铝合金T型接头激光+GMAW复合焊残余应力数值分析

目的 研究激光+GMAW复合焊中不同激光功率参数对铝合金T型接头残余应力的影响,从而提高焊接性能。方法 分别考虑了热弹塑性理论、传热学以及T型接头几何特性,建立了铝合金T型接头激光+电弧复合焊残余应力的数值分析模型。采用双椭球体热源模型表征电弧热输入与熔滴晗,采用锥体热源模型对激光深熔焊进行描述。基于所建立的T型接头模型,使用ANSYS有限元软件对12 mm厚铝合金激光+ GMAW焊T型接头残余应力进行模拟计算,并研究其分布特征;使用X射线衍射法对T型接头处的残余应力进行测量从而对所建模型的准确性进行验证。同时,对比了不同激光功率下铝合金T型接头对残余应力的影响规律。结果 当激光功率分别为2、3、4、5 kW时,铝合金T型接头路径L3上的纵向残余应力最大值分别为270、263、258、251 MPa,米塞斯-等效应力最大值分别为265、261、257、250 MPa。结论 后焊的焊缝A对焊缝B有明显的热处理作用,使应力明显降低;在T型接头焊缝及近缝区,横向残余应力和厚度方向残余应力峰值均比纵向残余应力峰值小,且随着激光功率的增大,焊缝及近缝区拉应力峰值不断减小。     

同轴送粉激光熔覆气泡逃逸行为及分布研究

目的 获取Inconel 718合金在同轴送粉激光熔覆过程中,熔池内气泡的动态行为及熔覆层中气孔缺陷的分布规律。方法 建立熔池内部气泡力学模型和方程,考虑气泡浮力、重力、气泡和熔液相对运动产生的黏滞力,以及熔液对流带来的拖曳力等力的综合作用,着重研究浮力、拖曳力对气泡逃逸行为的影响,并计算不同条件下的气泡逃逸时间;搭建“三明治”观测平台,原位观测在熔覆过程中熔池内气泡的动态行为,获取熔池寿命;进行单因素Inconel 718合金同轴送粉激光熔覆实验,探究熔覆层气孔缺陷的分布规律。结果 熔池寿命通常在0.2~0.4 s;熔池内气泡直径临界值约为60 μm,当熔池内气泡直径大于60 μm时更容易通过自身浮力逸出,与单因素实验获得的熔覆层中96.94%的气孔缺陷直径小于60 μm具有较好的一致性;对熔覆层气孔缺陷表征发现,浮力对临界直径以下气泡运动状态的影响一般小于拖曳力。结论 Inconel 718合金在激光熔覆过程中,熔池内气泡大小存在临界值,且主要受浮力向上运动及受拖曳力随熔池对流运动的影响,熔覆层中气孔缺陷倾向于分布在对流路径上。     

氦−氩混合保护气体角接头旋转激光+电弧复合焊电弧特性数值分析

目的 研究激光+电弧复合焊中氦−氩混合保护气体成分对电弧等离子体物理特性的影响,从而改善焊接性能。方法 综合考虑角接头几何特性和氦−氩混合保护气体的物理特性,建立氦−氩混合保护气体角接头旋转激光+电弧复合焊电弧行为的数值分析模型。使用FLUENT软件对不同体积比氦−氩保护气体下电弧等离子体的温度场、流场、压力场和电势场进行模拟计算,对比分析保护气体成分改变对电弧等离子体的影响规律,考虑其对焊接性能的影响,并将计算结果与高速摄影试验进行对比,验证数值分析模型的准确性与合理性。结果 保护气体分别为纯Ar、95%Ar+5%He、90%Ar+10%He时,电弧向激光侧偏移收缩,电弧整体形貌被压缩,位置A纵截面处电弧等离子体的峰值温度分别为25 603、25 080、23 904 K,最大流速分别为336.34、334.34、317.58 m/s,压力最大值分别为899.08、943.40、957.67 Pa,电势梯度分别为11.56、12.17、13.18 V。结论 在氦−氩混合保护气体激光+电弧复合焊中,当保护气体中氦气体积分数增加到5%和10%时,随着氦气所占比例的增大,电弧处于动态变化过程,电弧被压缩,等离子体的峰值温度逐渐降低,最大流速下降,电弧压力和电势梯度增大,有利于焊缝熔深的增大。     

熔池形态对铝-铜激光焊接头组织和性能的影响

对T2紫铜板、2A16铝合金板进行激光熔化焊和熔钎焊试验,分析接头的力学性能,并研究其微观组织及界面形貌,阐述熔池形态对接头组织和性能的影响.结果表明:采用激光熔化焊时得到熔化焊熔池,当焊接线能量Q=1160 J/cm时,其界面层由Al4 Cu9+Al2 Cu化合物和(α-Al)+(θ-Al2 Cu)共晶组织组成,总厚度为60.9μm.采用激光熔钎焊时得到熔钎焊熔池,当Q=1466.67 J/cm时,接头抗拉强度为274.25 MPa,相比熔化焊接头提高了280.9％,其界面层由CuZn5和Al2 Cu化合物组成,总厚度为10.23μm.接头接触界面的互扩散系数(D熔化焊>D熔钎焊)和不同熔池形态下的环形对流共同影响了IMC层厚度,从而决定了接头的性能.     

