外加磁场对高速GMAW电弧和熔池行为的主动调控效应

在熔化极气体保护焊(Gas metal arc welding,GMAW)过程中,当焊接速度超过临界值后,焊缝成形变差,出现咬边和驼峰焊道,无法满足生产要求。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。自主研发外加磁场发生装置,向熔池施加横向电磁力,对后向液体流进行主动干预,并调控熔池流态,从而抑制驼峰焊道的形成。在Q235低碳钢板上开展焊接工艺试验,获得了不同磁感应强度下的焊缝表面成形;采用高速摄像技术,拍摄焊接过程中的电弧和熔池图像,分析外加磁场对电弧形态、熔池流场和焊缝成形的影响规律,初步揭示外加磁场抑制驼峰焊道的机理。试验结果表明,外加横向磁场能明显调控熔池流态,减小后向液体流的动量,并能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。     

焊接参数对304不锈钢激光焊接温度场分布特征的影响

采用红外热像测量的方法,跟踪拍摄304不锈钢激光焊接的过程,研究激光焊接参数对304不锈钢焊接温度场特征的影响。试验结果表明,激光功率一定时,随焊接速度的减小,熔化区域的长度和宽度增大,但温度场分布的基本特征未变;焊接速度一定时,随激光功率的增大,焊缝正面温度场的整体温度升高,特别是熔池后端次高温区的温度显著升高和面积显著增大,但温度场分布的基本特征未变;输入线能量相近时,高功率/高速度组合的“小孔”区域温度较高,低功率/低速度组合的次高温区域的温度较高、面积较大,但是后端焊缝区域的温度较低。     

立向高速GMAW驼峰焊缝的试验研究

驼峰焊缝的产生严重制约了高速熔化极气体保护焊(Gas metal arc welding,GMAW)在立向焊接上的应用,目前对该技术难点研究甚少,尚无简单有效的抑制措施提出。因此,通过梳理水平高速GMAW驼峰焊缝的形成机理,以此为基础,运用自主研发的爬壁机器人焊接试验平台对立向高速GMAW驼峰焊缝进行试验研究。研究发现:立向上焊时,高速GMAW会产生驼峰焊缝缺陷,熔池中由电弧压力、熔滴冲击力和重力作用下产生的动量很大的后向液体流是形成驼峰焊缝的主要原因。此外,焊接电流和焊接速度显著影响驼峰焊缝的形貌。立向下焊时,因焊接方向和焊枪倾斜位置发生改变,使熔池中由电弧压力和熔滴冲击力作用下产生的后向液体流流向与自身重力方向相反,可有效抑制驼峰焊缝的形成。通过利用金属液体流自身重力来抑制立向高速GMAW焊接过程中驼峰焊缝的形成,大大提高了焊接速度和焊接电流,具有较高应用价值。     

焊接速度对电弧增材熔池流动及焊道形貌影响的数值模拟研究

焊接速度对电弧增材成形过程中传热传质以及焊道成形有重要影响，为探究其影响机理，建立TIG电弧增材成形过程的三维瞬态数值模型，采用VOF方法追踪熔池自由界面，研究不同焊接速度下单道熔积成形过程中的传热及熔池流态，并分析焊接速度对单道焊道形貌的影响。数值模拟结果表明，随着焊接速度减小，熔池的热积累增强，体积增大，熔池表面峰值温度提高，弧坑深度也加深；同时，在电磁力和熔池表面力的共同作用下，熔池表面流速峰值随焊接速度减小而减小，熔池内部流速增大，对流更充分。此外，随着焊接速度减小，成形焊道的宽度和高度均有不同程度的增加。相同条件下的试验与数值模拟的焊道轮廓对比验证了数值模拟结果的有效性，研究结论可为电弧增材技术的工艺参数调控提供理论支撑和依据。     

激光摆动焊接6061铝合金板材焊缝成形工艺研究

为了探究激光摆动焊接铝合金的工艺特性,开展了手持摆动焊接头焊接6061铝合金的实验,对比分析了焊接速度、激光功率、振镜速度等工艺参数对焊缝宏观形貌的影响。通过高速相机捕获的实时动态影像,分析了激光摆动焊接匙孔的形成与特征,以及摆动焊接下熔池的形成与保持。实验结果表明,焊接速度与激光功率对焊缝形貌的影响较大,振镜速度应与焊接速度相匹配,即焊接速度慢对应振镜速度低,快速焊接对应振镜速度快。激光摆动焊接的匙孔会随着激光光斑的摆动变大,且匙孔始终位于焊缝中央,激光光束的摆动会搅拌熔池,影响熔池的热力耦合与焊缝成形,形成稳定均匀的鱼鳞纹状焊缝形貌。     

