厚壁结构件电弧增材制造成形方法及工艺

采用弧焊机器人进行电弧增材制造，对厚壁结构件的增材制造焊接工艺进行研究. 基于传统分层理论，进行算法优化实现对厚壁结构件成形尺寸预测并加以分析，并在此算法基础上引入单焊道成形尺寸神经网络预测模型，提高预制件模型分层精度及实际焊接参数的最优选择；针对带有内孔等特征的厚壁结构件在成形过程中焊缝边缘下塌现象，提出了“边界约束”焊接方式并对层间焊接轨迹进行规划，提高了预制件表面成形质量.最后焊制具有说明性的实体件验证预测算法及轨迹规划的准确性. 结果表明，结构件成形良好，尺寸误差小于1 mm.     

典型薄壁结构件增材制造焊接路径规划优化算法

针对复杂曲面薄壁件的电弧增材制造引入有理B样条曲线求取成形轨迹. 首先根据预制件三维模型提取轮廓数据建立轨迹曲线方程,自动生成成形路径;然后通过边缘曲线方程计算预制件在z轴方向上偏移量,进行高度补偿预测,提高分层精度,实现基于高度预测的分层算法优化. 另一方面针对具有相交特征的薄壁件交叉点处焊高过高等问题,基于相反、相切成形路径思想设计最佳路径,同时可以尽量减小由于应力集中和热累计产生的误差. 最后通过试验得到不同焊接参数下对应焊缝尺寸,确定合适的焊接参数范围,并通过典型复杂薄壁件的成形试验验证优化算法可行性. 结果表明,电弧增材制造成形路径规划优化算法提高了分层精度,实现了基于高度预测的分层算法优化,并且制备的实体件表面成形良好,成形尺寸误差在可接受范围内,此算法可以应用在制备薄壁结构件过程中.     

复杂结构薄壁件电弧增材制造离线编程技术

将增材制造技术和弧焊机器人技术相结合,对复杂薄壁件进行电弧增材制造技术研究. 首先在传统的分层方法的基础上,对成形过程中高度变化的几何模型进行预测并分析,再通过机器人的离线编程与轨迹规划技术,实现成形轨迹的自动提取. 进一步利用圆弧离散局部逼近算法,对复杂薄壁件的切片截面进行微分,计算出四元数矩阵,实现焊枪位姿自动调整;并对焊接工艺进行改良,保证成形质量. 最后通过焊制部分薄壁件进行试验验证. 结果表明,薄壁件成形质量良好,预测尺寸与实际成形尺寸误差不超过1 mm.     

金属桁架结构成形工艺分析

针对电弧增材制造过程中桁架结构难以制造的问题,提出一种基于冷金属过渡（CMT）点焊工艺的逐点添加空间桁架结构增材制造技术.通过工艺成形试验获得最优的工艺参数,并对桁架结构焊接过程进行受力分析,建立桁架结构制造过程受力数学模型,有效地解决了成型过程中立柱的下榻、熔滴在立柱上的下淌以及焊枪轮廓与构件的碰撞问题.通过受力分析数学模型得出,焊枪以垂直于基板的方向对桁架结构进行堆积时,桁架立柱出现下塌现象的临界角为50°.将数学模型与桁架结构成型路径策略相结合,可以对复杂立体特征桁架构件进行增材制造.最后通过改变单个立柱弯曲角度的桁架结构增材试验,得到满足成型精度要求的桁架结构件,验证了数学模型的正确性及桁架焊成形方法的可行性.     

侧向风场作用下横向焊接旋转电弧传感及焊缝跟踪

文中利用侧向风场的吹袭作用来抑制横焊熔池的下淌,研究了在侧向风场作用下焊缝成形质量和旋转电弧的传感特性. 提出了一种基于平面拟合的焊枪偏差和电极高度检测算法,实现了同一电流信号下焊枪偏差和电极高度的同时检测. 结果表明,适当控制侧风流量有助于抑制熔池下淌、改善焊缝成形. 但是随着风速的增加,焊接电弧的熄弧率升高、电弧传感的准确性降低. 针对焊接电流的噪声干扰,还设计了软阈值小波滤波算法,并开发了相应的模糊控制算法对焊枪偏差和电极高度进行调节,初步实现了横焊焊缝的成形控制和跟踪.     

