CMT电弧特性对5A56铝合金增材制造构件组织与性能的影响

为了研究CMT电弧特性对铝合金增材制造构件组织与性能的影响,采用CMT、CMT-VP及CMT-P三种电弧形式分别对5A56铝合金进行电弧增材制造.通过高速摄像同步采集系统分析增材制造中的电弧形态及熔滴过渡过程进行跟踪,研究电弧特性对铝合金增材制造构件微观组织与力学性能的影响.试验结果表明:电弧特性对电弧行为和熔滴过渡都产生影响,CMT-VP电弧的EN阶段电弧形态发生变化,弧根上爬包裹熔滴,极区热量使焊丝熔化量增加;CMT-P中脉冲阶段电弧电压和电流都处于峰值且电流峰值较高,导致电弧力较大,熔滴过渡呈滴状,熔池振荡;在焊接电流与熔敷速度相同情况下电弧的线能量大小为CMT-P>CMT>CMT-VP,较低的热输入量使得CMT-VP电弧下薄壁试样的晶粒尺寸最小,组织分布较为均匀,且CMT-VP电弧下试样的力学性能更为优异,硬度均值最高,达到86.01 HV,横向与纵向抗拉强度均最大,分别为344.68?MPa和324.61?MPa,其延伸率分别为30.33％和21.04％.而CMT-P电弧的热输入最大,易形成粗晶组织,力学性能较差.     

2219铝合金CMT电弧增材熔滴过渡行为

在冷金属过渡(cold metal transfer,CMT)电弧增材制造过程中,熔池的流动行为极易受到电弧和熔滴的影响,从而严重影响堆积层的稳定性和成形件质量.该文利用高速摄影结果及电信号参数波形图,引入热输入量计算公式,从特征电信号、熔滴过渡特征量、热输入量等方面定量分析了CMT+P模式下送丝速度及脉冲修正系数对熔滴过渡过程及单道成形形貌的影响,同时分析了脉冲变极性冷金属过渡(Advanced CMT,CMT+PA)模式下送丝速度及控制面板上的EP/EN修正系数η对熔滴过渡过程及单道成形形貌的影响,为后续工艺优化提供参考和指导.     

送丝方式对步进填丝双脉冲TIG电弧增材成形精度的影响

针对电弧增材制造热质传输强耦合、成形尺寸精度低等共性关键问题,提出一种步进填丝双脉冲钨极氩弧(tungsten inert gas,TIG)电弧增材制造方法. 基于此方法建立增材成形试验系统,开展系列变化参数的直壁墙增材工艺试验. 利用同步采集的熔滴、熔池动态变化图像数据重点研究分析了送丝方式对焊丝熔化、熔滴过渡、熔池行为和成形尺寸精度的影响规律. 结果表明,前、后送丝方式下熔滴均以液桥过渡方式熔入到熔池;相比前送丝增材过程,后送丝方式下焊丝熔化效率和熔滴过渡频率明显增加,熔滴尺寸变小,熔池表面高度和宽度尺寸波动均减小;高频脉冲电弧使熔池体积略微增加,热稳定性明显增强,直壁墙沉积件成形精度明显提高.     

基于CMT的钛合金电弧增材制造技术研究现状与展望

钛合金高强度、高耐热的特性决定了其在航空航天、船舶制造等领域的广泛应用,但由于钛合金的难加工性,使得传统锻造+机加的方式模具损耗严重、制造周期长。增材制造作为一种制造成本低、成形效率高的绿色化制造工艺,凭借其无需模具、直接成形的优势在钛合金制造领域受到国内外学者的广泛关注。电弧增材制造技术相较于其他增材工艺(如激光增材制造、电子束增材制造等)沉积效率更高,不受零件尺寸的限制,在大型和超大型结构件的制造中具有突出优势,其中基于冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)的电弧增材制造技术由于沉积过程更稳定、热输入量更低,已逐渐成为钛合金增材制造领域的研究热点。文中对基于冷金属过渡的钛合金电弧增材制造技术的研究现状进行综述,介绍钛合金打印件的微观组织和力学性能特征,总结分析了成形参数对打印件微观组织与力学性能的影响规律,并概述了形核条件调控、轧制和超声冲击等辅助技术对打印件微观组织与力学性能的影响机制,最后展望了钛合金CMT电弧增材制造的未来发展趋势。     

