铝合金MIG焊正面熔池图像视觉传感与处理

建立了铝合金脉冲MIG焊熔池图像检测CCD视觉传感系统。应用窄带滤光的方法成功地解决了强弧光干扰，通过大量试验，在获取清晰焊接熔池区图像的基础上，分析了铝合金焊接熔池图像的特征，研究了适合铝合金MIG焊熔池图像处理方法和熔池几何尺寸的边缘检出方法，获得了满意的熔池边缘特征图像，为进一步实现铝合金MIG焊接熔透智能控制奠定了基础。     

Fluent在焊接模拟中的应用

以TIG焊为研究对象，对使用Fluent进行三维温度场和熔池流场数值模拟中遇到的诸如模型的建立、热源的处理、相变潜热以及熔池对流等问题的处理进行了阐述。结果表明，Fluent可以很方便的对焊接工艺过程进行模拟，其输出的计算结果可以直观的揭示各种驱动力对于焊接过程的影响。Fluent软件的成功应用对于研究焊接过程和指导焊接的生产实践有着积极的意义。     

TIG-MIG双面对称焊焊缝成形机理研究

就纯铝中薄板,通过单面TIG、MIG和TIG-MIG双面对称焊工艺试验对比,利用ANSYS有限元计算软件进行了TIG-MIG双面对称焊熔池的数值模拟,研究了TIG-MIG双面对称焊的熔池特征及焊缝成形规律。研究表明,TIG-MIG双面对称焊的热源静态累积效应和动态热阻效应使得此焊接方法熔深大大增加,TIG、MIG熔池在焊接过程中发生交汇并在电弧力、熔池表面张力和重力等作用下达到平衡,并由此形成焊缝反面成形。TIG-MIG交汇熔池的稳定性决定焊缝的反面成形特征。     

脉冲MIG焊建模仿真分析及弧长控制

针对脉冲MIG焊过程中的电弧稳定性问题,建立基于尖端不稳定熔滴过渡理论的焊丝熔化动态电弧模型,并对焊接过程中的电弧电压、电弧长度及熔滴过渡尺寸进行仿真,得到与实际焊接相似的电弧电压波形,分析脉冲电流下熔滴过渡频率及影响电弧稳定性的因素,且进行弧长稳定控制的仿真研究,在此基础上运用快速原型技术建立铝合金脉冲MIG焊控制系统,采用电弧电压反馈对铝合金脉冲MIG焊过程进行送丝调节的弧长控制试验。研究表明:所建立的铝合金脉冲MIG焊焊丝熔化动态电弧模型很好反映了实际焊接过程,揭示出脉冲MIG焊焊接过程中熔滴过渡时间间隔具有一定的不确定性和电弧长度的不稳定性,通过电弧电压反馈控制可显著改善铝合金脉冲MIG焊过程电弧系统的稳定性。     

低电流TIG电弧辅助MIG高速焊咬边缺陷抑制机理及措施的研究

基于温度场、流场、熔滴过渡以及电弧形态检测,开展低电流钨极氩弧焊(Tungsten inert gas welding,TIG)辅助熔化极惰性气体保护(Metal inert gas welding,MIG)高速焊工艺试验。从传热、传质以及受力等角度分析低电流TIG辅助电弧对高速MIG咬边缺陷的抑制机理,并分析各工艺参数对最终焊缝成形的影响。相比常规MIG高速焊,低电流TIG辅助电弧能有效降低MIG高速焊前部熔池边缘的温度梯度,延长熔池存在时间,促进液态金属向焊缝边缘填充。电弧力和熔滴冲击力是影响高速焊咬边缺陷的主要作用力,低电流TIG辅助电弧对MIG熔滴冲击力改变较小,但两电弧耦合后,电弧静、动压力明显降低,可有效地抑制MIG高速焊中咬边缺陷的产生。此外,正交工艺试验显示,丝-极间距和焊枪倾角是影响复合焊工艺的重要参数,而钨极距工件距离和TIG焊接电流则对咬边缺陷的影响较小,通过对丝-极间距和焊枪倾角的调节能快速实现该复合焊工艺参数的优化,抑制咬边缺陷。     

