光束摆动对T2紫铜激光搭接焊缝成形及力学性能的影响

目的 采用激光光束摆动方式改善T2紫铜激光焊接的焊缝质量，提高T2紫铜搭接焊接头的力学性能。方法 对比不同摆动模式下T2紫铜搭接焊接头的焊缝成形，测试圆形摆动模式下摆动频率和摆动幅度对接头横截面形状的影响。采用显微镜观察分析焊缝金相组织，并研究摆动工艺参数对显微硬度、抗剪力的影响规律，最终得到最佳的工艺参数组合。结果 相对于常规激光焊接和横向、无穷摆动模式，圆形摆动模式下T2紫铜焊缝成形最好。圆形摆动模式下，摆动频率从100 Hz增大到600 Hz时，熔深相应减小，熔宽变化不大;摆动幅度从0 mm增大到2 mm时，熔深相应减小，熔宽增大。接头断裂形式一般为焊缝边缘断裂，且接头光束摆动重熔区域等轴晶有所增加。当摆动频率由100 Hz增大到500 Hz时，结合面熔宽变化不大，显微硬度相应增大，接头得到强化，抗剪力由2.07 kN增大至2.32 kN;当摆动幅度从0 mm增大到1.2 mm时，显微硬度有所降低，结合面熔宽由0.332 mm增大到1.347 mm，抗剪力随之由1.35 kN增大至2.36 kN。结论 圆形光束摆动模式下，当A=1 mm，f≥300 Hz或f=300 Hz，1 mm≤A≤1.5 mm时，能明显改善T2紫铜表面焊缝质量;激光光束的摆动有利于增大结合面熔宽，从而提高T2紫铜搭接焊接头的力学性能。     

基于回归方法和神经网络的电弧增材制造单道成形形貌预测

目的 针对电弧增材制造技术实际应用中工艺参数选取困难和成形结果难预测的问题,确定高效、准确的电弧增材制造单道成形形貌预测的数学方法,以快速、方便地选取丝材电弧增材制造工艺参数并指导成形质量控制。方法 在单道单层丝材电弧增材制造实验的基础上,采用多种回归方法和神经网络方法分别建立焊接电流、电压和焊枪移动速度等多个工艺参数与增材层宽度、增材层高度及熔池深度等成形形貌参数之间的数学关系模型。结果 电弧增材制造单道成形形貌与焊接电流、电压和焊枪移动速度显著相关,且各参数间存在非线性交互作用;采用多元线性回归法可较准确地预测单道增材层宽度,但对于增材层高度和熔深的预测效果较差;神经网络可良好地处理各工艺参数间复杂的非线性关系,其对增材层宽度、增材层高度和熔深的预测平均误差率分别为4.17%、6.60%和7.01%,显著优于多元线性回归法。结论 采用神经网络法可以准确预测电弧增材制造单道成形的形貌参数,进而指导增材制造工艺参数的选取和成形质量的控制。     

镁合金摆动多道增材层成形特征参数与尺寸控制规律研究

针对AZ31B镁合金多道增材成形中尺寸精确控制的问题，定义了表面平整度、波峰平均高度差和波峰平均高度来表征摆动钨极氩弧多道增材层的成形特征，采用响应曲面法建立了摆动参数与多道增材层成形特征参数之间的回归模型，分析了摆动参数对成形特征参数的影响规律，并对通过模型优化得到的摆动参数进行了实际验证。建模与实验结果发现：表面平整度在摆动参数交互作用的影响下呈现先增大后减小的变化趋势；当偏移量大于11 mm时，摆动幅度小于3 mm、停留时间小于0.3 s和行进速度大于30 cm/min都能使波峰平均高度差趋于最小；波峰平均高度受停留时间和偏移量的影响最显著。回归模型优化获得的最佳摆动参数为：摆动幅度2.56 mm、摆动频率2.5 Hz、停留时间0.3 s、行进速度30 cm/min和偏移量11.46 mm。采用该参数获得的多道增材层各成形特征参数分别为：表面平整度0.98,波峰平均高度差为0.03 mm仅占波峰平均高度的1.07%,波峰平均高度为(2.80±0.02) mm与目标值间的误差仅为0.71%,多道增材层的成形得到优化。     