TIG电弧增材熔池行为的数值模拟研究现状

TIG(钨极惰性气体保护焊)电弧增材制造由于其材料利用率高、成形效果好等显著优势,已成为制造业研究的热点。本文从数值模拟的角度,着重总结了TIG增材熔滴过渡、热累积和熔池行为3个方面的重要结果。成形工艺参数决定熔滴过渡形式和频率,而熔滴的过渡形式和过渡频率直接影响沉积层的成形质量;热累积影响着成形件的微观组织和应力,可通过控制层间冷却时间来减少热累积;在进行TIG增材熔池数值模拟时,多选择高斯热源和双椭球热源模型。基于以上对TIG电弧增材制造的分析研究,对TIG电弧增材制造的研究方向进行了展望,主要包括建立熔滴与熔池的物理耦合模型和改进电弧热源模型两方面。     

动态CMT焊接过程分析

动态CMT焊接是对传统CMT焊接的改进,以期获得较大的熔深。采用高速摄像同步分析系统分析了动态CMT焊接过程熔滴过渡和电流电压波形特点。结果发现,动态CMT焊接熔滴过渡增高至110 Hz以上;从电流电压波形上看,动态CMT分为3个阶段,即燃弧,强脉冲和短路3个阶段。在强脉冲阶段,电流峰值达493 A,而在短路阶段电流为75 A以上。T形接头焊接结果显示,在相同焊接热输入下,动态CMT比普通CMT能够获得更大的熔深.熔深增加是由于强脉冲阶段大的电弧力造成熔池表面下凹,电弧下方液态金属层变薄使得熔池底部加热作用明显;同时短路电流的增加,也提高了熔池温度和焊丝预热效果。     

车用薄镀锌板CMT搭接工艺特性

针对车用薄镀锌板材料,为了进一步降低冷金属过渡(cold metal transfer,CMT)时产生的飞溅,研究分析了薄镀锌板CMT搭接焊接工艺特性.采用Baumer HX 13工业级高速摄像机拍摄了CMT焊接熔滴过渡图像,利用NI PXI数据采集系统采集了CMT焊接电流电压信号.主要研究了短路前期阶段与短路后期阶段电流电压对CMT熔滴过渡的影响规律,同时分析了焊枪倾角对薄镀锌板CMT搭接焊接熔滴过渡行为的影响.结果表明,当CMT短路阶段电流小于基值阶段电流时,电信号波形未出现扰动现象,焊接过程稳定;当降低短路后期电流约5 A时,能够有效降低CMT搭接产生的飞溅;当焊枪与垂直平面呈30°夹角时,能够获得平稳的熔滴过渡,焊接飞溅最小,焊缝熔深最大,焊缝成形最佳.故短路阶段电流小于基值阶段电流且降低短路后期电流约5 A时,采用焊枪倾角30°的焊接工艺能够实现较小的焊接飞溅,为生产实践提供理论依据.     

双丝三电弧铝合金熔丝电弧行为

为了实现双丝三电弧铝合金熔丝制造的高效化,通过使用高速摄像来拍摄电弧及熔滴过渡,分析电弧受力,找出对电弧及熔滴过渡的影响因素。结果表明,第三电弧M弧电流值Im增大时,它的电弧形态明显呈向下弯曲,并对熔滴的过渡有促进的作用,过渡形式是短路和射流过渡的混合过渡;并找出飞溅产生的主要原因是电流方向改变时,处于熔丝端部的熔滴没来得及落入熔池而受水平的电磁力被横向吹出所导致;Im在30～38 A时,飞溅最少,熔丝过程稳定。     

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.     

不锈钢的药芯焊丝焊接过程中熔滴过渡行为分析

采用高速摄像与电信号同步分析系统分析不锈钢药芯焊丝焊接过程中的熔滴过渡和电流电压波形特点。结果发现,当电流为150 A时,焊接时容易出现短路过渡,引起飞溅,电弧形态不太稳定,主要过渡方式为非轴向大滴排斥过渡;随着电流增大,电弧趋于稳定,飞溅明显减少,表面张力对熔滴过渡起一定作用;当电流达到240 A时,无短路过渡现象发生,几乎无飞溅产生,电弧形态基本保持不变,焊接过程稳定。焊接过程中焊丝与熔池间形成的渣柱有助于熔滴脱离焊丝进入熔池。     

