中厚板对接MAG-TIG双电弧打底焊研究

研究了MAG-TIG双电弧复合热源中厚钢板自由成形打底焊接工艺,采用高速摄像机采集焊接过程中的电弧形态和熔池流动行为,焊后采用光学显微镜、万能力学性能测试仪等设备对接头进行测试分析。结果表明:与单独脉冲MAG焊相比,MAG-TIG双电弧复合热源打底焊接工艺熔透均匀,且正、反面自由成形连续、稳定;TIG电弧的存在对MAG电弧产生电磁排斥力,使MAG电弧稳定作用于熔池前端;拉伸测试获得的平均拉伸强度为466 MPa,断裂均发生在远离焊缝和热影响区的母材;通过调整TIG电弧的作用位置和电流大小,可以控制MAG电弧加热位置,以及焊接熔池上方热输入的分配,实现了MAG-TIG复合焊接熔池流动行为的调控。     

小功率脉冲激光-TIG电弧复合焊的电弧及熔池行为研究

利用小功率脉冲激光-TIG电弧复合焊在2mm厚度的不锈钢上进行堆焊,研究脉冲激光束(持续时间4 ms、峰值300 W、频率15 Hz)对电弧形态、熔池行为和焊缝成形的影响。结果表明,脉冲激光加入后,电弧中心高温区发生膨胀,并将电弧阳极斑点稳定在激光斑点处,TIG电压发生升高。当脉冲激光作用到熔池上时,熔池液态金属迅速向后方流动,熔池长度迅速增大;激光脉冲消失1ms后,熔池长度才开始逐渐减小,2 ms后液态金属向前回流,致使焊缝表面形成了鱼鳞纹,改善了焊缝表面成形。激光-TIG电弧复合焊的熔深是TIG焊的1.77倍,是激光焊熔深的2.6倍。而在相同熔深下,复合焊接速度比TIG焊提高了50%。     

大厚板双面双TIG电弧打底焊熔池成形特性

采用视觉图像监测法对新开发的双面双TIG电弧错位同步打底焊熔池成形特性进行了研究.结果表明,根部预留间隙是保证打底焊根部熔合的有效措施,可以实现大厚板不清根焊接.脉冲TIG焊是大厚板打底焊的优选方法,峰值期间电弧熔化能力强,坡口根部两侧边缘熔化良好.基值期间熔池迅速凝固,防止了下淌.双TIG电弧错位同步打底焊时,后电弧的加入导致两弧之间工件高温区增加,前电弧熔池拉长.焊缝宏观金相显示母材充分熔化,没有侧壁未熔合,焊缝正表面成形圆滑过渡,没有气孔、裂纹、夹渣、咬边等成形缺陷.     

管线钢中厚板激光诱导电弧全位置焊接工艺与性能

采用低功率脉冲激光诱导MAG电弧复合热源新工艺,对板厚为16 mm的X65管线钢进行了全位置单面焊双面自由成形及受力分析研究。试验结果表明:热输入是影响全位置打底焊内凹缺陷产生的主要原因,热输入的增大使得熔池体积增大,熔池所受重力增大,流动趋势增强,导致打底焊焊缝内凹缺陷变大;通过调控焊接电流、焊接速度以及焊枪倾角匹配,可促进熔池受力平衡并减弱熔池流动,激光对于电弧的诱导作用使得单道熔深达到6 mm的同时获得良好背面成形;不同位置焊接接头拉伸试验均断裂在母材,抗拉强度与母材的相当;焊缝区冲击吸收功为母材的82%,热影响区冲击吸收功却高于母材的。     

其它焊接方法

高压钨极氩弧自动焊接，超薄板的MIG／MAG焊——CMT冷金属过渡技术,Nd：YAG激光＋脉冲MAG电弧复合热源焊接工艺参数对焊缝表面成形的影响,CO2激光-TIG复合热源脉冲协调焊接特性[英],[编者按]     

重力对全位置TIG焊熔池温度场与流场影响的有限元分析

建立了全位置TIG焊接中平焊、45°下向焊、立焊下向焊的熔池温度场、流场数值计算模型,计算了不同焊接位置以及不同重力加速度值情况下熔池的温度场和流场,分析了重力方向和大小对熔池内流场和温度场的影响规律;发现重力方向对熔池内液态金属的流场、温度场影响明显,液态金属的流动影响温度场分布明显,重力大小对熔池流场的分布形态没有影响,但是对流动速度影响明显. 得到的结论对于研究熔池失稳判定依据、指导设计全位置TIG焊乃至MAG焊工艺具有一定的参考价值.     

磁控TIG高速焊焊缝成形机理

对磁控TIG焊焊缝成形机理进行了理论分析,外加磁场可以改变液态金属表面张力的差值,进而改变熔池的流动方向.当(δ)σ/(δ)T＞0时,焊缝边缘点附近的液态金属向熔池内部流动,焊缝凝固时容易产生咬边;(δ)σ/(δ)T＜0时,液态金属由熔池中心向边缘流动,咬边倾向性很小.分别比较了外加横向直流磁场、横向交流磁场以及纵向交流磁场时的焊接电弧通过焊缝截面的时间.结果表明,外加磁场时TIG焊电弧阳极斑点的有效直径大于无磁场时的电弧阳极斑点有效直径,这将有助于减小表面张力温度系数,从而有助于解决高速焊接时出现的咬边与驼峰等问题.     