活性剂对CO_2气体保护焊焊缝成形及飞溅的影响

使用自制的活性焊丝,研究了活性剂对CO2气体保护焊焊缝成形及飞溅的影响。结果表明,使用活性剂可以使焊接飞溅率大大降低,焊缝熔深增加,熔宽增大,焊缝表面成形光滑。认为CO2气体保护焊飞溅降低的原因,是因为活性剂的加入在降低了混合气体的有效电离电压的同时显著增加了CO2电弧的导电能力,使电弧能量密度增加,从而使中等电流下的熔滴过渡方式由大颗粒过渡转变成细颗粒过渡。     

电流模式和焊接方向对316L不锈钢增材制造成形的影响研究

目的 研究电流模式和焊接方向对316L不锈钢增材制造成形、内部微观组织和硬度的影响。方法 保持其他焊接工艺参数不变，采用Pulse、SpeedPulse、SpeedPulseXT这3种电流模式及同向和往复2种焊接方向进行单道多层堆积，采用光学显微镜观察增材制造件的微观组织并用洛氏硬度计测量其硬度值。结果 采用不同电流模式和不同焊接方向会影响增材制造件的冷却速率和凝固方式，进而影响增材制造件的表面成形和力学性能。同方向焊接时，随着电流模式的改变，焊接热输入增大，液态金属的流动性和铺展行为逐渐增强，增材制造件的高度尺寸减小，宽度尺寸增大，熔合线处δ铁素体受冷却速率的影响由块状变为蠕虫状，Pulse模式存在元素偏析;往复方向焊接时，外形尺寸没有明显的变化，熔合线处δ铁素体以胞状和蠕虫状为主。硬度测试结果表明，SpeedPulse模式硬度变化最小，SpeedPulseXT模式次之，Pulse模式硬度变化最大。结论 采用MIG焊进行316L不锈钢增材制造时，不同电流模式会对增材件的成形、内部金相组织和硬度产生影响。采用同方向焊接比往复方向焊接对增材件形貌的影响更大。     

5556铝合金CMT增材单道成形质量及尺寸预测模型研究

目的 研究不同参数下5556铝合金CMT增材单道成形质量及尺寸预测模型。方法 利用游标卡尺和钢直尺，对增材试样截面的余高、熔宽、成形高度及成形宽度进行测量，并且使用SPSS、Excel及Origin等软件进行尺寸预测模型的建立及验证。结果 对于单层单道增材试样，随着焊接电流从60 A增至140 A，其余高、熔宽均整体呈上升趋势，并且余高的增长速度远小于熔宽的增长速度;随着焊接速度从300 mm/min增至1 100 mm/min，其熔宽、余高均呈下降趋势，但当焊接速度超过700 mm/min时，熔宽的变化较小;随着气体流量从10 L/min增至25 L/min，余高的变化幅度较小，但熔宽的变化幅度较大。对于多层单道增材试样，随着焊接速度从400 mm/min变为800 mm/min，其成形高度和宽度均变小;随着焊接电流从90 A变为130 A以及层间停留时间从1 min变为5 min，其成形高度和宽度均变大。通过多层单道增材实验和尺寸预测模型可知，焊接电流与增材试样的宽度呈正相关，焊接速度与增材试样的高度和宽度皆呈负相关。结论 单层单道增材试样的熔宽主要受焊接电流的影响，而余高主要受焊接速度的影响。在焊接电流为100 A、焊接速度为500 mm/min、气体流量为22.5 L/min条件下，单层单道增材试样的成形质量最优。对比相同工艺参数下多层单道增材试样与尺寸预测模型的成形宽度和成形高度可知，二者误差皆在10%以内。     