局部干法环境下GMAW横向焊接熔滴过渡特性

提出了一种水下结构件局部干法横向焊接方法,该方法通过对排水罩结构进行设计,使高压气体在排水的同时在排水罩内部形成向上流动的风场,利用风场对熔池的吹袭作用来抑制熔池下淌. 采用高速摄像技术研究了在侧向风场作用下GMAW焊的熔滴过渡特性. 结果表明,在短路过渡状态下,由于受到侧向风场的影响,更容易发生B型短路过渡. 在滴状过渡时,由于熔滴体积较大,侧向风场的支托作用不明显,熔滴沿焊丝倾斜向下过渡到熔池中. 在射流过渡时,侧向风场对电弧的影响较小,使熔滴略微向上偏斜,有助于减小熔池下淌程度,获得较好的焊缝成形质量. 研究结果对于水下结构件横向焊接质量控制有一定的参考价值.     

旋转电弧GMAW堆焊短路过渡熔池动态仿真

为探究旋转电弧GMAW堆焊短路过渡时熔池的温度和对流分布规律,利用Flow-3D软件建立三维数学模型,采用球形旋转热源模型,考虑重力、熔滴拖拽力、表面张力、浮力作用,模拟了堆焊状态下,工件材料为Q235的旋转电弧GMAW短路过渡的熔池成形规律. 采用流体体积法追踪熔滴过渡和熔池表面的自由变形,并分析熔滴进入熔池时熔池内部温度场和流场的变化. 结果表明,熔池形成过程中,旋转熔滴对熔池有搅拌作用,并使熔池内部液态金属活性增强,流速变快,熔池内部液态金属体积变大,熔池的宽度变大. 模拟预测的焊缝尺寸、形状与试验吻合良好. 为优化焊接工艺参数、改善旋转电弧GMAW堆焊焊缝质量提供参考依据.     

TA31钛合金电弧增材制造过程液桥过渡数值分析

建立了电弧熔丝增材制备TA31钛合金过程传热传质的三维瞬态计算流体力学模型,采用流体体积法对自由表面进行追踪,计算了熔滴生长、液桥过渡和脱离焊丝进入熔池的动态演化,以及在表面张力、电弧压力、电弧剪切力、电磁力、重力和热浮力的作用下熔池流体流动的速度分布,并通过与高速成像以及沉积层横截面的比较,验证了该数值模型的有效性。结果表明：液桥过渡模式对熔池冲击较小,有利于减少成形表面的不规则性。随着熔池几何形状的扩大,沉积层高度先增大后减小,最后趋于稳定。在电弧压力和表面张力的作用下,熔池表面形成凹陷,熔池内部产生对流。惯性力和表面张力是影响液桥流动的最重要驱动力,粘性力和重力的影响可以忽略不计。     

Characterisation of the cold metal transfer (CMT) process and its application for low dilution cladding

The process characteristics of the synergic cold metal transfer (CMT) process have been examined for welding aluminium alloy. Utilising a simple backlighting system and through the arc monitoring the droplet transfer modes were identified. Whilst the modified short circuit mode was evident for the lower parameter range, a two part transfer mode based upon a combination of spray and short circuit transfer was observed for the mid to upper parameter range. The technology was also explored as a cladding process for applying to ternary alloyed (Al-Cu-Mg) aluminium plate. This alloy system is known to be susceptible to solidification cracking when MIG welded using the binary Al-2319 (Al-Cu) filler wire, this being due to the wide element freezing range of the weld resulting from mixing with the base material. Utilising this filler, weld dilution ratios for both CMT and pulsed welding were identified across the examined parameter range. The CMT process exhibited greater control of dilution that enabled deposition of a quasi-binary (Al-Cu) layer exhibiting a less crack susceptible composition. Onto this layer conventional MIG welding could be applied which could potentially eradicate cracking using a binary filler wire.     

铝合金P-MIG焊接过程熔滴过渡行为的结构负载声发射表征

通过在线检测铝合金PMIG焊接过程的结构负载声发射信号,研究熔滴过渡行为的表征,以及熔滴过渡形式变化对声发射信号特征参数的影响. 结果表明,焊接过程中检测到的结构负载声发射信号时域波形包含了较多的PMIG焊接过程熔滴过渡特征信息,利用时域波形及其平均振铃计数、平均正峰值等特征参数可以对PMIG焊接过程中的熔滴过渡现象进行表征. 当熔滴过渡频率相同时,随着熔滴过渡对液态熔池的冲击作用增大,声发射信号特征参数相应增大;当熔滴过渡频率不同时,熔滴过渡频率越大,熔滴体积越小,对液态熔池的冲击作用越小,声发射信号特征参数相应减小.     

