铝钛异种合金电子束焊接接头缺陷分析

采用电子束焊接工艺对7075铝合金和TC4钛合金异种金属进行焊接,主要研究焊接缺陷的形貌特点、形成原因及控制措施。结果表明:在铝合金与钛合金异种金属电子束焊接头中出现气孔、裂纹、缩孔等缺陷,调整焊接工艺参数、改变束斑在异种母材上的相对能量分布可以消除气孔、裂纹等缺陷。同时延长焊缝金属冷却时间,使液态熔池及时补充凝固过程中产生的孔隙,利用表面焦点减小熔池体积,对焊缝内的缩孔有一定的改善。最佳焊接参数为:工作距离272 mm,电子束流18 mA,焊接速度20 mm/s,聚焦电流415 mA。试验为提高铝合金与钛合金异种金属电子束焊接接头质量提供了参考。     

电子束扫描横焊薄铌板的熔池动力学行为

在电子束焊接过程中，金属液体蒸发的反冲压力、表面张力、重力等驱动力共同作用于熔池，对焊缝成形有显著影响. 在扫描横焊的情况下，电子束作用范围的扫描摆动和重力方向的旋转使熔池的动力学行为变得更复杂. 采用试验和数值计算方法对电子束扫描横焊薄铌板的熔池形态和凝固后熔合区形貌进行研究，数值模拟得到的熔池形态和熔合区形状与试验结果吻合. 熔池流场分析结果表明，半熔透熔池的驱动力主要为液态金属蒸发引发的反冲压力；全熔透熔池的上表面Marangoni流动占主导，表面张力与反冲压力共同作为熔池流动的驱动力；重力与焊接扫描共同作用使得熔池两侧的质量分布和流场分布不对称，造成了焊缝两侧熔合线的不对称.     

铝合金厚板电子束焊接头组织与特征

研究了2519铝合金厚板电子束焊接头组织分布特征,并进一步研究电子束焊过程中熔池金属的流动及凝固。结果表明:焊缝由枝晶和等轴晶组成,但其沿熔深方向焊缝中心和焊缝靠近熔合线区域存在明显组织不均匀性;沿焊缝中心的上部和中部为等轴枝晶,根部则以等轴枝晶和等轴晶混合存在;靠近熔合线边缘的焊缝自上而下分别为树枝晶、柱状晶、等轴晶,晶粒生长的方向性逐渐减弱;越接近焊缝根部,其晶粒尺寸和分布越不均匀,焊缝根部晶粒沿熔池金属凝固分层轮廓线分布,且存在微裂纹等缺陷。这些现象反映出焊接过程中熔池各区域内的焊接能量和金属流动性差异显著。     

电子束横焊3mm纯铌板的熔池形态

在电子束平焊全熔透情况下,超导腔焊缝正面在反冲压力作用下易发生未焊满及塌陷等缺陷。采用合适的电子束横焊工艺参数,得到了符合工艺要求的正面余高焊缝。并且建立了3 mm厚的高纯铌板横焊过程的二维模型,针对不同的焊接参数分别设计了不同尺寸和形状的熔池,结合VOF算法,模拟焊接熔池里液态金属自由表面存在状态,得到了不同焊接参数下熔池的演变过程。实验结果显示,焊接熔宽随焊接线能量的升高而增大,数值模拟与实验结果较吻合。     

电子束深熔焊熔质密度分布与熔池流动行为

利用计算机层析成像设备———工业CT分析了电子束焊缝中熔质密度分布 ,并进而分析了电子束焊接过程中熔池流动和小孔波动行为。熔质分布与材料的物理性能及焊接状况密切相关 ,其决定因素是小孔波动及其引起的熔池波动 ,以及蒸气冲击力。小孔强烈的波动和熔体紊流可以使熔质分布均匀化 ,但金属等离子蒸气冲击力会在焊缝中形成局部区过度富积熔质 ,而电子束流扫描搅拌可进一步促使熔质元素分布均匀化。完全穿透焊可以在根部通孔中释放高压等离子蒸气 ,使小孔内蒸气作用力相比部分穿透焊时的行为产生明显变化 ,而使熔质分布不同     