奥氏体不锈钢A-TIG焊工艺研究

目的研究焊接参数对焊缝成形和接头宏观组织的影响。方法改变焊接电流、焊接速度、焊接电压以及活性剂中的一个参数,固定其他3个参数不变,对奥氏体不锈钢进行焊接,分析其接头宏观形貌、组织和力学性能。结果随着电流、电压的增加,焊接接头的熔深和熔宽都在增加,随着焊接速度的增加,焊接接头的熔深和熔宽都在降低,在相同参数下,将不同活性剂下的A-TIG焊接头的熔深和熔宽进行比较,发现涂敷C4活性剂接头熔深最大达到4.29mm,而常规TIG焊接头熔深为1.38mm,涂敷C4活性剂的接头熔深为TIG焊的3.11倍,且熔宽也有所减小。结论 C4活性剂A-TIG最佳工艺参数为:I=175 A,U=14 V,v=80 mm/min,此时能将6 mm板材焊透,成形良好,在此工艺下焊缝等轴晶范围最大,焊缝组织最为细小。相比于TIG焊,涂敷C4活性剂接头强度系数提升4.1%。     

基于逆向成形的电弧增材制造表面质量评价

目的 建立一种基于逆向成形的电弧增材制造表面质量评价方法，研究工艺参数对电弧增材表面质量的影响。方法 依据最小误差原则选用合适的函数建立理想模型，逆向成形各电弧增材试样并得到提取模型，比较提取模型与理想模型的差异，定量描述电弧增材试样表面的成形质量，分析电弧增材试样中缺陷出现的原因，评估各工艺参数对电弧增材试样表面质量的影响。结果 随着工艺参数的改变，电弧增材试样的宽度减小，高度增加，试样的标准偏差值在1.95~2.15之间，均平方根值在2.4~2.9之间。工艺参数经优化后，试样的标准偏差值和均方根值分别减小到1.738和1.878。结论 送丝速度和成形速度的匹配程度对电弧增材表面质量有较大影响，实际成形中出现的非理想情况在此方法的计算结果中均可得到反映，与实际成形情况较吻合。     

基于 CMT 电弧增材的焊缝成形尺寸规律研究

目的研究焊接参数对焊缝成形尺寸的影响规律。方法基于冷金属过渡技术,采用正交试验方法得到在不同参数组合下焊缝熔宽、余高和第2层增高,通过多元线性回归拟合,建立了焊缝熔宽、余高和第2层增高与焊接参数之间的回归模型。结果影响焊缝熔宽和余高的主要焊接参数是焊接速度,影响焊缝第2层增高的主要焊接参数是送丝速度,而层间温度的变化对熔宽会有显著影响,但是对余高和第2层增高的影响不大,而且焊缝第2层的增高与余高在数值上存在较大的差异,对比预测值和试验值验证了回归模型的准确性。结论通过改变焊接速度可以引起熔宽和余高的显著变化,层间温度对余高和第2层增高不会造成很大影响。     

大面积薄壁结构激光选区熔化成形工艺研究

激光选区熔化成形技术是以原型制造技术为基本原理发展起来的一种先进的激光增材制造技术。该文以大面积薄壁结构特点构件增材制造为例,对相同参数下不同厚度基板成形工艺进行差异性研究,分析影响成形质量的相关因素,为提高SLM增材制造高温合金金属零件成形精度提供依据。     

Optimization of Plasma Arc Welding Parameters by Using the Taguchi Method with the Grey Relational Analysis

The optimal parameters process of plasma arc welding (PAW) by the Taguchi method with Grey relational analysis is studied. The Grey relational grade is used to find optimal PAW parameters with multiple response performance characteristics. The welding parameters (welding current, welding speed, plasma gas flow rate, and torch stand-off) are optimized with consideration of the multiple response performance characteristics (the penetration of root, the weld groove width, and the weld pool undercut). As a result, the improvement percentage of the Grey relational grade with the multiple performance characteristics is 31.8%. It is shown that the multiple response performance characteristics are greatly improved through this study.     