S355J2W+N钢激光-MAG复合焊与MAG焊对比

利用激光-MAG复合焊和MAG焊进行了厚板S355J2W+N低碳钢的焊接实验,分析了两种焊接方法接头的微观组织和力学性能.结果表明:复合焊和MAG焊焊缝接头均由焊缝区、过热区、重结晶区和不完全重结晶区构成,复合焊接头截面呈“高脚杯”状特点,焊缝填充量和热影响区宽度较MAG焊明显减小.复合焊由于冷却速率快,过热区魏氏组织略有增多,硬度高于MAG焊,抗拉强度和弯曲性能与MAG焊相比,无显著差异,均能够满足生产标准的要求.     

8 mm厚T2紫铜功率调制激光-MIG复合焊

目的研究工艺参数与调制参数之间的相互作用对T2紫铜功率调制光纤激光-MIG复合焊过程热效率和稳定性的影响。方法分别设计并进行了平均功率、送丝速度与调制振幅和调制频率的三元二次回归正交试验。其中采用母材熔化区面积表征焊接过程的热效率,采用焊缝中的气孔数量表征焊接过程的稳定性。结果调制振幅约为平均功率的1/3时,母材熔化区面积最大,焊接过程热效率最高,振幅增大或减小都会使熔化区面积减小。平均功率主要决定了焊接过程的线能量,平均功率增大有助于增大母材熔化区面积。送丝速度的大小不仅影响焊接过程的能量输入,而且对熔池的流动行为影响较大。送丝速度过大易使熔池以及小孔失稳,降低焊接过程稳定性,因此送丝速度不宜过大。本研究条件下,10 m/min的送丝速度较为适宜。结论在优化的工艺参数和调制参数下进行功率调制激光-电弧复合焊,可以使8 mm厚紫铜焊接过程的热效率和稳定性同步提升。     

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 m...     

坡口形式和层间温度对船用5083球扁铝对接焊接头力学性能的影响

采用“V”型坡口、较高的层间温度（工艺1）及“V（腹板）+X（面板）”型坡口、较低的层间温度（工艺2）对船用5083球扁铝进行施焊,研究了其对接焊接头力学性能的影响。试验结果表明,与工艺1相比,工艺2获得的焊接接头内部质量较好,力学性能优异。工艺1因坡口尺寸较大,焊丝填充量较大,焊接道次较多,加之连续施焊,导致层间温度较高,积累的热量过大,引起焊接试板过热,致使焊接熔池的体积变大,熔池内的铝液在凝固时未能发生顺序凝固,从而形成疏松组织;工艺2可抑制焊缝部位疏松缺陷的形成,进而提高接头的力学性能。     

热等静压工艺对铝合金激光焊接T型接头组织及缺陷的影响

以3.3mm厚6A02铝合金板材为试验材料,对热等静压处理前后铝合金激光焊接T型接头的组织及气孔缺陷进行了分析。结果表明:热等静压前6A02铝合金板母材显微组织为Mg2Si等强化相固溶于α(Al)基体中,焊缝显微组织为树枝晶,存在明显的气孔缺陷;合理地选择热等静压工艺,可有效消除接头的焊后气孔缺陷,并提高母材的显微硬度,降低焊缝中心的显微硬度;而过高的热等静压压力和温度会使接头出现过烧组织,大幅度降低其显微硬度。     

铝/铜异种材料交变磁场辅助电弧熔钎焊接头组织和性能

添加纵向交变间歇磁场,采用ER5356铝镁焊丝作为填充金属,对T2紫铜板和2A16铝合金板进行熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)对接试验,通过研究不同励磁电流IE和励磁频率f等磁场参数下的接头成形、界面组织结构和接头力学性能,得到接头的最佳工艺范围.结果表明:引入磁场实现了铝铜异种材料MIG熔钎焊接头的有效连接.铜侧钎缝连接界面层由金属间化合物(IMC)层和过渡层组成,其中IMC层为AlCu+Al2Cu化合物,过渡层组织为α-Al+S(Al2CuMg)/Al2Cu相.IMC层与过渡层犬牙交错,起到"机械咬合"的效果,提高接头强度.随着励磁电流的增加,IMC层平均厚度先减小后增大,抗拉强度先增大后减小;随着励磁频率的增加,抗拉强度逐渐减小.最佳工艺范围为:IE=0.5～0.7 A、f=15～25 Hz、IMC层平均厚度d=14.3～15.8μm,此时接头成形表现良好,抗拉强度较高.当IE=0.6 A,f=15 Hz,接头的抗拉强度最高达到135.47 MPa.此时界面层显微硬度为252.8HV,明显高于焊缝和母材,这可能是IMC层处呈脆硬性的AlCu和Al2Cu金属间化合物所致.     