焊接速度对电弧增材熔池流动及焊道形貌影响的数值模拟研究

焊接速度对电弧增材成形过程中传热传质以及焊道成形有重要影响，为探究其影响机理，建立TIG电弧增材成形过程的三维瞬态数值模型，采用VOF方法追踪熔池自由界面，研究不同焊接速度下单道熔积成形过程中的传热及熔池流态，并分析焊接速度对单道焊道形貌的影响。数值模拟结果表明，随着焊接速度减小，熔池的热积累增强，体积增大，熔池表面峰值温度提高，弧坑深度也加深；同时，在电磁力和熔池表面力的共同作用下，熔池表面流速峰值随焊接速度减小而减小，熔池内部流速增大，对流更充分。此外，随着焊接速度减小，成形焊道的宽度和高度均有不同程度的增加。相同条件下的试验与数值模拟的焊道轮廓对比验证了数值模拟结果的有效性，研究结论可为电弧增材技术的工艺参数调控提供理论支撑和依据。     

外加高频磁场下电弧快速成形过程的电磁-流体耦合数值模拟

外加电磁作用是改善电弧快速成形零件组织和性能的有效方式之一。为了揭示高频磁场对熔池传热、对流和形态的影响机理,采用有限元电磁计算和有限体积流体分析耦合的方法,建立电磁场、熔池温度场和流体流动场分析的三维模型,分析工件和熔池中高频电磁力/热的分布特征,研究高频电磁力与表面张力、电弧力以及熔滴冲击共同作用下的熔池表面动态变形,对比分析有/无外加高频磁场情况下熔池温度分布和流体流动模式上的差异,并由此预测外加高频磁场对凝固组织和熔池形态的改变。结果表明,高频电磁力驱动熔池流体在垂直焊接方向的平面内形成单漩涡旋转对流,有利于熔断枝晶细化晶粒,熔池表面形状向远离线圈一侧倾斜,熔宽增大。金相和焊道横截面测试证实了上述模拟结果。     

大截面纯铜母线的细丝脉冲MIG焊工艺

采用细丝脉冲MIG焊成功地实现了大截面纯铜母线的焊接。详细探讨了细丝脉冲MIG焊焊接纯铜的工艺方法和过程,分析了焊前清理、预热、脉冲参数和焊接电流等工艺参数的选择。     

A6061铝合金脉冲MIG焊T型接头应力场有限元模拟

基于B样条拟合非线性曲面的优势建立B样条焊缝模型，根据脉冲熔化极惰性气体保护(MIG)焊接基-峰值电流热输入特点建立高斯面+锥形体组合热源模型，采用该模型模拟A6061铝合金脉冲MIG焊T型接头的温度场及应力场，并进行了试验验证。结果表明：模拟所得T型接头熔池的熔深和熔宽以及特征点峰值温度与试验结果间的相对误差不大于1.4%,验证了模型的准确性。在距焊缝中心约10 mm和30 mm处的纵向残余应力模拟结果与试验结果间的相对误差分别为28.0%和20.6%,其计算精度比采用简化焊缝及双椭球热源模型至少提高了15.7%。     

活性剂焊接技术的研究

活性剂焊接是近十年来发展起来的增大焊接熔深，改善焊缝成形和焊接质量，提高焊接生产效率的新技术。早期主要集中在A—TIG焊，已在碳钢、不锈钢、高温合金、钛合金的焊接中有了成功的应用，对于铝镁合金的活性剂焊接技术也在研究中。目前研究认为活性剂提高熔深的机理一是活性剂可影响电弧特性，提高电弧的能量密度和作用于熔池的电弧力，二是活性剂影响了熔池的表面张力而提高了焊接熔深，或是2种原因兼而有之。随着A—TIG焊应用的成熟，活性剂焊接拓展到MIG焊、等离子弧焊和激光焊中的应用成为活性剂焊接发展的一个方向，在提高熔深，改善焊缝成形方面有了初步的效果。     

表面活性元素对Marangoni流和熔池形状影响的数值分析

根据合金熔化与凝固过程液相区、固相区和糊状区共存的特点，建立了适合于ＧＴＡ焊接熔化与凝固过程的统一模型控制方程和辅助方程，并用控制容积积分的有限差分法对其进行了数值求解。能量方程中考虑了固／液相变潜热、表面合金元素的气化、表面对流和辐射热损失， 动量方程中考虑了浮力、电磁力和Ｍａｒａｎｇｏｎｉ力驱动流。重点讨论了Ｆｅ－１８Ｃｒ－９Ｎｉ合金中表面活性元素—硫 （Ｓ） 对Ｍａｒａｎｇｏｎｉ力诱导的熔池内涡流环路和熔池形状的影响。结果表明， Ｓ质量分数较小时， 每半个熔池内存在两个相反的涡流环路， 随着Ｓ质量分数的增加向外的流体环路逐渐减弱并消失， 面向内的流体环路逐渐增强与扩大， 造成熔池深度的增加。     

