CMT焊接技术在钛合金方面的应用研究

CMT(Cold Metal Transfer)冷弧焊是一种新型的熔化极气体保护电弧焊方法。该方法通过采用数字化电源和过程的精密控制技术,使得在焊接过程中可大幅度降低焊接热输入量,从而减小焊接残余应力和焊接变形。本文通过对不同厚度钛合金的CMT焊接研究,在坡口制备、焊接参数等方面确定了技术要求,成功应用于不同规格厚度的钛合金的规模化生产。     

不同焊接方法对TA2焊缝变形与应力的影响

本文通过对比GTAW焊、MIG焊、CMT冷弧焊3种焊接方法的不同线能量对TA2焊缝焊接变形的影响,发现CMT施焊时,焊接变形量最小,仅为GTAW焊的65.6%。同时,焊接线能量的不同,会导致不同的焊缝残余应力,传统的GTAW焊高于MIG焊的,而MIG焊高于CMT焊的,在现有的焊接方法施焊时,CMT冷弧焊的焊后残余应力最小,仅为GTAW焊的40%。     

船用高强钢薄板焊接成形研究

探究了不同焊接工艺对3 mm船用高强钢薄板焊接成形质量的影响.结果表明:3 mm对接试板经不同方法焊接后均呈马鞍形变化.焊条电弧焊和手工气保焊焊接的试板变形严重,且两者变形量和残余应力基本相当,药芯焊丝CMT(cold metal transfer)自动焊接试板的焊缝内部存在夹渣缺陷.利用实心焊丝CMT自动焊接试板的焊缝均匀、内部无缺陷,焊缝中心残余应力明显降低,其变形量平均值比焊条电弧焊减小37.8%,且线能量仅为焊条电弧焊的22.4%.焊接试板变形量与其线能量大小的变化趋势一致.     

基于Simufact的割草盘控制杆焊接成形质量控制研究

目的保证割草机割草盘控制杆焊后的装配精度和尺寸稳定性。方法采用Simufact Welding软件对割草盘控制杆焊接过程进行模拟仿真。通过建立合适的热源模型,得到焊后变形和焊接应力分布情况。结果椭圆板焊缝处为焊接变形最大的区域,最大总变形量为0.73 mm;焊后最大等效应力为395.59 MPa,且沿焊缝两侧向外扩展,等效应力呈递减趋势。结论通过工装优化方案,实现了焊后残余变形控制,最大变形量由0.73 mm降低到0.41 mm,且未引起焊接残余应力的上升,但焊后残余应力仍处于较高的水平,可通过焊后退火消除残余应力。     

CMT焊接技术在钛合金领域的研究现状

介绍了CMT焊接技术在钛合金领域的工作原理及研究现状.与普通TIG/MIG焊相比,CMT焊具有热输入小、无飞溅等突出优点,实现了熔滴到熔池的冷过渡,能够大幅度减小焊接热输入量,进而实现钛合金高精度、高质量焊接.目前CMT焊接技术研究多集中于异种金属的连接,尚未系统开展工业用钛合金CMT焊接机理、工艺和接头组织性能研究.这也成为了未来钛合金焊接技术的发展方向.     

大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接变形和应力分析

目的 研究大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接,优化结构设计和工艺设计。方法 建立大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接数值分析模型,通过数值模拟的方法,定量分析大厚度奥氏体不锈钢筒体焊接变形和应力。结果 零件下部38 mm厚焊缝位置处的最大径向收缩量为1.2 mm;零件下部60 mm厚焊缝位置处的最大径向收缩量为2.0 mm;零件中部60 mm厚焊缝位置处的最大径向收缩量为1.9 mm;零件上部60 mm厚焊缝位置处的最大径向收缩量为1.8 mm。填丝激光焊接轴向收缩量为0.55 mm。焊接残余应力最大值在450 MPa左右,应力主要分布在焊缝附近。热处理后,焊接残余应力都有明显降低,最大残余应力从450 MPa左右降低到200 MPa左右,焊接残余应力范围存在一定程度减小;焊接残余变形变化较小,热处理后某些位置的变形略微有所增大。结论 模拟结果表明,大厚度奥氏体不锈钢筒体填丝激光焊接变形和应力在可接受范围内,焊后热处理对释放残余应力有重要作用。     