等离子弧焊接熔池和小孔形成过程数值分析

目的 研究等离子弧焊接穿孔过程中熔池内部的金属流动情况和小孔动态变化过程。方法 通过“传热-熔池流动-小孔”之间的相互耦合关系,建立了等离子弧焊接穿孔过程的数值分析模型,通过VOF方法追踪了小孔界面,采用FLOW-3D软件模拟了等离子弧焊接熔池和小孔的形成过程,定量计算了等离子弧焊接温度场、熔池流场及小孔形状;分析了等离子弧焊接熔池和小孔行为;并通过等离子弧焊接实验数据验证了模拟结果。结果 当焊接时间为0~1.0 s时,小孔深度曲线与熔深曲线几乎相同,小孔底部紧贴熔池底部;在2.8 s以后,小孔深度曲线与熔深曲线有一定距离,小孔深度曲线在一定范围内波动,等离子弧焊接电弧挖掘作用到达极限,电弧压力与其他力达到平衡状态。模拟的焊缝熔深为8.04 mm、熔宽为13.20 mm,实验测得的焊缝熔深为8.00 mm、熔宽为13.42 mm。结论 构建的随小孔动态变化的曲面热源模型和电弧压力模型可以描述等离子弧焊接过程中的电弧热-力分布;模拟出了等离子弧焊接熔池和小孔动态演变过程;模拟得到的等离子弧焊接焊缝形貌与实验测得的焊缝形貌基本吻合。     

等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊熔池流体行为研究

目的 研究等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊过程的熔池流体行为.方法 综合考虑传热学以及流体动力学,建立Fluent数值分析模型.使用双椭球–锥体热源模型代表等离子弧焊传热模型,用双椭球热源表征GMAW电弧传热并考虑熔滴传热,同时考虑熔池受到的电磁力、浮力、表面张力、等离子流力等作用力.基于Fluent软件,对复合焊过...     

真空激光焊接技术研究现状与展望

真空环境下激光焊接熔深得到显著提高,焊缝成形及气孔等缺陷得到极大改善,可以获得常规激光焊接方法难以获得的显著效果。近些年,有关真空激光焊接过程机理,低真空甚至局部负压环境激光焊接装置的研究日益完善,真空激光焊接技术在船舶、核电及压力容器等领域大厚板焊接中展现出良好的应用前景。本文首要概述环境压力变化对激光焊缝熔深,焊缝表面成形及气孔等缺陷的影响规律,从焊接过程等离子体羽辉及匙孔、熔池的动态行为特性方面总结国内外学者有关真空激光焊接机理的研究成果,并介绍了真空焊接技术在工业领域的应用情况,最后对目前已报道的研究中存在的问题进行分析并对真空焊接技术的发展前景进行展望。

     

单束与双束串行激光填丝焊特性对比

以铝合金为研究对象,研究了双束串行激光填丝焊不同能量比对焊缝成形及焊缝气孔率的影响,并与单束激光填丝焊工艺进行对比。进一步借助高速摄像机对双束串行激光填丝焊能量比R为20/80以及单束激光填丝焊的熔池、匙孔以及等离子体的变化进行对比分析,获得了双束串行激光填丝焊能量比R为20/80时焊缝气孔率降低的原因。结果表明,对于双束串行激光填丝焊,当能量比R为20/80时焊缝气孔率较低。与单束激光填丝焊相比,双束激光填丝焊能量比R为20/80的焊缝气孔率降低了38%,而且焊接过程中焊丝熔化后沿熔池边缘流入,可大幅降低对匙孔的冲击作用,匙孔始终处于张开状态,焊接过程中等离子体的形态波动相对较小,表明焊接过程的稳定性较好。     

电子束焊接熔池周期性波动的数值模拟

为了更深入地探究电子束焊接过程中的机理问题,利用数值软件Fluent,对10mm厚的2219铝合金电子束焊接熔池进行三维瞬态模拟。分析电子束焊接进入准稳态后熔池中涡流的变化规律和产生原因,并结合电子束与匙孔壁面相互作用进行讨论。结果表明:电子束焊接进入准稳态后熔池呈周期性波动;根据液态金属流动情况可将焊接熔池分为3个区域,区域Ⅰ中的液态金属维持了熔池体积的稳定,区域Ⅱ中的涡流起到扩大熔池表面的作用,区域Ⅲ中的涡流促使匙孔坍塌;通过对电子束与匙孔壁面的耦合分析可知,电子束在匙孔壁面上并不是均匀分布的,这造成了匙孔底部具有一定的滞后性。     