电子束深熔焊熔质密度分布与溶池流动行为

利用计算机层析成像设备-工业CT分析了电子束焊缝中熔质密度分布,并进而分析了电子束焊接过程中熔池流动和小孔波动行为。熔质分布与材料的物理性能及焊接状况密切相关,其决定因素是小孔波动及其引起的熔池波动,以及蒸气冲击力,小孔强烈的波动和熔体紊流可以使熔质分布均匀化,但金属等离子蒸气冲击力会在焊缝中形成局部区过度富积熔质,而电子束流扫描搅拌可进一步促使熔质元素分布均匀化,完全穿透焊可以在根部通孔中释放高压等离子蒸气,使小孔内蒸气作用力相比部分穿透焊时的行为产生明显变化,而使熔质分布不同。     

活性剂对GH4169薄板电子束焊接焊缝成形的影响

选用镍基高温合金GH4169进行试验,分析了不同种类活性剂对焊缝成形的影响规律,发现添加不同的氧化物对焊缝表面成形、熔深均有影响,而添加氟化物却影响不大.在此基础上,进行配比和优化,得到了能改善焊缝成形,提高表面质量的电子束焊活性焊剂.分析活性剂改善电子束焊接焊缝成形的原因,认为添加活性剂改变了熔池内部的表面张力梯度,从而影响了熔池的流动方式,形成了窄而深、表面成形较好的焊缝.结果表明,活性剂电子束焊接能改善焊缝表面成形,并可进一步消除咬边等表面缺陷,这对薄板的电子束焊接技术很有帮助.     

基于熔池红外图像实时跟踪焊缝宽度算法研究

在激光焊接过程中,激光焊机所附带的传感器能够准确实时地反映焊接过程,焊缝宽度的实时动态变化对于描述焊接质量起着至关重要的作用。焊缝宽度准确测量的研究有助于理解焊接过程,获得焊接质量控制模型。针对大功率光纤激光焊接,利用恰当的滤镜系统获得清晰的焊缝熔池图像,建立熔池红外传感跟踪系统。针对大功率光纤激光焊接304型不锈钢过程,研究一种通过熔池图像实时检测焊缝宽度变化的方法。利用高速摄像机获得熔池动态红外图像,通过一系列图像处理技术得到焊缝宽度的识别模型。解决了在金属处于高温下熔池与周边非熔化区的温度比较接近,很难用红外摄像来准确测量焊缝宽度的难题。试验结果表明,所建立的焊缝实际宽度测量模型测量效果良好。     

激光-MAG复合焊熔质分布与熔池流动特征

采用扫描电子显微镜和高速摄像机分析了CO2激光-MAG电弧复合焊接焊缝中熔质元素的分布规律,以及复合焊熔池的形成过程与熔池内熔质分布的关系.熔质分布与熔池的流动状况及元素添加位置密切相关,其决定因素是激光与电弧两热源间距变化引起的熔池流动特征变化.激光匙孔强烈的波动和熔体紊流可以使熔质分布均匀化,但低熔点金属形成的等离子蒸气冲击力会使熔质在焊缝中形成局部区过度富积,而激光束流的扫描和搅拌可进一步促使熔质元素分布均匀化.当光丝距离为3 mm、元素添加位置距表面1.0 mm时,熔池中添加元素含量较高并且分布最为均匀.     

激光焊接过程的熔池动态行为研究

文中首先采用高速摄像在线监测系统对激光自熔焊、激光填丝焊熔池动态行为进行分析，并对焊缝成形进行对比分析，进一步采用数值模拟的方法对激光自熔焊、激光填丝焊填充金属作用下的焊接熔池动态行为进行对比分析.研究结果表明，激光自熔焊匙孔壁后方熔池表面附近出现由匙孔开口处向熔池尾部流动的情况，在匙孔开口后方出现了金属隆起，金属的隆起尺寸较大，激光自熔焊焊缝成形较差，表面有凹坑出现.激光填丝焊匙孔壁后方熔池表面出现由匙孔开口处向熔池尾部流动的情况，但在其下方出现由熔池尾部回流向匙孔的流动，虽然也会产生焊接飞溅，但焊接飞溅的尺寸相对较小，而且由于液态金属的填充作用，焊缝表面不易出现下凹的缺陷，焊缝成形良好.与激光自熔焊相比，液态熔滴进入熔池后，匙孔壁后方的熔体流动速度波动程度明显增大.     