核电站控制棒驱动机构Canopy焊缝焊接温度场和应力-应变场模拟

目的 研究机加工和拉拔2种成形方式下得到的填充环对Canopy焊缝的影响,获取焊接焊缝成形、焊接残余应力和变形的相关数据,以指导Canopy焊缝焊接工艺。方法 采用数值模拟的方法,建立Canopy焊缝焊接数值分析模型,模拟焊接温度场、焊接残余应力和焊接残余变形。结果 拉拔成形环焊接熔池高度为9 mm,机加工成形环焊接熔池高度为8.3 mm;机加工成形环焊接最大残余应力为255.6 MPa,而拉拔成形环焊接最大残余应力为277.8 MPa,均出现在管座紧贴焊缝的位置;机加工成形环焊接残余变形为0.19 mm,拉拔成形环焊接残余变形为0.186 mm,最大残余变形均出现在焊接起始位置附近,在焊缝与管座交接的位置。结论 熔池形貌直接影响了热影响区域的大小,拉拔Y型环焊接熔池高度更大,焊接的热影响区域更大;拉拔Y型环焊接残余应力略大于机加工Y型环焊接残余应力;机加工成形环和拉拔成形环焊接残余变形相近。     

不同焊接参数下CT70连续钢管高频电阻焊残余应力分布的数值模拟

目的研究CT70连续油管高频电阻焊接后的残余应力值和分布规律,以及焊接速度和挤压量等焊接参数对残余应力的影响。方法通过有限元计算的方法施加移动面热源和移动挤压辊,来模拟高频电阻焊的加热和加压过程,并用小孔法测量了高频电阻焊后连续钢管的残余应力值。结果对比计算的和实际的焊缝尺寸,均是内壁处为0.2 mm,壁厚中间部位为0.1 mm,内壁凸起高度为1.0 mm,宽度为2.1 mm,验证了有限元模型的准确性。计算得到的高频电阻焊后在焊缝处的轴向残余应力较大,在400～500MPa之间;环向残余应力较小,在-100～200MPa之间,与小孔法测量的残余应力一致。结论焊缝附近的残余应力主要由不均匀加热引起,远离焊缝处的残余应力主要由挤压引起。热源与挤压辊间距离和焊接速度增加会导致焊缝附近的残余应力增加;挤压量增加和焊接功率增加会导致焊缝附近的残余应力降低。     

热时效对消除钢结构焊接残余应力的工艺评估

针对钢结构拼焊过程中产生的焊接变形和残余应力,采用热时效工艺对焊接构件进行了消应力处理,然后采用盲孔法对焊接构件焊后和热时效后的残余应力分布及变化进行了测定,定量地评估了热时效消除钢结构焊接残余应力的工艺效果。结果表明：通过热时效处理,可使钢结构的焊接残余应力大大降低,消除应力效果良好。     

Ti2AlNb合金电子束焊接头残余应力及变形的数值模拟

目的 研究平板对接电子束焊接过程中Ti2AlNb合金接头的残余应力及变形规律。方法 采用高斯圆柱体和高斯面组合热源模型模拟了6.6 mm厚的Ti2AlNb合金平板对接电子束焊过程,对比研究了高焊速高束流和低焊速低束流2种工艺参数下焊接接头的残余应力和变形分布规律,并用小孔法测量了焊缝中心及距焊缝中心10 mm位置的残余应力值。结果 在高焊速高束流参数下,获得了熔池体积小、熔池宽度窄(为3.62 mm)、深宽比高的焊缝;在该参数下焊缝横截面上的高应力集中区(应力在900 MPa以上)尺寸较小,其宽度仅为低焊速低束流参数下的89%;同时,在高焊速高束流参数下,焊缝法向变形最大值为0.79 mm,低于低焊速低束流参数下的0.82 mm;模拟计算所得残余应力与实测值的误差在5.64%以内。结论 高束流高焊速工艺具有热输入小、热量集中、加工效率高的特点,有助于获得高应力集中区域小、深宽比高、变形小的焊缝,比低束流低焊速工艺更具优势。     