排布方式对铝合金激光-MIG复合横向焊接特性的影响

采用常规激光-熔化极惰性气体保护电弧(Metal inert gas,MIG)复合横向焊接铝合金过程中,焊缝表面极易出现咬边和下塌等缺陷,由此开展排布方式对激光-MIG电弧复合横向焊接铝合金焊接特性的影响研究。分析二者的排布方式对熔池特征、熔滴过渡形式以及焊缝成形规律的影响。试验结果表明,异面引导复合焊接方式对焊缝成形有明显改善作用,焊缝表面熔宽减少、中心线偏移和咬边缺陷得到有效抑制。采用同面引导复合方式时,熔滴过渡到匙孔后方,熔池下侧熔融金属大量堆积并产生周期性的波动,导致焊缝结晶组织出现了分层现象;而采用异面引导复合方式时,熔滴过渡到匙孔下方,并且熔滴在熔池中的落点位置与同面引导方式相比要偏上,熔滴过渡频率稍低,此时熔池中熔融金属分布较为均匀,熔池下部堆积金属较少,有效抑制了焊缝的下塌和咬边缺陷。     

钨极氩弧焊熔透熔池塌陷倾向的预测

对钨极氩弧焊(GTAW)全熔透熔池进行受力分析,建立熔透熔池的力学模型,提出熔池塌陷的力学判据.利用所建立模型计算并讨论影响熔池塌陷的各个作用力的动态变化、大小和百分比组成,并预测钨极氩弧焊焊接不锈钢和低碳钢薄板时在不同焊接速度下的合适焊接电流范围.试验结果与理论预测相一致,验证了所建立模型的实用性.     

脉冲激光焊接Hastelloy C-276合金的熔池流动传热特性分析

基于流体动力学方程和传热方程建立了三维瞬态模型,用于研究脉冲激光焊接0.5 mm厚Hastelloy薄板时熔池的流动行为及传热特性.应用Fluent软件,采用有限容积法(FVM)求解控制方程,用SIMPLE算法处理速度与压力的耦合.引入Pe来衡量焊接熔池中对流传热与传导传热的相对强弱,并以此分析焊接熔池的传热特性.结果表明:沿焊接方向,焊接熔池的流动速度随着离熔池中心距离的增加先增加后减小;在给定试验条件下,熔池流动速度在离熔池中心0.2 mm左右时出现最大值,且沿焊接方向前方稍大于后方,而后迅速减小为零;焊接熔池中对流的存在使得焊接熔池熔深较小而熔宽较大;最终的焊接形貌由对流传热与传导传热相互作用而成.对焊缝形貌的数值模拟结果与实验结果进行了比较,计算结果与实验结果吻合较好.此模型可为脉冲激光焊接Hastelloy C-276薄板时熔池流体流动行为的分析提供理论依据.     

高氮钢激光-电弧复合焊接熔池表面流动行为

焊接熔池流动行为是影响焊缝成形和接头质量的关键因素之一,其特征难以直接获取。试验采用ZrO₂颗粒作为示踪粒子,利用高速相机观察示踪粒子运动轨迹,开展高氮钢激光-电弧复合热源焊接熔池表面流动行为的研究。研究结果表明：单独激光焊接时,其熔池的流动主要受匙孔尺寸变化的影响;单独电弧焊接时,其熔池的流动则主要受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响;而激光-电弧复合焊接时,其熔池的流动既受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响,同时,匙孔的存在也会影响其熔池的流动。在激光-电弧复合焊接过程中,示踪粒子的直线移动距离随着焊接电流和电弧电压的增加而增加;而激光功率的改变对其直线移动距离的影响并不显著。研究结果揭示了不同焊接工艺及其参数对高氮钢焊接熔池表面流动行为的影响规律,为高氮钢焊接工艺的选择提供了理论依据。     