不锈钢/碳钢TIG焊熔池表面流动行为

为研究异种钢在钨极惰性气体保护焊过程中的熔池表面流动行为,以粒子示踪法为基础,通过激光熔池表面反射的方法,对304不锈钢/Q235碳钢、316L不锈钢/Q235碳钢焊接过程中熔池表面液态金属的流动行为进行了研究,分析了熔池表面示踪粒子的运动趋势,并以此为依据计算了熔池表面液态金属的流动速度.结果表明,在不锈钢/碳钢的TIG焊过程中,熔池表面的液态金属存在从不锈钢侧流向碳钢侧的流动行为.其中,示踪粒子在304不锈钢/Q235碳钢的焊接熔池表面平均流动速度约为25.3 mm/s,在316L不锈钢/Q235碳钢的焊接熔池表面平均流动速度约为21.6 mm/s.     

电子束焊熔池温度场及小孔演变的数值模拟

针对2024铝合金电子束定点焊物理输运特点,在质量守恒、动量守恒、能量守恒以及VOF方程的基础上,建立了电子束深熔焊三维数学模型,系统描述了加热阶段以及冷却回填阶段点焊熔池的温度场以及小孔的演变过程,并通过焊缝形貌对比对计算结果进行了试验验证.结果表明,蒸汽反冲压力是小孔形成和加深的主要驱动力;在小孔出现以后,加热阶段的熔池最高温度区间位于瞬态小孔的底部,而当熔池冷却时冷却速度由上至下逐渐增加,并导致了焊缝微观组织的晶粒细化.     

外加横向磁场对304不锈钢焊接熔池影响机理分析

为了改善焊缝成形及提高焊接零件组织和性能,文中采用有限元法对外加磁场作用下的304不锈钢焊接熔池进行电磁场和热流场之间的耦合分析,得到了有无外加横向磁场作用下熔池内液态金属流动的速度矢量分布. 结果表明,外加磁场使熔池横截面最大流速分布由单一的熔池中心中部改为熔池中心上表面略靠下和熔池底部;熔池纵截面最大流速由首尾端漩涡交汇处改为沿两个漩涡流动方向较均匀分布,这是由于电磁压力抵消了部分表面张力,使表面张力的作用位置更靠近熔池中心位置. 在304不锈钢上进行堆焊试验,焊道横截面组织形貌证实了上述模拟结果.     

铝合金脉冲激光焊Mg元素烧损行为及接头硬度分布

采用Nd:YAG脉冲激光对1mm厚5A05铝合金板进行焊接,结合激光焊物理过程,研究和分析了焊接工艺参数(脉冲能量、脉冲宽度、焊接速度和离焦量)对Mg元素烧损和焊缝熔深的影响,以及焊缝中Mg元素含量的变化和接头的硬度分布.结果表明,Mg元素烧损受熔池搅拌作用的影响,随搅拌作用增强和焊缝熔深的增加,焊缝中Mg元素烧损率减小;受Mg元素含量和冷却速度影响,焊接接头硬度在熔合线附近具有最大值,在焊缝中从表面到熔池底部硬度先减小再增大.     

大厚度电子束焊接接头厚度方向的组织差异性

利用K110型电子束焊机焊接50 mm厚的304不锈钢板,并对焊接接头深度方向的微观组织及硬度进行分析. 结果表明,利用电子束焊接方法能够一次性焊透50 mm厚不锈钢板,得到成形良好的焊接接头. 焊缝深宽比较大,约为18:1. 焊缝组织由奥氏体和铁素体组成. 从焊缝上表面到深约39 mm处,铁素体形态依次为网状,板条状/骨架状和树枝状分布于奥氏体枝晶间或晶界处. 在焊缝的下层,亚稳的胞状奥氏体将取代稳定铁素体相作为初生相直接从熔体中析出. 沿焊缝中心深度方向,接头的凝固模式由primary ferrite with second-phase austenite,FA转变成primary austenite with second-phase ferrite,AF模式,晶粒尺寸减小,硬度呈波动性增加趋势.     