Bulk growth of near-IR cadmium mercury telluride (CMT)

Cadmium mercury telluride (CMT, Cd_xHg_1–xTe) is still the pre-eminent infrared material, despite the difficulties associated with its production and subsequent processing. By varying the x value, the system can be made to cover all the important infrared (IR) ranges of interest. The two most common regions required are x0.21 and 0.3 for 8–14 and 3–5 m atmospheric transmission windows, that is, long wave, LW, and mid wave, MW, respectively. Recently we have extended the growth process to produce both very long wavelength and near-IR material for various applications. This paper focuses on the work undertaken to produce near-IR material, where higher starting x values are used. Growth takes place in simple 2-zone furnaces with the pure elements contained in thick-walled high-purity silica ampoules. The thick ampoule walls are needed to contain the high (up to 70 atm) mercury vapor pressures within the ampoules. An improved ampoule seal-off procedure was developed to enable us to grow at the higher temperatures (hence higher pressures) needed for these higher x start crystals. The accelerated crucible rotation technique (ACRT) modification to the basic Bridgman process is used to grow the crystals. Here, ampoules are subjected to periodic acceleration/deceleration in their rotation, rather than constant rotation as in the Bridgman process, which stirs the melt during growth and produces flatter solid/liquid interfaces. This, in turn, improves the radial and axial compositional uniformity of the material. An additional advantage of ACRT is that the improved radial compositional uniformity enables larger diameter material to be considered. We are currently growing 20 mm diameter, 200 mm long crystals of 0.5 kg weight with good uniformity of composition. The assessment of the near-IR material has included wavelength mapping of both radially cut slices and axially cut planks. The latter gives useful information on the shape and change in the solid/liquid interface as growth proceeds. Quenching experiments reveal actual solid/liquid interfaces that confirm the findings of the wavelength mapping. Images taken with an IR camera reveal features in slices, for example, cracks, inclusions of second phase and swirl patterns, the origin of the latter is unknown.     

CMT能量输入特点与熔滴过渡行为

为分析CMT焊接方法的工艺特点,采用高速CCD摄像机建立了电弧形态和熔滴过渡视觉传感系统并且通过电流、电压传感器建立了波形采集系统,以此分析其能量输入特点和熔滴过渡行为.结果显示,CMT焊接波形控制呈现典型的直流脉冲特征,焊接时热输入较低;在CMT短路过渡过程中,熔滴尺寸随焊接电流的增加幅度不大,将熔滴尺寸控制在一定范围内可实现稳定的短路过渡.CMT短路过渡通过焊丝回抽,避免了大的电磁力,有效地消除了飞溅.当电流增大到一定值时,其过渡形式将转变为射滴过渡和短路过渡的混合过渡.     

Bulk growth of near-IR cadmium mercury telluride (CMT)

Cadmium mercury telluride (CMT, Cd_xHg_1?xTe) is still the pre-eminent infrared material, despite the difficulties associated with its production and subsequent processing. By varying the x value, the system can be made to cover all the important infrared (IR) ranges of interest. The two most common regions required are x～0.21 and 0.3 for 8–14 and 3–5 μm atmospheric transmission windows, that is, long wave, LW, and mid wave, MW, respectively. Recently we have extended the growth process to produce both very long wavelength and near-IR material for various applications. This paper focuses on the work undertaken to produce near-IR material, where higher starting x values are used. Growth takes place in simple 2-zone furnaces with the pure elements contained in thick-walled high-purity silica ampoules. The thick ampoule walls are needed to contain the high (up to ～70 atm) mercury vapor pressures within the ampoules. An improved ampoule seal-off procedure was developed to enable us to grow at the higher temperatures (hence higher pressures) needed for these higher x start crystals. The accelerated crucible rotation technique (ACRT) modification to the basic Bridgman process is used to grow the crystals. Here, ampoules are subjected to periodic acceleration/deceleration in their rotation, rather than constant rotation as in the Bridgman process, which stirs the melt during growth and produces flatter solid/liquid interfaces. This, in turn, improves the radial and axial compositional uniformity of the material. An additional advantage of ACRT is that the improved radial compositional uniformity enables larger diameter material to be considered. We are currently growing 20 mm diameter, 200 mm long crystals of ～0.5 kg weight with good uniformity of composition. The assessment of the near-IR material has included wavelength mapping of both radially cut slices and axially cut planks. The latter gives useful information on the shape and change in the solid/liquid interface as growth proceeds. Quenching experiments reveal actual solid/liquid interfaces that confirm the findings of the wavelength mapping. Images taken with an IR camera reveal features in slices, for example, cracks, inclusions of second phase and swirl patterns, the origin of the latter is unknown.     