激光入射角影响焊接熔池匙孔瞬态行为数值模拟

在激光焊接中,激光入射角直接影响着熔池匙孔瞬态行为,而仅采用工艺试验方法难以探索其规律。利用数值模拟技术模拟激光入射角分别为30°、0°、-30°的焊接过程,研究激光入射角对熔池匙孔瞬态行为的影响。同时通过激光焊接试验对仿真结果进行验证,数值仿真的焊缝横截面形貌与试验结果吻合较好,表明仿真结果能够反映激光焊接过程。分析不同激光入射角下温度场、熔池内流场、匙孔后壁反冲压力、匙孔深度和匙孔后壁静压力的变化。结果表明,激光入射角的正负影响熔池内部流动的快慢;激光入射角为正时,有利于抑制飞溅形成,而激光入射角为负时,则促进飞溅生成;激光入射角的正负明显影响匙孔的稳定性,当激光入射角为负时,匙孔稳定性降低,坍塌频率增加,产生气泡的概率提高。使用合适的激光正入射角有利于提高激光焊接质量。     

深熔激光焊接熔池温度场的数值模拟

利用旋转Gauss曲面体新型热源模型,忽略深熔激光焊时小孔对传热的影响,建立了移动激光热源作用下的三维数学模型.利用PHOENICS3.4软件,模拟了SUS304不锈钢深熔激光焊接热过程的温度场和熔池熔合线形状,得到了不同焊接速度下的温度场分布云图和"钉头"状的熔池形状.数值模拟结果与试验结果基本吻合.     

激光冲击强化对TC4钛合金单面修饰激光焊接接头疲劳性能的影响

对TC4钛合金单面修饰激光焊接接头进行激光冲击强化,对比强化前后焊接接头的疲劳寿命,在光学显微镜和扫描电镜下观察断口疲劳断裂特征,并从焊接接头的显微硬度、微观组织、残余应力分布等方面综合分析激光冲击强化对TC4钛合金单面修饰激光焊接接头的强化机理。试验结果表明：未强化和强化试样均在焊缝咬边处萌生疲劳裂纹,强化试样疲劳寿命是未强化试样疲劳寿命的3.77~9.15倍,强化试样焊缝咬边处马氏体细化,显微硬度提高,焊缝表面呈残余压应力分布,焊缝咬边处残余压应力达-564.37±9.85MPa。晶粒细化和高幅值残余压应力综合作用下抑制了焊缝咬边处疲劳裂纹的萌生,且增大了裂纹扩展阻力,从而提高了焊接接头疲劳性能。     

激光材料加工熔池流动行为实验研究进展

熔池作为激光与材料相互作用过程的基本单元，其内部传热、传质过程对微观凝固组织和宏观缺陷的形成有重要影响。掌握激光材料加工熔池流动行为机制，并采取有效的调控手段是获得高质量激光材料加工成形件的关键。随着试验设备与技术的不断发展，激光材料加工熔池流动研究正朝深度化和精细化方向发展，并取得了大量研究成果。系统介绍了熔池流动行为实验研究方法的发展和应用，重点综述了激光焊接和激光增材制造过程熔池/匙孔流动行为国内外研究进展。首先介绍了熔池流动的受力机制及其主要影响因素；然后回顾和讨论了使用直接法和间接法对熔池流动的可视化实验研究进展，并对目前熔池流动行为的主要调控手段进行了总结。最后，对进一步熔池流动行为机理研究和更高效的熔池流动调控手段进行展望。     

活性激光电弧复合焊接法研究

为了进一步提高激光电弧复合焊接的熔深,提出活性激光电弧复合焊接法。在氧气的保护下,用小功率光纤激光在待焊焊件表面进行预熔处理,使表面熔化生成一层氧化层,然后用激光电弧复合焊接覆盖氧化层,达到增加熔深的目的。结果表明,激光预熔后进行激光电弧复合焊接,电弧明显收缩,熔深增加1.5倍左右,表面成形良好。激光预熔后,焊缝含氧量增加,熔池表面张力温度系数由负变正,使得复合焊接熔深增加。研究工艺参数对焊缝熔深和熔宽的影响,随着激光预熔功率的增加,熔深增加熔宽减小;随着电流的增加,熔深熔宽都增加,但激光预熔后的焊道增加更快。随着复合焊接速度的增加,熔深和熔宽都减小。随着复合焊接中激光功率的增加,熔深增加,对熔宽的影响较小。利用活性激光电弧复合焊接法,可以得到较为细小的焊缝组织,提高焊接接头的抗拉强度,能达到母材抗拉强度的95%,且面弯和背弯180°后未出现裂纹,表明接头具有良好的韧性。     