气体熔池耦合活性TIG焊方法

提出了一种新型活性TIG焊方法——气体熔池耦合活性TIG焊,即GPCA-TIG焊.该焊接方法将气体分两层流动,内层气体采用惰性气体起到保护熔池的作用;外层气体则为含活性元素O的气体,将活性元素O引入熔池金属,达到增加熔深的目的.文中以SUS304不锈钢为焊接母材,研究了GPCA-TIG焊接法对焊接电弧及焊缝成形的作用,以及该方法主要工艺参数对焊缝熔深和深宽比的影响.结果表明,在相同参数下,与常规TIG焊方法相比,GPCA-TIG焊可不开坡口一次性焊透8 mm不锈钢板,焊接效率明显提高.同时采用该方法,可以有效避免钨极的氧化烧损.     

空间多位置摆动激光填丝焊接熔池动态行为及焊缝成形

以316L奥氏体不锈钢管道为研究对象,在摆动激光焊接研究基础上,对管道多位置激光填丝焊接熔滴过渡和焊缝成形展开研究,分析焊接熔池动态特征,优化各位置区间工艺参数,进而实现管道全位置激光焊接. 结果表明,摆动激光束周期性的作用于填充焊丝,产生的反冲压力能够促进熔滴过渡,使得焊丝始终以“液桥”形式向熔池过渡;同时摆动激光增强了熔融金属侧向流趋势,提高熔池界面表面张力,削弱空间多位置下重力对熔池形貌的影响,保证各空间位置熔池均能稳定存在,焊缝成形连续均匀.     

激光焊接不锈钢微间隙焊缝偏差角点检测法

针对大功率(10 kW)光纤激光焊接304不锈钢紧密对接微间隙焊缝(焊缝间隙小于0.1 mm),通过高速像机摄取熔池近红外热像并分析其特征,分析和处理熔池热像特征,提取激光束偏离焊缝位置的信息,探索激光束与焊缝偏差的信息表征.利用激光深熔焊的匙孔效应,研究焊缝在固态与液态交界处不稳定边缘特征点,提出一种角点检测法实现微间隙焊缝偏差的检测.结果表明,熔池红外热像角点密集分布中心与焊缝偏差有密切的关系,通过角点分布密度可以有效判断焊缝偏差状态.     

电子束环焊2 mm高纯铌熔池行为的数值模拟

基于VOF算法建立了2 mm厚的高纯铌电子束环焊过程的三维数学模型,在模型中考虑了金属蒸气反冲压力、表面张力、重力等关键熔池驱动力,计算出了环形熔池的温度场和流场对熔池中关键位置进行分析,并总结了纯铌环焊熔池的特点。模拟结果表明,在纯铌环形结构未熔透时,由于母材对熔池的支撑作用,匙孔波动情况与平焊类似;在环形结构焊透后,在Marangoni效应和重力的作用下,熔池表面液态金属加速扩展。此外,数值模拟与试验结果吻合良好,验证了数学模型的合理性。     

High quality welding of stainless steel with 10 kW high power fibre laser

Abstract

The objectives of this research are to investigate penetration characteristics, to clarify welding phenomena and to develop high quality welding procedures in bead on plate welding of type 304 austenitic stainless steel plates with a 10 kW fibre laser beam. The penetration depth reached 18 mm at the maximum at 5 mm s^?1. At 50 mm s^?1 or lower welding speeds, however, porosity was generated at any fibre laser spot diameter. On the other hand, at 100 mm s^?1 or higher welding speeds, underfilling and humping weld beads were formed under the conventionally and tightly focused conditions respectively. The generation of spatters was influenced mainly by a strong shear force of a laser induced plume and was greatly reduced by controlling direction of the plume blowing out of a keyhole inlet. The humping formation was dependent upon several dynamic or static factors, such as melt volume above the surface, strong melt flow to the rear molten pool on the top surface, solidification rate and narrow molten pool width and corresponding high surface tension. Its suppression was effective by producing a wider weld bead width under the defocused laser beam conditions or reduction of melt volume out of keyhole inlet under the full penetration welding conditions. Concerning porosity, X-ray transmission in situ observation images demonstrated that pores were formed not only from the tip of the keyhole but also at the middle part because of high power density. The keyhole behaviour was stabilised using a nitrogen shielding gas, resulting in porosity prevention. Consequently, to produce high quality welds in 10 kW high power fibre laser welding, the reduction procedures of welding defects were required on the basis of understanding their formation mechanism, and 10 kW fibre laser power could produce sound deeply penetrated welds of 18 mm depth in a nitrogen shielding gas.