CMT电弧增材制造铝青铜的微观组织及耐腐蚀性能研究

目的研究冷金属过渡技术(Cold metal transfer,CMT)增材制造Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金的微观组织演变规律以及在不同温度下的耐腐蚀性能。方法采用CMT电弧增材的方式制备了铝青铜合金的薄壁试样件,通过光学显微镜研究了试样件在不同位置的微观组织演变规律,并通过电化学工作站测试试样在质量分数为3.5%的NaCl溶液中的电位极化曲线,进而分析其耐腐蚀性能。结果 CMT电弧增材制造铝青铜合金的微观组织主要表现为3个区域。前3层微观组织由基材树枝晶转变为柱状晶的区域;中间稳定区域主要是垂直于基板方向生长的均匀柱状晶微观组织;以及在最后一层出现柱状晶转向树枝晶的区域。当温度由20℃上升到60℃时,该材料的稳定电位ER由-0.2540 V下降到-0.2745 V。自腐蚀电流密度由2.84×10-6 A/cm~2增加到了5.149×10-6A/cm~2。结论采用合适工艺参数,可以获得致密无缺陷的CMT电弧增材制造铝青铜合金薄壁试样,在试样的稳定区域,微观组织是外延生长的柱状晶。同时试样在质量分数为3.5%的NaCl浓度溶液中有着良好的耐腐蚀性能,并且由于腐蚀过程介质温度的升高,电极反应速度加快、溶液的对流和扩散加强,从而加快了阳极过程和阴极过程,加速了金属的腐蚀。由此可见,介质温度对腐蚀速率的影响是非常重要的。     

CMT电弧增材制造Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金微观组织性能研究

目的研究冷金属过渡技术(Cold metal transfer,简称CMT)增材制造Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金的微观组织成形规律。方法采用CMT电弧增材的方式制备了Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金的薄壁试样件,研究了试样件在不同位置、不同方向的微观组织。结果 CMT电弧增材制造Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金的微观组织分为3个区域,前3层的不稳定区域主要是由基材树枝晶到柱状晶的转变区域;第3层到最后一层的稳定区域主要是外延生长的柱状晶区;在最后一层靠近空气侧约360μm厚度范围内,出现转向枝晶。交替往复电弧增材的Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金,在每层顶部均会形成转向枝晶,但随后新一层电弧增材的熔池会熔化顶部形成的转向枝晶,最终在微观组织形貌上表现出柱状晶外延生长的形式。结论通过控制合适工艺参数,可以获得致密无缺陷的CMT电弧增材制造Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金薄壁试样,在试样的稳定区域,微观组织是外延生长的柱状晶,柱状晶的晶界上Al,Ni,Mn元素产生富集现象,质量分数高于平均值。在柱状晶的晶内,Cu元素高于均值,而Al,Ni,Mn元素质量分数均低于均值,这与柱状晶的形核顺序有关。     