新型变极性等离子弧横焊热-力特性及成形研究

针对铝合金穿孔型等离子弧横向焊接,开展新型变极性等离子电弧热-力特性及横焊成形研究。通过设计变极性等离子弧喷嘴,控制电弧热-力特性来提高横焊穿孔稳定性。对不同热-力特性进行研究,比较三种喷嘴的电弧形态、电弧力和电弧阳极电流密度的数值与分布,分析认为新型电弧的热-力特性在横焊穿孔成形稳定性方面具有优势。依据电弧压力波形稳定性和穿孔稳定性进一步验证新型等离子电弧的作用效果,验证得出新型等离子电弧瞬间电弧压力波动较小,背面穿孔形状似圆形,且穿孔面积变化较小。通过分析穿孔熔池宏观轮廓,得到新型热-力特性对熔池行为的直接影响。利用高速摄像捕捉横焊穿孔熔池的稳定形成过程,证明较高电弧能量、较低电弧压力相配合更有利于穿孔熔池形成和稳定;同时观察到横焊熔池的稳定流动过程,并对熔池金属进行受力分析,认为新型热-力特性容易满足横焊熔池金属在流动过程中达到受力平衡,最终实现了8 mm铝合金穿孔等离子弧横焊稳定成形。     

摇动电弧窄间隙FCAW立焊流体流动数值分析模型

目前关于摇动电弧窄间隙药芯焊丝气体保护焊(Fluxed-cored arc welding, FCAW)的研究较少涉及熔池内部物理现象,缺乏对其成形机理的深入认识,从而影响了焊接质量的稳定性,因此利用数值模拟方法对熔池动态行为进行研究,利于焊接参数的优化及质量可靠性的提高。基于FLUENT软件,建立了适用的摇动电弧窄间FCAW立焊熔池流体流动数值分析模型,将电弧热输入视为双椭圆平面热源,并同时考虑了电弧移动路径、移动方向和接头几何特征对电弧热流分布的影响,将金属和熔渣填充过程视为液体金属和熔渣从熔池上部流入过程;假定两者流速相同,并通过对流速施加时间脉冲函数表征过渡频率。此外,模型还考虑了导电杆折弯角度对电弧力的影响。利用FLUENT软件对药芯焊丝摇动电弧窄间隙立焊熔池动态行为进行模拟计算。结果表明,模型能够合理地描述药芯焊丝窄间隙立焊熔池液体金属和熔渣的流体动力学特征,计算结果和试验结果吻合较好。熔池纵截面中部区域出现涡流,熔渣向坡口中间部位聚集;向上的电弧应力分量和熔渣有助于抑制熔池下淌。     

TIG焊电弧-熔池传热与流动数值模拟

针对钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas,TIG)焊,采用一组满足整个求解域的偏微分方程组和合理的边界条件,建立包括钨极、电弧和母材的三维瞬态统一模型。以SUS304不锈钢为母材,求解获得电弧-电极(熔池)的温度场、流场、压力、电流密度、电磁力等结果,并与已有的试验结果和其他相关的研究结果做对比。在此基础上,通过分析阳极热输入,求得焊接热效率为86.3%。重点比较浮力、电磁力、等离子流拉力和Marangoni剪切力单独作用下的熔池流动特性,并将计算结果和格拉晓夫数Gr、磁雷诺数Rm和表面张力雷诺数Ma相结合,分析了这几种驱动力的相对作用大小,将计算结果和Peclet数Pe相结合强调了熔池热对流与热传导的相对作用。结果表明,与等离子拉力和Marangoni剪切力相比,浮力和电磁力对熔池对流的作用较小;等离子拉力和Marangoni剪切力处于同一数量级,而Marangoni剪切力大于等离子流拉力,两者共同作用使熔池表面金属由内向外流动。与热传导相比,熔池金属这种向外流动导致的热对流主导传热过程,是造成TIG焊宽而且浅的焊缝形貌的本质原因。     