一种用于穿孔塞焊焊缝特征提取的视觉识别算法

针对三代核电站屏蔽厂房钢筋穿孔塞焊变角度、变间隙等复杂的接头特征,研究用于机器人智能化自适应焊接的视觉识别方法. 采用双条纹激光视觉传感技术对焊接前的待焊区域进行识别,结合离散数据模拟关系曲线设计一套视觉处理算法,实现了对各种影响穿孔塞焊接头焊缝成形的特征量的数据进行提取,包括塞焊孔圆心坐标及直径、钢筋凹凸高度、接头倾斜角度、焊缝间隙等,为后续的焊枪姿态与焊接工艺参数联合规划提供基础数据. 通过对比实测的采样数据对该算法的提取精度进行了误差分析. 结果表明,圆心坐标在x, y方向的误差都在 ± 0.2 mm的范围之内,倾斜角度在R_x,R_y方向的误差都在 ± 0.2°的范围之内,实现了穿孔塞焊接头特征提取的高精度和可靠性.     

纯钛TA2薄板双钨极氩弧焊焊接工艺

针对1.24 mm厚纯钛TA2薄板进行双钨极氩弧焊堆焊,研究焊枪倾斜角度和电极间距对电弧耦合、焊缝成形的影响,利用高速摄影和电信号采集系统分别对电弧形态、电流和电压波形进行分析,揭示纯钛TA2薄板高速焊焊接缺陷形成和抑制机理. 结果表明,电极间距在11 ~ 15 mm,电弧干扰小,焊缝成形良好;两个焊枪呈大致对称倾斜分布,液态金属后向流动被抑制,无明显咬边现象,焊缝成形良好. 采用合理的工艺参数进行TA2薄板双钨极氩弧对接焊,焊接速度可达3 m/min,接头抗拉强度为434 MPa,断后伸长率为31.4%,拉伸试样断裂于母材.     

基于响应面法的超高频电弧增材制造工艺优化

采用响应面法对超高频电弧增材制造工艺（UHFP-GTAW）进行了优化. 通过建立函数关系得到了焊缝尺寸关于焊接电流、送丝速度及焊接速度的多元二次回归模型，并运用方差分析验证了回归模型的可靠性. 设置优化条件选取了相应的焊接参数，并将焊缝尺寸的预测结果与试验结果进行了对比.结果表明，模型预测尺寸与实际试验测得的焊缝尺寸误差分别为焊缝宽度5.4%和焊层高度6.6%. 对沉积成形的GH4169高温合金薄壁构件分别进行了水平方向和垂直方向的拉伸力学性能测试，其强度极限分别达到1 130.93和1 126.04 MPa，断后伸长率分别为18.1%和16.56%，断面收缩率分别达到20.6%和20.2%.     

矿用链轮链窝电弧增材制造路径规划

针对曲率较大的链窝表面的增材制造,提出了曲面分层的方案。对即将增材的区域进行分层设计和施焊路径规划,得到的路径点平滑连续,能够很好地适应链窝曲面。结果表明,施焊时机器人各轴运动平缓,焊枪行走平稳,不存在速度突变。堆敷层表面均匀平整,与链窝曲面吻合度高,边缘焊道与周围轮廓相适应好,未出现缺肉及超出轮廓边缘的情况,表明路径规划算法能较好地适用于链窝曲面增材制造过程。     

随弧激冷对电弧增材制造温度场及组织性能的影响

针对电弧增材制造过程中严重的热积累所导致的成形件成形质量差、尺寸精度低以及晶粒粗大等问题,提出通过随弧激冷电弧增材制造方法来改善电弧增材制造过程中的热积累.采用数值模拟与试验相结合的方法研究随弧激冷对电弧增材制造过程温度场的影响,分析施加冷源对成形件的成形质量以及组织性能的影响.结果表明,施加冷源能够有效改善电弧增材制造过程中的热积累,提高成形件的成形质量以及尺寸精度,优化成形件的显微组织以及力学性能.     

焊枪行走角变化对等离子弧穿孔立焊焊缝成形的影响规律

以5 mm厚的5A06铝镁合金板材为主要研究对象,焊缝的正面熔宽和背面熔宽为成形特征参数,通过正交试验确定焊枪行走角变化对焊缝成形影响的显著性,从能量传递的角度研究了焊枪行走角的变化对等离子弧穿孔立焊焊缝成形产生影响的机理.结果表明,焊枪行走角对焊缝成形的影响在焊接电流和离子气体流量之间;焊枪与试板垂直时正面熔宽最大,而随着行走角的减小,焊缝背面熔宽逐渐增大.焊枪行走角的改变使熔池正面的能量密度以及背面最高温度截面和最大熔宽截面的相对位置发生变化,对焊缝背面熔宽的影响可归结于厚度方向不同截面热源位置的偏离与工件厚度导致的传热滞后之间相互作用的结果.     