基于CMT技术的铝合金电弧增材制造研究现状

由于铝合金的应用领域较为广泛,使其增材制造技术成为了研究热点。CMT技术作为一种新型焊接工艺,焊接过程中弧长控制较为精确,其热输入量小、飞溅少等工艺特点非常适合铝合金等低熔点金属的增材制造,因此,铝合金CMT增材制造技术成为了近年来国内外各研究机构的研究热点。从控形控性的角度分析了国内外相关研究机构的研究方向,重点综述了焊接速度、送丝速度、CMT工艺等工艺参数和热处理对成形件形貌及性能的影响,同时概述了铝合金CMT电弧增材制造中尺寸控制、组织性能、气孔缺陷等方向的研究工作。借此指出,基于CMT技术的铝合金电弧增材制造技术的相关研究工作仍主要聚焦于试验研究阶段,并未深入到成形机理的探究。该领域的研究工作应更深入、系统地从成形尺寸精度控制、控制气孔缺陷、组织演变规律及性能优化等角度展开,力求加速推进该技术在现代制造业的应用。     

基于CMT+P工艺的5356铝合金微观组织与力学性能

目的 研究5356铝合金在冷金属过渡+脉冲(CMT+P)工艺下不同区域的微观组织与力学性能,并分析不同区域的强塑性变化规律,探索微观组织对力学性能的影响,为提高CMT+P工艺下5356铝合金的力学性能提供新思路。方法 利用CMT+P工艺在6061铝合金基板上成形5356铝合金试样,通过万能实验机、维氏硬度计、X射线衍射仪、金相显微镜和扫描电子显微镜分析不同区域试样的拉伸性能、维氏硬度、物相分布、微观组织、断口形貌及第二相分布情况。结果 堆焊试样沉积层宽度从底部区域到顶部区域逐渐增大,底部区域、中间区域、顶部区域的沉积层宽度依次为1.9、2.3、3 mm。顶部区域由等轴晶组成;中间区域由等轴晶和少量柱状晶组成;底部区域由柱状晶和细小等轴晶组成。平均晶粒尺寸从底部区域到顶部区域逐渐增大,底部区域、中间区域、顶部区域的平均晶粒尺寸依次为57、76、123 µm。不同区域的试样均由α-Al基体和β(Al3Mg2)相组成,与顶部区域和中间区域相比,底部区域析出相的数量更多且弥散更加均匀。堆焊试样顶部、中间、底部区域的强塑性高于垂直方向的强塑性,而底部区域的强塑性高于中间和顶部区域的强塑性,水平方向与垂直方向均为韧性断裂。底部区域的显微硬度最高(约95HV),顶部区域和中间区域的硬度值稳定在89HV左右。结论 CMT+P电弧增材制造过程中的热积累效应是造成不同区域沉积层宽度和显微组织变化的重要原因。与顶部区域和中间区域相比,底部区域的晶粒尺寸最小,析出相数量最多并且弥散均匀。在细晶强化和析出相强化的作用下,底部区域的力学性能高于其他2个区域的。     

30CrMo板CMT再制造熔覆层成形及组织性能

目的 研究预制槽坡口角度对冷金属过渡(CMT)再制造30CrMo板熔覆层成形质量的影响规律,探明熔覆层的微观组织和力学性能,为30CrMo零部件CMT再制造提供参考。方法 利用CMT再制造含预制槽的30CrMo板,分析预制槽坡口角度对熔覆层成形质量的影响;基于优选的坡口角度,对30CrMo腰型槽进行CMT再制造,研究所得熔覆层的成形质量,利用金相显微镜表征熔覆层的微观组织,并测试熔覆层的力学性能。结果 预制槽坡口角度对最后一道焊缝与母材的熔合有显著影响,坡口的角度应不小于40°;腰型预制槽再制造时,焊道与母材、焊道间形成了良好的冶金结合,熔覆层主要由针状铁素体和粒状贝氏体组成,微观组织形态主要是柱状晶和等轴晶,不同区域的微观组织形态存在差异;40°坡口熔覆层的抗拉强度可达1 014 MPa、伸长率为10.88%,50°坡口熔覆层的抗拉强度可达1 128 MPa、伸长率为6.39%。结论 熔覆层和母材形成了良好的冶金结合,熔覆层具有良好的力学性能,满足30CrMo钢的再制造强度要求,采用CMT进行30CrMo板再制造是可行的。