Gas Pool Coupled Activating TIG Welding Method with Coupling Arc Electrode

Gas pool coupled activating TIG(GPCA?TIG) welding put forward in?house can dramatically enhance weld penetration of TIG welding through introducing active element oxygen to reverse the Marangoni convection flow in the molten pool. In order to further improve the welding productivity, the normal solid tungsten electrode is replaced by a kind of coupling arc electrode. The changes of arc pressure distribution along anode surface and the weld appearance were evaluated. On this basis, the dependences of weld shape characterized with weld depth, width and undercut on the main welding parameters were discussed. The results indicate, the substitution of coupling arc electrode can lead to an obvious decrease of arc pressure. Compared to hollow tungsten electrode and twin tungsten electrodes, the coupling arc electrode is much easier to manufacture and has more compacter structure. Combined with the symmetric distribution of arc pressure in di erent directions, this electrode has extensive adaptability. In the GPCA?TIG welding with coupling arc electrode, both the substitution of coupling arc electrode and the introduction of outer active gas oxygen can reduce the possibilities of producing humping bead and undercut. Their joint action makes this welding method have the capability of realizing high travel speed and deep penetration welding.     

TIG电弧辅助熔滴沉积增材制造SiCp增强铝基复合材料中的熔池动力学与颗粒迁移行为

基于计算流体力学方法,考虑电弧力、碳化硅颗粒(SiC_p)增强相与液态铝合金基体相之间的相互作用以及表面张力等因素,建立了Si C_p增强铝基复合材料钨极氩弧焊(TIG)电弧辅助熔滴沉积增材制造中的三维瞬态熔池行为数值模型,通过与堆积试样的横截面形貌、Si C_p分散状态实验结果对比,验证了熔池行为数值模型的有效性。通过数值模拟,揭示了堆积过程熔池峰值温度演变规律、熔滴冲击诱导的熔池动力学行为、熔池流态对Si C颗粒迁移行为的影响。结果表明,堆积过程涉及熔滴冲击、合并、铺展、熔池回弹4个阶段;冲击点附近出现重熔,熔滴冲击造成熔池中心区域产生明显的V字形凹陷,熔池边缘形成冠状隆起;在熔体拖拽力的作用下Si C颗粒更多的分布于堆积层两侧;熔滴冲击引起的熔池内局部高压以及熔池底部对流,抑制了Si C颗粒向熔池底部沉降。     

Welding deviation detection algorithm based on extremum of molten pool image contour

The welding deviation detection is the basis of robotic tracking welding, but the on-line real-time measurement of welding deviation is still not well solved by the existing methods. There is plenty of information in the gas metal arc welding(GMAW) molten pool images that is very important for the control of welding seam tracking. The physical meaning for the curvature extremum of molten pool contour is revealed by researching the molten pool images, that is, the deviation information points of welding wire center and the molten tip center are the maxima and the local maxima of the contour curvature, and the horizontal welding deviation is the position difference of these two extremum points. A new method of weld deviation detection is presented, including the process of preprocessing molten pool images, extracting and segmenting the contours, obtaining the contour extremum points, and calculating the welding deviation, etc. Extracting the contours is the premise, segmenting the contour lines is the foundation, and obtaining the contour extremum points is the key. The contour images can be extracted with the method of discrete dyadic wavelet transform, which is divided into two sub contours including welding wire and molten tip separately. The curvature value of each point of the two sub contour lines is calculated based on the approximate curvature formula of multi-points for plane curve, and the two points of the curvature extremum are the characteristics needed for the welding deviation calculation. The results of the tests and analyses show that the maximum error of the obtained on-line welding deviation is 2 pixels(0.16 mm), and the algorithm is stable enough to meet the requirements of the pipeline in real-time control at a speed of less than 500 mm/min. The method can be applied to the on-line automatic welding deviation detection.     

激光深熔焊熔池形成过程的数值模拟

建立了用于激光深熔焊数值模拟的新型移动热源模型——圆锥体热源模型,用圆锥体热源模型模拟激光深熔焊时熔池的形成过程。结果显示圆锥体热源模型能够很好地描述能量在试件厚度和试件表面上的传导情况,准确地模拟了熔池的形成过程,得到了与实际焊接很相符的温度场分布。