激光-数字化精确控制短路过渡电弧复合热源焊接技术——一种可取代TIG填丝焊的高效焊接新方法

提出了激光-数字化精确控制短路过渡电弧复合热源焊接新方法.以CMT(Cold Metal Transfer)电弧焊和激光-CMT复合热源焊接为例,利用304不锈钢平板堆焊,对比分析了CMT电弧焊及激光-CMT电弧复合热源的焊缝成形特点,研究了在采用纯Ar保护气体焊接304不锈钢时的激光-CMT电弧复合热源焊接过程稳定性、飞溅、焊缝成形特征、焊接效率及焊接接头的力学性能,并将试验结果与304不锈钢TIG填丝焊进行对比.分析结果表明,纯Ar保护激光-CMT复合热源焊接接头的综合力学性能与TIG填丝焊接头的综合力学性能相当,但焊接效率可以提高5倍,因此在不锈钢和镍基合金等高性能金属材料的焊接中,用纯Ar保护的激光-CMT电弧复合热源焊接取代TIG填丝焊具有可行性.     

Au-30%Si合金熔体与石墨的润湿性及铺展动力学

采用改良座滴法在真空条件下研究Au-30%Si(摩尔分数)合金与石墨在1373~1473 K温度范围内的润湿性及铺展动力学。结果表明:随着温度升高,该体系润湿性得到改善,T=1373 K时,体系终态接触角高达100°,呈不润湿;当T≥1393 K时,随着温度的升高,接触角的变化速率明显加快,接触角减小至16°,呈现良好的润湿性。界面反应产物SiC的形成使得固/液界面能不断降低,为润湿铺展提供驱动力。通过建立新的反应润湿动力学模型,从能量角度阐述润湿铺展机制,预测体系固/液界面能随反应时间的延长呈指数关系降低。在反应控制阶段,理论计算与实验结果一致。     

基于纯氩保护气体的304不锈钢激光-CMT电弧复合热源焊接试验研究

利用高速摄像分别采集了纯Ar保护气氛下激光与CMT电弧复合前后的CMT电弧形貌。研究了在采用纯Ar保护气体焊接304不锈钢时的激光-CMT电弧复合热源焊接过程稳定性、焊缝成形、焊接效率、焊接接头的力学性能及组织特点,并将试验结果与304不锈钢TIG填丝焊进行对比。分析结果表明,纯Ar保护的激光-CMT复合热源焊接接头的综合力学性能与TIG填丝焊接头的综合力学性能具有相当的水平,但焊接效率可以提高5倍,因此在不锈钢、镍基合金等高性能金属材料的焊接中,用纯Ar保护的激光-CMT电弧复合热源焊接取代TIG填丝焊具有可行性。     

真空热处理条件下镍基高温合金的表面反应和润湿行为

用俄歇谱仪对真空热处理条件下镍基高温合金的表面成分进行分析,利用润湿测量系统研究了Ni-15Cr-3.5B合金熔体在镍基合金基片上的润湿行为。结果表明,镍基高温合金基片表面有一层氧化铝膜,该氧化膜在真空加热时的厚度增加;Ni-15Cr-3.5B熔态合金润湿镍基合金基片时,氧化膜开裂,熔化的合金渗过裂缝,在氧化膜下铺展,具有良好的润湿性。     

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%。     

WxC增强镍基合金等离子堆焊层组织与空蚀性能

采用等离子堆焊技术在316L不锈钢表面原位合成W_xC增强镍基复合材料涂层,对涂层显微组织、相组成、硬质增强相的分布、显微硬度以及空蚀性能进行了分析.结果表明,Colmonoy 88合金等离子堆焊成形性良好,组织致密;堆焊层组织主要由γ-Ni固溶体,原位合成多角形、颗粒状W_xC及少量的Cr₇C₃,Fe₃W₃C,CrB₂相组成.堆焊过程中,熔池温度低于1 655 K时,原位生成WC和W₂C,温度高于1 655 K时,原位生成的WC发生了分解.镍基合金堆焊层平均硬度可达1 619 HV,为基材的8倍以上,在3.5% NaCl溶液中镍基复合材料抗空蚀性能为316L不锈钢基材的5倍.     