Arc behavior in two wire tandem submerged arc welding

The behavior of leading and trailing arc root dimensions and arc interaction in the two-wire tandem submerged arc welding process was studied using real-time recorded current and voltage waveforms, and CCD arc images for a wide range of experimental conditions. Physical and regression equations were developed to predict the arc interaction and dimensions as a function of the welding condition. The influence of the arc interaction on the molten droplet transfer direction was studied. The arc center displacements (arc interaction) under different welding conditions were fairly well predicted by the corresponding physical models. The arc root dimensions were unsymmetrical and increased with an increase in the welding current and voltage while the same decreased with the increase in the arc center displacements. This variation was reasonably envisaged by the developed regression models. The detached molten electrode droplet followed the arc axis at the time of detachment and deposited into the weld pool.     

超声振动对CMT电弧增材制造铝合金组织与性能的影响

为减少电弧增材制造铝合金中的气孔及粗大晶粒,采用超声振动辅助CMT电弧增材制造的方法堆焊4043铝合金薄壁件,研究了超声振幅对沉积态材料微观组织及力学性能的影响。研究发现,熔池内部枝晶在超声振动的作用下发生破碎,使得熔池内部液态金属形核率增大,细化晶粒,粗大柱状晶粒也在熔池振动搅拌下转变为细小等轴晶粒。与未使用超声振动辅助的试样相比,平均晶粒尺寸减少了22.5%。同时超声振动引起的空化及声流效应使得试样中气孔尺寸以及数量减小。但随着超声振幅的增加,熔池内部的能量逐渐加大,热输入的增加也使得晶粒发生粗化现象。过大的超声能量破坏了焊缝的结构完整性,导致焊缝内部出现孔洞。施加超声振动试样的抗拉强度较未施加时上升了8.2%~16.3%,且随着超声振幅的增大,抗拉强度及断后伸长率的各向异性逐渐减小。     

铝合金爬坡TIG焊熔池失稳状态的视觉检测

对焊接过程中的熔池状态进行视觉检测是实现焊缝质量在线监测的重要手段. 针对中厚板铝合金爬坡钨极氦弧焊过程易出现的熔池失稳和成形缺陷问题,提出了一种基于熔池图像特征的钨极惰性气体保护焊(TIG)焊接状态监测方法. 基于构建的被动视觉传感系统,实现强弧光干扰条件下清晰熔池图像的获取. 提出了一种基于Otsu’s阈值分割和视觉显著性特征(VSF)的氦弧焊熔池图像处理算法,用于提取熔池图像的形态特征,并分析了所提取视觉特征与铝合金爬坡TIG焊过程稳定性的关系. 最后建立了支持向量机(SVM)模型实现熔池稳定性状态的在线识别. 结果表明,相对于熔池轮廓几何特征,熔池尾端熔融金属的形态特征能够更有效地反映出铝合金爬坡TIG焊过程中出现的熔池不稳定状态. 所建立的焊接状态分类模型在单一特征输入条件下,最高准确率达到95.94%. 所提出的实时检测方法为大型铝合金构件TIG焊缝成形缺陷的在线智能诊断与工艺优化提供了基础.     

4043铝合金冷金属过渡薄壁构件电弧快速成形

为研究4043铝合金在冷金属过渡下的电弧快速成形，搭建了电弧快速成形系统，获得了4043铝合金薄壁电弧快速成形构件. 结果表明，通过控制起弧和收弧的电流百分比，可以控制电弧成形的能量分布，解决了薄壁构件成形时起弧的驼峰和收弧的塌陷问题. 总结了4043铝合金冷金属过渡电弧快速成形中焊接速度与送丝速度对成形效果的影响. 最后根据合适的工艺参数，对成形良好的构件的微观组织进行了观察和力学性能进行了测试分析. 得出了通过调节参数和优化路径，可以较好的控制单道薄壁成形样件的尺寸精度，获得优异成形试样的结论.