弧作用下熔透型TIG熔池液面行为的数值模拟

在正面熔化半径RZ和板厚h一定的条件下,基于对有电弧作用的熔透型TIG焊接熔池三维液面行为的分析,获得了不同背面熔化半径RB的熔池三维形状模型,利用有限元分析软件surface evolver进行数值模拟,研究了电弧对熔透型TIG焊接熔池液面的影响.结果表明,电弧的作用与否对熔池下液面的大小和形状无显著的影响;在背面熔化尺寸较小时(RB≤2.5 mm附近),电弧对上液面特征量有较大作用;电弧的作用从整体上是使熔池上液面压低.在从脉冲基值过渡到脉冲峰值期间,电弧电压(或弧光光强)增加的部分是由电流增加和熔池上液面被压低两部分引起的.     

小功率脉冲激光-TIG电弧复合焊的电弧及熔池行为研究

利用小功率脉冲激光-TIG电弧复合焊在2mm厚度的不锈钢上进行堆焊,研究脉冲激光束(持续时间4 ms、峰值300 W、频率15 Hz)对电弧形态、熔池行为和焊缝成形的影响。结果表明,脉冲激光加入后,电弧中心高温区发生膨胀,并将电弧阳极斑点稳定在激光斑点处,TIG电压发生升高。当脉冲激光作用到熔池上时,熔池液态金属迅速向后方流动,熔池长度迅速增大;激光脉冲消失1ms后,熔池长度才开始逐渐减小,2 ms后液态金属向前回流,致使焊缝表面形成了鱼鳞纹,改善了焊缝表面成形。激光-TIG电弧复合焊的熔深是TIG焊的1.77倍,是激光焊熔深的2.6倍。而在相同熔深下,复合焊接速度比TIG焊提高了50%。     

脉冲MAG-TIG双电弧打底单面焊双面成形机制分析

基于中厚板打底焊接存在着自动化程度及效率低的问题,采用脉冲熔化极气体保护焊-钨极氩弧焊(MAG-TIG)双电弧热源焊接对板厚为24 mm的Q235-B进行打底焊接单面焊双面成形工艺研究及机制分析. 结果表明,脉冲MAG-TIG双电弧热源打底焊接时,利用TIG电弧与MAG电弧间的电磁力来调节MAG电弧在熔池前端的加热位置,使得一部分电弧热量直接作用于钝边上;结合焊接电弧放电行为与熔池流动分析发现,打底成形稳定性最佳时,利用TIG电弧与熔池的剪切力使得液态金属向后方流动,熔池前端底部液态金属减少,易于平衡稳定,可获得熔透均匀、连续、稳定的打底焊缝背面成形.     

脉冲电流作用下TIG焊接熔池行为的数值模拟

建立了脉冲焊接熔池行为的数值分析模型,分析了脉冲电流对ＴＩＧ焊接熔池流场,热场及熔池形状的影响规律。计算结果表明：熔池体积对电流的脉冲作用较敏感;脉冲ＴＩＧ焊接熔池内流体流动的主要驱动力是表面张力梯度。溶池中的流场随电流作周期性变化。     

不锈钢PA-GTA双面弧焊工艺特点分析

详细分析了不锈钢等离子弧(PA)-钨极氩弧(GTA)双面弧焊(DSAW)的工艺特点,该工艺可以增加熔深,减小焊后热变形,尤其适用于中厚板的焊接.当小孔效应建立后,PA-GTA双面弧焊过程中的电弧均得到了不同程度的压缩,两焊枪之间的电弧电压出现下降趋势,节省了能源.形成小孔后,电弧穿过工件从工件内部进行加热,提高了热效率.表面张力、电弧吹力和电磁搅拌力均有利于获得较大的熔深,浮力有利于增加焊缝中间部位的宽度.     