双钨极镍基合金堆焊层组织与性能研究

详细研究了双钨极堆焊热输入对镍基合金堆焊层微观组织、Ⅱ型边界、马氏体带、力学性能、腐蚀性能的影响,并与单钨极堆焊层进行对比。结果表明,随着热输入的增大,双钨极稀释率有所增大,焊缝晶粒尺寸增大,Ⅱ型边界情况变差,但硬度、冲击、晶间腐蚀等性能差异不大。当热输入控制在一定范围内时,双钨极可获得与单钨极性能接近的焊缝,但双钨极提高熔敷效率3倍以上。     

镍基合金复合钢板的焊接

环化塔预热器壳体的设计材料是Hastelloy C-276、Monel 400两种镍基合金复合不锈钢板,焊接是制造这台设备的关键技术.通过分析镍基合金复合钢板的焊接特点,指出镍基合金复合钢板焊接的关键是控制基层根部焊接时,焊缝金属中不要熔入复层合金成分;复层堆焊后的合金成分接近或达到焊材的化学成分,满足耐蚀要求.采用台阶式坡口形式,是避免根部焊缝金属互熔的最好措施;控制焊接线能量的多层焊是保证堆焊复层耐蚀性的关键.     

碳极氩气拘束电弧粉末堆焊工艺

利用碳极氩气拘束电弧进行了粉末堆焊试验，发现其母材稀释率远比其它电弧堆焊方法低得多，而且合金元素过渡系数高。作者认为其稀释率低与电弧温度分布及压力分布均匀、温度适中、电弧气氛具有一定还原性的特点有关。电弧径向温度分布及压力分布均匀可使熔池的熔深均匀，不易形成锅底形熔池，故稀释率低；温度适中既提高了熔敷效率又有利于降低合金烧损；还原性的电弧气氛及氩气的保护作用有利于降低合金元素烧损，从而提高合金元素的过渡系数，并且提高熔敷层对母材的润湿性。其综合作用使碳极氩气拘束电弧堆焊稀释率低，合金元素过渡系数高。     

TIG熔敷堆焊焊缝宽度的BP神经网络建模

研究了用于快速成形的TIG熔敷堆焊工艺中各参数与焊缝宽度的关系.在大量试验的基础上,对TIG熔敷堆焊焊缝宽度进行数据分析,得出了在TIG熔敷堆焊情况下焊缝宽度的影响参数,提出了关于TIG熔敷堆焊焊接的规范措施.在较为规范的情况下获取TIG熔敷堆焊工艺中的焊接电流、送丝速度与焊缝宽度数据,选择BP神经网络进行焊缝宽度建模.从建模结果来看,基本上与试验的实际结果相符合.     

Nd:YAG激光+脉冲MAG电弧复合热源规范参数对平板堆焊焊缝表面成形的影响

利用余高-熔宽比表示焊缝表面铺展性并与焊缝余高一起作为参数来评价复合热源平板堆焊焊缝的表面成形,通过试验研究了Nd：YAG激光＋脉冲MAG复合热源堆焊过程中焊接规范参数对复合热源平板堆焊焊缝表面成形的影响并分析了激光对复合热源堆焊焊缝表面成形的影响.研究结果表明,在电弧功率变化过程中,随着激光功率的增大,其对平板堆焊焊缝表面成形的影响也逐渐增大;焊接速度变化过程中,激光束能量的加入不仅改善堆焊焊缝表面成形还极大地提高了焊接速度;而在光丝间距和离焦量变化过程中,激光束对复合热源平板堆焊焊缝表面成形的影响很小.     