非对称角根焊中焊枪偏移与熔透形态的关系

中厚板单侧开V形坡口角焊缝由于两侧结构不对称,根部焊接时散热差异大,易产生未熔合缺陷. 为保证根部打底焊良好熔透成形,提出根据正面熔池形貌变化实时调整焊枪角度的策略,提升焊接熔透质量. 结果表明,随着焊接角度变化,焊枪相对熔池发生了有规律位置偏移. 对采集到的正面熔池图像进行中值滤波等处理后获取焊枪中心的位置坐标,并研究了不同角度焊接的内部熔透形态,建立了熔池正面焊枪位置偏移量与内部熔透形态的定量关系,为利用正面熔池特征信息预测控制焊接内部熔透形态提供了一种新的方法.     

旋转电弧传感器焊枪空间姿态识别

旋转电弧传感器焊枪空间姿态识别主要包括焊枪偏差和焊枪倾角的识别,是实现焊缝跟踪和提高焊接质量的必要条件.首先建立了焊枪倾角和偏差变化与电弧长度变化的数学模型,在此基础上提出了特征平面焊枪空间姿态检测算法,该算法充分利用了旋转电弧传感器检测得到的三维信息,采用最小二乘方法构建特征平面,根据特征平面与坐标平面交线的斜率来检测焊枪的左右偏差和倾角.结果表明,将该算法用于焊枪倾角和左右偏差的检测,其倾角检测误差为±7.85°,偏差检测误差为±0.42 mm,满足实际焊接工程需要.     

大厚壁管扁焊枪的改进优化

随着国内二代半、三代核电站的规模化建造,窄间隙自动焊工艺被广泛应用于主回路管道焊接过程中。主管道焊接采用自动焊标准大焊炬,焊接过程中需要消耗大量的保护气体,且易受外界环境的影响,不便于进行量化控制,成本较高,这些因素很大程度上制约了自动焊技术的推广和普及。基于自动焊焊机自身特点,借鉴国外的成熟扁焊枪经验,分析焊枪结构,设计能够匹配自动焊焊机的焊枪结构,使得该扁焊枪可深入至焊缝表面进行近距离保护,大大减少所需保护气体流量,且不易受外界环境影响,保护效果更佳,便于量化控制。     

旋转电弧传感焊炬空间姿态与仿真分析

为了使得旋转电弧传感焊炬便于在狭小空间进行焊接作业,焊炬空间姿态信息分析及识别处理研究必不可少. 通过建立焊炬高度数学模型,分析在不同焊炬跟踪角、焊炬工作角、焊炬行走角、焊缝左右横向偏差、坡口夹角的情况下焊炬高度变化关系及对焊缝偏差提取精度的影响. 仿真结果表明,对于偏差识别精度,焊炬工作角影响最大,其它均在合理范围之内. 但在焊炬空间姿态均有所变化时,偏差识别精度不稳定. 基于此为焊炬空间姿态信息合理解耦和精确识别提供了理论依据.     

气电横焊工艺技术改进

为了解决船舶横位置对接焊缝中存在的焊接效率低、质量可靠性差等问题,开展了针对船舶对接焊缝的气电横焊技术研究。通过对水冷铜滑块、陶瓷衬垫等关键条件的设计优化,将气电焊技术扩展至船舶建造横位置对接焊缝的焊接。随后对坡口形式、焊枪位置、摆动幅度等关键焊接工艺参数进行了合理的设计,结合船舶结构特点及工艺覆盖的要求,进行了3组不同板厚的横位置对接焊试验,测量了不同板厚的抗拉强度、硬度及冲击吸收能量,以验证工艺的可行性。结果表明,由于焊缝表面采用水冷铜滑块强制成形及焊缝根部采用陶瓷衬垫成形的影响,得到的焊缝成形美观,避免了焊后打磨处理,大大减轻了劳动强度;各个板厚的抗拉强度、硬度及冲击吸收能量等试验数据均满足船级社规范要求,并具有较大的工艺裕量;热输入最高可达93 kJ/cm,焊接效率相较于常规FCAW横焊提高了8倍左右。 创新点： (1)对陶瓷衬垫以及水冷铜滑块设计优化,有效解决了船舶横位置对接焊缝中根部焊缝的熔合问题。(2)将气电横焊技术用于船舶横位置对接焊缝的焊接,提高了横位置对接焊缝的焊接效率。     

旋转电弧传感器特征谐波法的改进

利用特征谐波检测法进行焊缝偏差的检测是旋转电弧传感器焊缝偏差检测方法之一.通过在焊接倾角存在情况下对特征谐波法的数学分析和模拟仿真,深入探讨了特征谐波中焊缝偏差、焊缝倾角和初始相位、跟踪调整的相位角的关系,对特征谐波方法进行了改进,证明了特征谐波方法结果中的实部和虚部可以分别用来对焊缝偏差和焊枪倾角检测.并且在只对焊缝偏差检测情况下,采用特征谐波方法结果中的实部表征特征量比采用其幅值效果好.结果表明,这种方法对偏差检测的效果比传统的特征谐波方法抗干扰能力更强.