铝合金变极性等离子弧穿孔横焊焊缝成形规律分析

以穿孔等离子弧焊接过程中形成的穿孔熔池为研究对象,根据熔池热源形态的特点,采用数值模拟与试验相结合的手段研究横焊位置下的铝合金变极性等离子弧焊缝成形.由于焊接速度波动和工件厚度的影响,体热源作用下的穿孔熔池背面存在最高温度点和最大熔宽截面相背离的现象;因此通过对穿孔熔池背面进行分区和定义,提出温宽偏离度概念,即熔池背面最高温度点和最大熔宽截面的偏离程度,用以描述穿孔熔池状态及焊缝成形;通过调节焊枪角度来改变焊接过程中的温宽偏离度,在其它参数不变的情况下减轻重力在焊接过程中对焊缝成形的影响,实现变极性等离子弧穿孔焊接在横焊位置上的良好成形.     

外加横向磁场对高速GMAW焊缝成形的影响

对于高速熔化极气体保护焊接（GMAW）过程,当焊接速度超过临界值后,会出现驼峰焊道,焊缝成形变差.研究证明,熔池中动量很大的后向液体流是产生驼峰焊道的主要原因.研发了外加横向磁场发生装置,通过产生的电磁力来抑制后向液体流的动量,从而抑制驼峰焊道的形成.应用特斯拉计测试和考察了工件上磁感应强度大小及分布的影响因素.通过开展焊接工艺试验分析了不同强度的外加磁场作用下的焊缝成形规律.结果表明,外加横向磁场能明显调控熔池流态,有效抑制驼峰焊道和咬边等缺陷,显著改善焊缝成形,提高临界焊接速度.     

Analysis of submerged arc welding process by three-dimensional computational fluid dynamics simulations

The effect of torch angle and current polarities on the convection heat transfer in single wire submerged arc welding is analyzed. To develop arc models such as arc heat flux, arc pressure and electromagnetic force, this study adopts the Abel inversion method with CCD camera images for direct and alternating current polarities. The heat transfer by molten slag from the flux consumption is considered as an additional boundary heat source in the numerical simulation. The variation of arc forces, the direction of droplet flight with polarity and the torch angle significantly affect the molten pool flow and the resultant weld beads. The simulated weld pool profiles are validated with corresponding experimental results and found to be in good agreement.     

Effects of torch configuration and welding current on weld bead formation in high speed tandem pulsed gas metal arc welding of steel sheets

Abstract

Undercut and humping bead are the common defects that limit the maximum welding speed of tandem pulsed gas metal arc (GMA) welding. In order to increase the maximum welding speed, effects of the inclination angle, interwire distance and welding current ratio between the leading wire and trailing wire on bead formation in high speed welding are investigated. The undercut and humping bead is attributed to the irregular flow of molten metal towards the rear part of the weld pool. This irregular flow can be prevented by the trailing wire with a push angle from 5° to 13° , which provides an appropriate component of arc force in the welding direction. The irregular flow is also related to the distance between the leading wire and the trailing wire, and the flow becomes regular when the distance is in the range 9–12 mm. Moreover, the stabilisation of the bulge of the weld pool between the two wires, the presence of enough molten metal below the trailing arc, and the reduced velocity of molten metal flow towards the rear part of the weld pool, are essential to increase the maximum welding speed. These conditions can be obtained by adjusting the ratio of the leading arc current to the trailing arc current. A maximum welding speed as high as 4–4·5 m min^?1 is achieved by setting the current ratio to a value ranging from 0·31 to 0·5.     