Numerical simulation of humping phenomenon in high speed gas metal arc welding

It is of great significance to obtain a thorough understanding of the physical mechanisms responsible for humping bead phenomenon in high speed gas metal arc welding (GMAW) in order to raise welding efficiency. Experiments were conducted to observe the weld pool behaviors in high speed GMAW, and it was found that both the severely deformed weld pool surface and strong backward flowing play a dominant role in humping bead formation. In this study, a mathematical model is developed to quantitatively analyze the forming mechanism of humping beads for high speed GMAW through considering both the momentum and heat content distribution of the backward flowing molten metal inside the weld pool. The transient development of temperature profiles in the weld pool with severe deformation demonstrates the humping bead forming process under some welding conditions. The predicted and measured humping bead dimensions are in agreement.     

变极性等离子弧穿孔熔池受力及焊缝成形稳定性

通过YB005-01型压力变送器测定相同参数条件下正极性等离子电弧力大于反极性等离子电弧力,并建立了铝合金VPPA焊接穿孔熔池受力模型,分析了在不对称正、反极性等离子电弧力的作用下,穿孔溶池稳定性及其焊缝成形机理.同时进一步分析铝合金VPPA力学特性,掌握了焊接电流和离子气流量等重要焊接参数对其影响.经穿孔焊工艺实验,...     

Numerical simulation of fluid flow and temperature field in keyhole double‐sided arc welding process on stainless steel

Double‐sided arc welding process powered by a single supply is a type of novel high‐production process. In comparison with the conventional single‐sided arc welding, this process has remarkable advantages in enhancing penetration, minimizing distortion and improving welding production. In this paper, a three‐dimensional steady numerical model is developed for the heat transfer and fluid flow in plasma arc (PA)–gas tungsten arc (GTA) double‐sided keyhole welding process. The model considers the surface tension gradient, electromagnetic force and buoyancy force. A CCD camera is used to observe the size and shape of the keyhole and weld pool. The acquired images are analysed through image processing to obtain the surface diameters of the keyhole on the two sides. A double‐V‐shaped keyhole geometry is then proposed and its characteristic parameters are derived from the images and cross‐section of weld bead. In the numerical model, the keyhole cavum within the weld pool is treated as a whole quality, whose temperature is fixed at the boiling point of the workpiece material. The heat exchange between the keyhole and weld pool is treated as an interior boundary of the workpiece. Based on the numerical model, the distributions of the fluid flow and temperature field are calculated. A comparison of cross‐section of the weld bead with the experimental result shows that the numerical model's accuracy is reasonable. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

焊接位置对激光-电弧复合焊接底部驼峰的影响

目的 通过改变焊接位置来抑制底部驼峰的形成进而降低生产成本。方法 使用高速摄像机观察平向焊接和横向焊接2种不同焊接位置下熔池的匙孔和底部驼峰的形成过程,并对底部凸起受到的金属蒸气反冲压力、熔融金属重力以及表面张力进行受力分析。结果 在S355J2W耐候钢的激光-电弧复合焊接平焊过程中,受金属蒸气反冲作用力的影响,熔融金属迅速从匙孔底部排出,流入匙孔底部凸起区域,底部凸起的增长速度极快,仅需7.5 ms即可形成大尺寸的驼峰。而在横向焊接中,匙孔前壁凸起数量减少,导致金属蒸气反冲压力减小,匙孔排出的熔融金属量减少,底部凸起的增速减缓,在13.6 ms时才达到最大高度,使驼峰在底部熔池凝固之前难以形成。结论 采用横向焊接的方式可以有效避免驼峰的产生,降低生产成本。同时,该方式在焊缝背部成形效果方面也表现良好,为优化焊接工艺提供了重要参考。     

Nd:YAG激光与半导体激光复合焊接对铝合金焊缝组织和性能的影响

目的 提高铝合金的焊缝抗拉强度,解决铝合金焊接过程中的裂纹缺陷。方法 采用脉冲Nd:YAG激光与半导体激光复合焊接铝合金,先用Nd:YAG激光形成焊接熔池,然后用半导体激光对熔池进行加热保温,获得无裂纹的焊缝,并对焊缝进行抗拉强度测试。结果 与单独的Nd:YAG激光焊接相比,Nd:YAG激光与半导体激光复合焊接的铝合金焊缝抗拉强度提高了50%,达到193MPa,为母材抗拉强度的90%。结论 2束激光的结合延长了熔池的冷却凝固时间,从而有效避免了热裂纹,减少了焊接缺陷,提高了焊接质量。