Q345E钢薄板小变形焊接工艺

分别采用高频脉冲MAG焊的打底焊模式与电弧冷焊模式对板厚3 mm的Q345E薄板进行了3种工况的对接焊工艺试验,研究了薄板打底焊与电弧冷焊的小变形对接焊工艺与焊接接头的力学性能,进行了拉伸、弯曲、金相试验并分析了焊接缺陷的形成原因,总结了焊接残余应力及焊接变形的规律.结果表明,高频脉冲MAG焊适用于Q345E钢3 mm的薄板小变形对接焊,组对"0"间隙时,选用打底焊模式的工艺包;组对1 mm间隙时,选用电弧冷焊模式的工艺包.     

激光+GMAW复合热源焊熔池流体流动的数值分析

考虑熔滴和小孔对熔池的影响,建立了基于FLUENT软件的激光+熔化极电弧(GMAW)复合热源焊三维瞬态熔池流体流动数值分析模型.利用双椭球体热源描述电弧热输入,将激光热输入视为热流峰值可调节的双曲线旋转体热源,其热源分布参数通过简化的小孔形状尺寸模型确定;将熔滴过渡过程视为从熔池上部特定区域流入熔池高温液态金属的过程,并通过建立液态金属流速对时间的周期函数表征熔滴过渡频率;将小孔视为由激光致蒸汽反作用力引起的熔池表面变形,以简化计算过程,重点考虑小孔的存在对熔池流体流态的主要影响.利用所建模型对不同焊接条件下的激光+GMAW复合热源焊小孔形态、熔池流体流动和温度场进行模拟计算,分析了激光+GMAW复合热源焊流场特征,探讨了激光功率对复合焊熔池动态行为的影响规律.结果表明,在1 m/min焊速条件下,GMAW焊(激光功率为0 W)出现驼峰缺陷;当激光功率为500 W时,驼峰缺陷消失,但熔池中无小孔产生,且流体流动模式与GMAW焊相近;而当激光功率增至2000 W,熔池中出现小孔,使得流体流动模式更为复杂.将焊缝横断面形状尺寸的计算结果与实验结果进行比较,2者吻合较好,从而证明了模型的准确性和适用性.     

低功率YAG激光-MAG电弧复合焊接不锈钢

以0Cr18Ni9Ti不锈钢钢板为试验材料,研究了低功率脉冲YAG激光-脉冲MAG电弧复合热源和单脉冲MAG焊接不锈钢.结果表明,低功率脉冲YAG激光-脉冲MAG电弧复合热源同样具有大功率激光-电弧复合焊接才有的增加熔深、提高焊接速度、稳定焊接过程等优点;低功率脉冲YAG激光的加入改变了电弧形态,电弧根部被吸引和压缩现象显著,提高了能量利用率;与单脉冲MAG堆焊相比,在相同焊接速度下复合焊最大能增加熔深1.3倍,在相同熔深下复合焊的焊接速度可以提高50%;复合焊焊缝的晶粒较单MAG焊缝中的晶粒细小,其焊缝抗拉强度比单MAG的好,断裂属于延性断裂.     

电弧力对TIG焊接熔池液面形态影响的数值模拟

在建立TIG焊接熔池液面三维形状模型基础上,对电弧力作用于熔池液面进行了表征,采用Surface Evolver有限元分析软件进行数值模拟,研究了电弧力对TIG焊接熔池液面三维形态的影响.得到了有电弧作用时,熔池的三维形态和熔池各液面参数随电弧力大小变化的规律.结果表明,在熔池形状一定时(正面、背面熔化区域半径和板厚一定),电弧力的作用深度增加会引起熔池上、下液面和固液面的表面积均增加,其中电弧力的大小对TIG焊接熔池的上液面影响程度大于下液面.这些分析结果为探讨TIG焊接熔池的各类问题提供了基础.     

不锈钢高频复合双钨极氩弧焊接工艺方法

针对双钨极TIG焊存在的电弧压力小、焊缝熔深浅等问题,提出了一种新型焊接工艺方法——高频复合双钨极TIG焊(high frequency hybrid twin-electrode TIG welding, HFHT-TIG焊),在双钨极氩弧焊的一个钨极上通以高频脉冲电流,达到提高电弧压力和挺度、搅拌熔池、细化晶粒、改善接头组织和力学性能的目的. 采用HFHT-TIG焊进行了6 mm厚奥氏体不锈钢焊接工艺试验,并与双钨极TIG焊接头进行对比. 结果表明,HFHT-TIG焊能够显著提高电弧挺度和电弧压力,焊缝表面成形更佳,横截面对称性更好,焊缝区的树枝晶组织更加细小,断口韧窝更加均匀和细密,接头的抗拉强度和断后伸长率分别提高了12.1%和30.2%.     