金属粉末再压缩等离子弧焊接工艺

提高电弧穿透能力是等离子弧焊接领域的重要课题.自主设计并搭建了金属粉末再压缩等离子弧焊接新工艺试验平台,采集焊接过程电信号、视觉信号、弧光光谱信号等,并从焊缝成形、电弧电压、熔融金属过渡、弧光光谱等方面对金属粉末再压缩等离子弧焊接过程进行了初步的研究.在相同焊接电流195 A条件下,与常规等离子弧焊接工艺相比,金属粉末再压缩等离子弧焊接焊缝熔深增加1.29 mm、熔宽减少1.65 mm、电弧电压升高0.63 V.在波长为230 ~ 270 nm范围内,与常规等离子弧焊接相比,金属粉末再压缩等离子弧焊接中Fe和Cr元素的特征谱线明显增多. 结果表明,在相同电流条件下,与常规等离子弧焊接相比,金属粉末再压缩等离子弧焊接电弧穿透能力增强.     

聚变堆用奥氏体不锈钢不同激光输出模式熔丝特征

针对聚变堆用316LN奥氏体不锈钢材料,分别在连续激光和脉冲激光模式下进行了激光填丝焊接试验。主要研究了不同焊接工艺参数下的焊丝熔入特征及其对焊缝质量的影响,并对连续激光与脉冲激光焊接熔池流动及熔池形貌、接头的显微组织进行了研究。结果表明,连续激光填丝焊和脉冲激光填丝焊在合适的焊接工艺参数下均能获得焊丝液桥过渡,且熔池铺展均匀、焊缝成形良好。与脉冲激光填丝焊相比,连续激光填丝焊在坡口中的熔池长度约是脉冲激光填丝焊的3倍,温度梯度较大,更易产生侧壁未熔合和贯穿焊缝中心的凝固裂纹等缺陷。连续激光填丝焊的焊缝显微组织以柱状晶为主,由焊缝两边向焊缝中心生长,方向性强。脉冲激光填丝焊的焊缝两侧显微组织以柱状晶为主,各个区域都受到了相邻脉冲的重复作用,具有周期性,产生二次结晶,有助于熔池的搅动和晶粒细化,打乱了枝晶生长的方向性;焊缝中心区域为方向各异的柱状晶和等轴晶,枝晶间距减小,能够抑制裂纹的产生。 创新点： 首次提出通过脉冲激光调控结晶形态以抑制厚板焊接中裂纹的焊接工艺,可在不添加任何外部设备的基础上实现对裂纹的有效控制,打破了传统焊接工艺带来的局限性。     

Homogenisation of chemical composition and microstructure in laser filler wire welding of AA 6009 aluminium alloy by in situ electric current stirring

Owing to the rapid cooling rates, the deposited and base metals could be mixed incompletely during laser welding of Al alloys in most cases. The objective of this research is to explore a possible method to promote the mixing of materials inside the molten pool by making use of the magnetofluid dynamic effect of electric current. Full penetration CO₂ laser welding of 3?mm thick alloy 6009 sheets was performed with an external electric current simultaneously into the weld pool via a filler wire. It is found that the deposited metal is mainly concentrated on the upper part of the weld fusion zone, and the weld zone microstructure is non-uniform without the electric current addition. With the application of an electric current, the weld fusion zone geometry is reshaped, and the chemical composition and microstructure of the weld metal are homogenised. The mechanism is found to be electromagnetic force stirring of the molten pool.     

镁合金低脉冲激光-气体混合焊的熔池形貌演变和多级调控

利用基于COMSOL Multiphysics的脉冲激光-气体钨极电弧（GTA）混合焊接新型双热源模型,分析了焊缝沿线选定点的温度分布,研究了激光脉冲参数和电弧电流对熔池形貌的影响。工艺参数对熔池深度的影响由大到小为：激光激励电流>电弧电流>激光脉冲宽度>激光脉冲频率;工艺参数对熔池宽度的影响由大到小为：电弧电流>激光脉冲宽度或激光激励电流>激光脉冲频率。在此基础上,构建了激光诱导电弧焊接镁合金熔池形貌数据库体系,通过复合热源参数的分级调控,以实现对熔池形貌的精准控制。利用T形焊接熔池来验证熔池形貌的调控效果,结果表明控形的准确度高至95.1%。