Investigating effects of resistance wire heating on AISI 1023 weldment characteristics during ASAW

In this article, effects of advanced submerged arc welding process parameters on weld bead geometry have been investigated. A novel water-cooled torch has been developed which allow a use of higher preheat current values for a continuous advanced submerged arc welding (ASAW) operation. Weld beads have been deposited on AISI 1023 steel plates by varying open circuit voltage, wire feed rate, welding speed, nozzle to plate distance, and preheat current as per central composite design. The relationships between welding parameters and weldment characteristics namely bead width, penetration, reinforcement, and dilution have been developed using multiple linear regression. The effects of individual process parameters and their interactions on response parameters were examined. Finally, single and multiobjective optimization of process parameters were performed using desirability approach and Jaya algorithm. The results reveal that a smaller bead width and lower dilution can be achieved with the developed torch by allowing the use of higher preheat current values.     

Marangoni convection and weld shape variations in He–CO<Subscript>2</Subscript> shielded gas tungsten arc welding on SUS304 stainless steel

Bead-on-plate GTA welding (gas tungsten arc welding) on a SUS304 substrate is carried out to investigate the effect of carbon dioxide gas in the helium base shielding on the oxygen content in the weld pool and the weld shape variations. Experimental results show that small addition of carbon dioxide to the shielding gas can precisely adjust the weld metal oxygen content and change the weld shape from wide shallow type to narrow deep one when the weld pool oxygen content is over the critical value, which is from 68 to 82 ppm, due to the Marangoni convection reversal from the outward to inward mode on the pool surface. The weld depth/width ratio increases two times suddenly when the carbon dioxide content in the torch gas is over 0.4 or 0.2% for 1 mm or 3 mm arc length, respectively. The GTA weld shape depends to a large extent on the pattern and magnitude of the Marangoni convection on the pool surface, which is influenced by the active element oxygen content in the SUS304 pool, temperature coefficient of the surface tension (dσ/dT), and the temperature gradient on the pool surface (dT/dr, r is the radius of the weld pool surface). Changing the welding parameters will alter the temperature distribution and gradient on the pool surface, and thus, affect the magnitude of the Marangoni convection and the final weld shape.     

基于BAS算法优化的电弧增材制造焊道尺寸预测

目的 为提高实际应用中电弧增材制造对工艺参数的选取效率及成形形貌的控制效果,建立高效且精准的成形尺寸预测模型,实现对焊道尺寸的合理预测。方法 在单层单道CMT电弧增材制造实验的基础上,建立基于天牛须搜索算法(Beetle Antennae Search,BAS)优化BP神经网络的焊道尺寸预测模型,利用BAS算法实现对BP神经网络初始权值和阈值的优化,可以实现预测不同工艺参数(焊接速度、送丝速度、干伸长)下焊道的成形尺寸(熔宽、余高)。利用试验验证BAS-BP预测模型的性能,与现有模型进行对比,结果 结果表明该模型具有较高精度的预测效果,能够有效映射工艺参数与焊道尺寸之间的非线性关系,印证了该模型具有良好的拟合和泛化能力,同时其对焊道熔宽和余高的预测误差分别不超过0.2、0.12 mm,预测平均误差率均不超过6%,相对于其他预测模型表现出较好的准确性和稳定性。结论 BAS-BP神经网络预测模型的输出误差较小,网络训练收敛速度加快,避免了过拟合及欠拟合的风险,有效提高了预测模型的泛化能力和预测精度,可以实现一定工艺参数范围内的焊道尺寸预测,为后续电弧增材的实时预测及控制参数应用提供了技术支持。     