高强铝合金VPPA-MIG复合焊接焊缝成形机理

VPPA-MIG复合焊集VPPA穿透力强和MIG焊熔敷效率高的优点,弥补了单VPPA焊工艺区间窄且需立焊和MIG焊熔深浅的不足. 使用Red Lake Y4高速摄像获取6 mm厚2A12铝合金VPPA-MIG复合焊接熔池图像,建立了熔池受力模型. 对比分析了复合热源不同能量配比对焊缝成形和熔池形貌的影响及VPPA-MIG与单MIG焊缝成形特点. 结果表明,VPPA-MIG复合热源相比单VPPA热源易保持焊缝成形稳定性. VPPA电流接近穿孔阈值时,配合较低功率MIG热源可以获得6 mm厚2A12铝合金良好焊缝成形;VPPA能量比例过低时,小孔较浅,熔化效率较低,不能起到增加熔深的作用;VPPA能量比例过大,易使熔池失稳,焊缝成形不良. 热源输入功率相同时,VPPA-MIG复合焊比MIG焊显著增加焊缝熔深和深宽比,提高生产效率.     

钴基合金TIG堆焊层界面组织及性能的研究

采用钨极氩弧焊在X45CrSi9-3钢基体表面堆焊钴基合金。堆焊后,将堆焊试样分别放入500、550、650、700、750及780℃的热处理炉中对其进行热处理。对不同温度热处理后堆焊层的硬度进行了测试,采用光学显微镜观察了母材及不同温度热处理后堆焊层的金相组织。研究结果表明:在氩弧焊热源作用下,X45CrSi9-3钢表面发生微熔。钴基合金进入熔池后并未与基体发生剧烈的熔池搅拌。堆焊后,堆焊层界面平齐,无气孔及裂纹等缺陷,实现了冶金结合。钴基合金堆焊层的组织为共晶碳化物相(Cr,Fe)7C3和基体相γ(Co)。(Cr,Fe)7C3呈共晶形貌,并将γ(Co)夹于其间。随着焊后热处理温度的提高,堆焊层洛氏硬度值增加;热处理温度达到750℃时,其硬度值最高,进一步提高热处理温度,硬度值略有下降。     

化学镀锡层对BAg35CuZnSn钎料润湿性的影响

将化学镀技术用于钎焊材料领域,以BAg35CuZnSn钎料为研究对象,在其表面化学镀覆金属锡层,研究化学镀施镀时间、加热温度、保温时间对BAg35CuZnSn钎料润湿性的影响。结果表明,微米锡化学镀层可改善AgCuZnSn钎料的润湿铺展性能;随着施镀时间延长,钎料的润湿铺展面积逐渐增大;随着加热温度升高,保温时间增加,BAg35CuZnSn钎料的润湿铺展面积先增大后减小。在施镀时间为10 min、加热温度为820℃、保温时间为35s时,BAg35CuZnSn钎料的润湿性较好,此时其润湿铺展面积为460mm~2。     

TM+玻璃熔滴与铂合金的润湿性研究

用高温高真空润湿测试系统测定了TM~+玻璃熔滴与铂合金基材的接触角。结果表明,在1150~1350℃,熔滴与基材之间的接触角随温度升高而急剧下降;2种基材(Pt-20Rh和ZGS-(Pt-20Rh))的润湿转变临界温度分别为1253℃和1273℃;温度高于1300℃,采用锆弥散强化的ZGS-(Pt-20Rh)基材的接触角小于Pt-20Rh,ZGS-(Pt-20Rh)在高温下润湿性的增强不利于玻璃纤维的拉丝成型。     

ENiCrMo-3等级镍基合金单层带极电渣堆焊工艺研究

针对产品技术要求中ENiCrMo-3等级镍基合金堆焊层厚度大于等于4.5 mm、堆焊层表面及堆焊层表面以下3.2 mm处化学成分需满足ASME规范Ⅱ卷C篇SFA-5.11 ENiCrMo-3和弯曲性能合格的条款,采用单层带极电渣堆焊工艺增加堆焊厚度的方法取代常规工艺中采用双层带极电渣堆焊的方法,在平板上和筒体内壁两种工况下进行堆焊试验,摸索出了ENiCrMo-3等级镍基合金焊带单层电渣堆焊焊接工艺参数。试验结果表明,除焊接热输入相关变量外,上坡量对焊缝成形尤为重要,对比平板堆焊和内径1 620 mm筒体内壁堆焊的焊接参数可知,单层堆焊厚度大于等于4.5 mm时,两种结构下的适用焊接参数差异较大,平板堆焊参数不能适用于筒体内壁堆焊。     