技术信息

焊　　接【编号】Z0 3 K0 0 0 1【篇名】焊接熔池数值模拟的研究现状【作者】周远远,于治水【文摘】对焊接熔池的流场热场的数值模拟这一领域进行了综述,分析了对焊接熔池进行数值模拟的发展过程和现有研究模型中存在的问题,为进一步研究提供指导。【关键词】焊接熔池,数值模拟,流场,热场【编号】Z0 3 K0 15 1【篇名】不锈钢TIG焊活性剂对焊缝性能的影响【作者】林三宝,杨春利等【文摘】针对TIG焊生产效率低,单层焊可焊厚度小等问题,采用活性化TIG焊(A TIG) ,能够大幅度地提高焊缝熔深,从而提高焊接效率和生产率。研究了在不锈钢TIG…     

TIG-MIG复合焊电弧间相互作用对焊接过程的影响

根据毕奥-萨伐尔定律,对惰性气体钨极保护-熔化极惰性气体保护(Tungsten inert gas-metal inert gas,TIG-MIG)复合焊TIG-MIG电弧间相互作用模型进行改进;结合不同倾斜电弧下电流密度分布的自适应模型,建立TIG-MIG复合焊的电弧力-热模型。对不同焊接电流下TIG-MIG复合焊电弧倾角展开计算,分析复合焊电弧间相互作用力对工件上热流密度分布和焊缝成形的影响,发现两电弧之间存在的排斥力能够增加TIG电弧的垂直度,从而提高TIG电弧热流密度,同时MIG电弧是影响TIG-MIG复合焊焊缝成形的主要因素。研究复合焊焊枪间距和两焊枪的前后位置对焊接过程的影响,发现TIG焊枪在前、MIG焊枪在后的方式更有利于焊接过程稳定。计算结果与试验结果的对比表明,所建立的模型能够较好地描述TIG-MIG复合焊接物理过程,这对优化其焊接工艺参数具有一定的指导意义和实际应用价值。     

A6N01铝合金激光-MIG复合焊接接头工艺研究

激光电弧复合焊是一种低成本、高适应性的焊接方法,在铝合金、不锈钢等难焊金属中,可不同程度的减少和消除了焊接缺陷。以A6N01铝合金为研究对象,进行了焊接坡口设计,研究了间隙变化量对焊缝成形的影响以及进行了焊接接头残余应力检测。结果表明:为了满足激光-MIG复合焊接的工艺,需要设计单独的坡口型式。通过降低焊接速度,间隙为2.0 mm时仍可获得良好焊缝成形。MIG焊接,激光-单丝MIG焊接、激光-双丝MIG焊接,沿着焊缝的应力除个别区域外,皆为小于150MPa的压应力,激光-单丝MIG焊接的焊件整体应力值较小。     

脉冲MIG焊机智能化控制及在铝合金焊接上应用

通过对脉冲MIG电弧的分析,在全数字焊接电源上采用新型＂HyperDip-脉冲＂智能化控制技术,实现了铝合金焊接熔池稳定、熔深增加、气孔缺陷减少的焊接效果。焊接电源融合型机器人＂TAWERS＂和全软件控制的交直流两用MIG焊接技术,实现了铝合金更加完善的自动化焊接质量。     

基于旋转电弧传感的弧焊机器人焊缝跟踪系统

研制了一套基于旋转电弧传感的弧焊机器人空间曲线焊缝智能跟踪控制系统。介绍了系统的硬件构成、软件设计及模糊控制方法。研究了不同焊接位置时，焊接熔池金属对坡口的影响作用，提出采用补偿因子加权处理方法，可有效提高平焊、横焊位置焊缝偏差的识别能力。针对立焊位置的脉冲焊接方法，采用形态滤波技术，通过提取脉冲焊接电流的上包络线，利用一次谐波法准确地对立焊焊缝进行了识别。试验结果表明，该焊缝跟踪控制系统对平焊、横焊及立焊位置的曲线焊缝跟踪效果良好，达到焊接工艺要求。     

6061-T6铝合金MIG焊接头微区拉伸性能表征及接头拉伸性能的有限元仿真

建立了6061-T6铝合金MIG焊接接头微区拉伸性能测试的高精度等效试验方法;采用有限元模拟了焊接过程的温度变化情况,建立了温度与接头各微区拉伸性能的关系;获得了可表征接头各微区材料性能的参数,验证了将接头等效为不同热状态材料所建立的精细模型对接头性能预测的可靠性。结果表明:微区温度场、焊缝熔池形貌和拉伸性能的仿真模拟与试验结果的吻合性较好;采用等效焊接接头的拉伸仿真模拟与试验的峰值力的误差仅为0.1%,断裂失效时的位移误差仅为5.7%,根据温度分布将热影响区网格划分为不同热状态材料可以有效预测焊接接头的拉伸性能。