核用小直径传热管自动化衬管焊接系统的研制

目的 针对核用小直径传热管长期服役于高温高压环境时易产生表面腐蚀缺陷等问题,研制一套自动化衬管焊接系统,以高效修复腐蚀传热管,并验证该焊接系统的可行性。方法 采用以STM32F405RGT6微处理器为控制核心、植入FreeRTOS实时操作系统的方式设计了一款焊接控制系统;以微型TIG焊枪为执行机构、数字化焊接电源为功率输出设备,研制了一套自动化衬管焊接系统;最后以304不锈钢管为试样进行了衬管脉冲焊接试验。结果 焊接试验过程稳定,无断弧现象,得到的焊缝衬管完全焊透,基管适度熔透,焊缝成形良好。可通过调整基值电流、峰值电流、脉冲频率和占空比等参数调控焊接热输入,获得优质的焊缝。结论 研制的微型焊枪可适应传热管内部的狭小焊接工况;焊接电源能够满足焊接过程中的能量需求,提高了焊接过程的动态响应能力;焊接控制系统在硬件和软件层面上实现了焊枪和焊接电源的宏观调度,能够对焊接波形进行精细化调控。所研制的衬管焊接系统各项性能优秀,满足压水堆核用蒸汽发生器水箱内不锈钢传热管内衬管焊接高质量修复的需求。     

316L不锈钢电弧增材制造工艺研究

目的 研究电弧增材制造过程中焊接速度和层间冷却时间对成形件精度和力学性能的影响。方法 使用316L不锈钢焊丝在钢板上进行20层往复式堆积试验,设置了不同的焊枪运行速度和层间冷却时间,完成了4个金属薄壁墙体的制备,对沉积样品的形貌外观、显微组织、硬度和拉伸性能进行了研究。结果 4组试样的制备过程都比较稳定,表面成形良好,层与层结合较为平滑,层间分明,无裂纹、塌陷等缺陷出现。当层间冷却时间达到一定值时,熔池凝固,样品的成形精度和高度较为稳定。单位时间内加入熔池的金属质量和热输入均随着焊接速度的增大而减小,不同焊接速度下沉积样品的层高和层宽不同。由于焊接速度增大、热输入减小,试样的硬度略微增大,拉伸性能增强。沿薄壁件的构建方向,4组试样的维氏硬度曲线呈波浪形,从每个熔合层的底部到顶部逐渐降低。结论 增材制造工艺参数对产品的成形质量、显微组织和力学性能都有影响,在保证成形过程稳定的前提下,提高焊枪堆积速度能提高产品的力学性能。     

FEM prediction of welding residual stresses in a SUS304 girth-welded pipe with emphasis on stress distribution near weld start/end location

A finite element approach based on Quick Welder software is developed to simulate welding temperature field and welding residual stress distribution in a 3D multi-pass girth-welded pipe model. The characteristics of welding residual stress distributions in a SUS304 stainless steel pipe induced by heating with a tungsten inert gas arc welding torch are investigated numerically. Meanwhile, an emphasis is focused on examining the welding residual stress distributions in and near the weld start/end location. Moreover, the residual stresses predicted by the present computational approach are compared with the measured data; and the comparison suggests that the numerical simulation method has basically captured the feature of welding residual stress distribution near the weld start/end region. The numerical simulation results show that both the hoop and the axial residual stresses near the weld start/end region have sharp gradients and are significantly different from those in the steady range.     

预变形对304L焊接组织的影响

基于某汽车公司提出的曲面焊接设计需求,研究了变形对焊接组织的影响。选用熔化极气体保护焊在奥氏体不锈钢304L的T型接头和变形钢板上焊接,寻求合理的变形后焊接参数并观察变形对焊接组织的影响。得到合理焊接参数为焊枪速率4mm/s,送丝速率2.5m/min,电压1 7V。在T型和变形后焊接中,焊趾分别处于应变为0%,30%的区域,观察到变形后焊接件中熔化区和部分熔化区范围减小,焊接接头碳化物沉积和晶间铁素体数量减小。304L变形后焊接获得了更为均匀的接头组织。