Nd:YAG激光+CMT电弧复合热源横焊工艺参数对焊缝形貌的影响

以304不锈钢为对象,借助横焊焊缝横断面图像来分析Nd:YAG激光+CMT电弧复合热源横焊焊缝横断面的成形特征,研究了Nd:YAG激光+CMT电弧复合热源横焊过程中焊接工艺参数对焊缝横断面形貌的影响.结果表明,在Nd:YAG激光+CMT电弧复合热源横焊中,焊接工艺参数对横焊焊缝横断面形貌的影响显著;Nd:YAG激光加入CMT电弧焊中明显提高了复合焊缝以及复合焊中CMT焊缝的熔深;采取适当的焊接工艺参数(小的光丝间距、大的激光功率、小的焊接速度、适合的离焦量以及小的或大的CMT功率)可以避免熔池机械式叠加和焊缝横断面错位现象,使得焊缝成形良好.     

热丝冷体TIG堆焊中的HS201焊丝润湿铺展研究

采用热丝冷体TIG堆焊工艺,分析了在20钢板上堆焊HS201焊丝时,熔化焊丝的润湿铺展行为、效果与焊接电流等工艺参数之间的关系,得到了焊接电流与铺展宽度、润湿角之间联系的规律,发现增加焊接电流能有效改善其铺展性.对比热丝焊接与冷丝焊接、常温焊接与冷体焊接时铺展宽度、润湿角之间的差别,得到了4种工艺条件对HS201焊丝在20钢板上的润湿铺展行为的影响.分析结果表明,焊接电流过大时,过多Fe元素进入铜层,导致铺展性下降,溶解铁形态的变化受溶解量和冷却条件的影响.     

金属基陶瓷复合等离子弧堆焊层组织与耐磨性能

等离子弧堆焊镍基钴基合金粉末时外加纵向磁场,对两种合金陶瓷复合堆 焊层进行硬度和磨损试验及显微组织分析.结果表明,施加磁场时的堆焊层性能比无 磁场作用的堆焊层性能高.钴基合金的最佳焊接电流和磁场电流分别为160 A和3 A. 此时堆焊层组织晶粒细化效果最明显;而镍基合金为140 A和1 A,此时堆焊层Cr7G3截 面的六角形陶瓷硬质相数量最多且均匀分布,说明Cr7G3硬质相的轴向平行方向一致, 因而硬度和耐磨性最好.随着磁场电流的继续增大,由于电磁阻尼占主导地位,这两种 合金的性能均下降.     

热等静压对Inconel 690镍基合金堆焊层组织与耐磨性能的影响

使用自动化TIG焊方法在347不锈钢表面堆焊了Inconel 690镍基合金。采用热等静压(HIP)工艺在1120℃对Inconel 690镍基合金堆焊层进行了消除缺陷处理,并对HIP前后的堆焊层组织与耐磨性能进行了研究。结果表明:Inconel 690合金堆焊层经过HIP处理后,可消除其内部缺陷和组织偏析,同时靠近熔合线界面的堆焊层区域组织由柱状树枝晶转变为粗大的奥氏体,原始焊缝层与层之间的界面也被消除。HIP处理后,堆焊层的硬度明显下降。这是由于堆焊层内部晶粒取向发生变化,位错产生了运动,缠结的位错重新组合,导致位错密度下降,同时,堆焊层内部的焊接残余应力也得到了释放。HIP处理后,堆焊层耐磨性变差,磨损机制主要为磨粒磨损和黏着磨损。