铝合金TIG焊接熔池状态多传感器数据协同感知算法

针对铝合金钨极惰性气体保护电弧焊(tungsten inert gas arc welding,TIG焊)过程中,焊接工艺参数的实时状态与焊缝熔池三维尺寸间的非线性对应关系,研究建立一种基于信息物理融合的多传感器TIG焊过程熔池状态协同感知计算方法. 首先,构建由红外温度传感器、电弧形态传感器、电弧能量传感器和焊接位置传感器组成的TIG焊过程熔池状态信息物理融合系统架构. 其次,考虑焊接过程中焊枪电弧的运动特性和测量噪声影响,设计基于温度、位置、能量传感器信息交互的熔池长宽深三维参数状态感知策略,并基于多传感器数据的异步和异构特性,提出了基于无迹卡尔曼滤波的焊接过程中熔池状态的多传感器数据协同感知算法. 针对7075超硬铝合金TIG焊过程进行熔池参数在线测量与辨识试验,结果表明,所提算法能够根据TIG焊过程多传感器数据实时计算熔池参数结果,焊缝宽度和焊缝高度计算结果误差基本上控制在10%以内,该算法响应时间基本控制在0.3 s内,能够较为准确地评估焊接过程中熔池的实时状态.     

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.     

TIG焊接过程计算机模拟的现状及发展

焊接电弧和熔池是焊接过程中的两大组成部分，笔者以TIG焊接过程为对象，讨论了TIG焊接电弧和熔池计算机模拟的现状，分析了模拟过程中存在的问题，并指出将焊接电弧和熔池动态结合起来进行分析和研究是未来焊接过程模拟的发展方向。     

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.     

电弧作用下熔透型TIG熔池液面行为的数值模拟

在正面熔化半径RZ和板厚h一定的条件下,基于对有电弧作用的熔透型TIG焊接熔池三维液面行为的分析,获得了不同背面熔化半径RB的熔池三维形状模型,利用有限元分析软件surface evolver进行数值模拟,研究了电弧对熔透型TIG焊接熔池液面的影响.结果表明,电弧的作用与否对熔池下液面的大小和形状无显著的影响;在背面熔化尺寸较小时(RB≤2.5 mm附近),电弧对上液面特征量有较大作用;电弧的作用从整体上是使熔池上液面压低.在从脉冲基值过渡到脉冲峰值期间,电弧电压(或弧光光强)增加的部分是由电流增加和熔池上液面被压低两部分引起的.     

焊丝熔化方式对激光焊接过程的影响

研究了两种焊丝熔化方法(电弧预熔丝激光焊、激光填丝焊)激光焊接过程对匙孔稳定性以及焊缝成形的影响，进一步研究了焊丝熔化方法对焊接接头质量的影响，并对比分析了两种焊丝熔化方式对焊接速度的适应性. 结果表明，电弧预熔丝激光焊过程中，熔池表面匙孔开口尺寸变化不大，匙孔较为稳定；激光填丝焊方法由于熔化的液态金属距离匙孔边缘很近，焊接过程中熔池表面匙孔开口尺寸变化较大,而且容易出现熔池表面匙孔的闭合. 与激光填丝焊相比，电弧预熔丝激光焊熔化的焊丝端部可以沿熔池边缘流入，与匙孔边缘的距离较远，匙孔稳定性较好，焊缝气孔数量较少. 当焊接速度为8 m/min时，电弧预熔丝激光焊的焊缝成形良好；而激光填丝焊焊缝背面成形不连续，并且出现了未焊透的缺陷.     

铝合金TIG电弧横焊接头缺陷及控制

重型运载火箭燃料贮箱要求对铝合金进行立式装配焊接,TIG电弧横焊是能够较好满足制造要求的方法之一.对铝合金TIG电弧横焊接头的成形特点和焊接缺陷进行分析,利用平板堆焊试验研究焊接电流、焊接速度和焊枪角度对焊缝正面偏移量的影响,最后研究焊接电流频率对气孔缺陷的影响规律.结果表明,采用较小的焊接电流、较快的焊接速度有助于降低焊缝正面的不对称性,利用电弧分力可以抑制熔池下淌,焊接频率为100 Hz时气孔缺陷最少.结合上述试验结果提出了铝合金横焊缺陷的控制措施并进行了试验验证.     

连续行走脉冲TIG焊熔池谐振法熔透控制

熔池振荡频率与熔池尺寸之间的良好对应关系,可以用于进行熔池尺寸检测及熔透控制,但在快速行走焊接时难度很大。本文在恒定直流之上叠加定频率正弦波电流做为脉冲焊接电流激振熔池,在连续行走焊接时,通过电弧电压检测熔池振荡即熔池尺寸。在脉冲电流作用期间,随着熔池尺寸的增长,当熔池自身固有振荡频率与焊接电流正弦波频率一致时,熔池产生谐振,从电弧电压中检测到谐振特征变化信号,该信号的强度,稳定性,重复性及与熔池