双旁路耦合电弧铝合金MIG焊熔滴过渡形态研究

提出双旁路耦合电弧熔化极惰性气体保护(Dual bypass metal inert-gas,DB-MIG)电弧焊方法并建立试验系统.该方法以传统熔化极惰性气体保护焊接电弧为主弧,引入两路对称的电流可控的非熔化极旁路电弧并与主弧形成耦合电弧进行焊接.由于旁路电弧的分流作用,在保持较高焊丝熔化电流的同时可有效降低母材输入电流,并且旁路电弧力的作用对熔滴过渡也有显著的影响.设计专用的窄带滤光系统,实现无激光背光的焊接熔滴过渡行为的高速摄像,获得不同旁路电流参数条件下的铝合金DB-MIG焊熔滴过渡的高速摄影图像并进行分析.试验结果表明总电流恒定的情况下,熔滴过渡形态随旁路电弧电流参数改变而改变.对DB-MIG焊条件下作用于熔滴上的电弧力的分布进行理论分析,解释试验现象,理论分析和研究表明双旁路耦合电弧可以促进熔滴过渡并可显著降低喷射过渡的临界电流.     

电弧填丝增材制造过程熔滴射滴过渡特征及其对熔滴沉积成形的影响

基于脉冲GMA电弧检测了电弧填丝增材制造过程中与熔滴过渡相关的电弧电流、电弧电压和声发射信号,研究了电弧脉冲作用下的铝合金熔滴射滴过渡特征,提出了一种可对处于射滴过渡模式下的熔滴尺寸、电弧力和熔滴沉积率进行计算的方法,并分析了沉积层的成形质量特征。研究结果表明,利用检测获得的电弧电压、电弧电流信号和声发射信号可以对处于射滴过渡模式下的熔滴过渡过程及其特征进行区分。在本研究条件下,作用在过渡熔滴上的电弧力随电弧功率增加而递增。电弧力的增加将限制熔滴尺寸的增大,从而在电弧功率递增时呈现熔滴尺寸的递减和熔滴过渡频率的递增。同时,电弧功率增加,使热输入增大,射滴过渡熔滴对熔池的冲击增强,容易造成熔滴过渡形成的沉积层坍塌,从而使熔滴沉积层高度递增的趋势减缓,形成的沉积层显微组织明显粗化。     

激光-MIG双丝复合焊电弧特性与熔滴过渡研究

利用搭建的激光-熔化极惰性气体保护(Metal inert-gas,MIG)双丝复合焊接系统进行焊接试验。在试验中,主要研究激光功率、送丝速度、光丝间距和离焦量等几个主要变量对复合焊接稳定性、电弧特性和熔滴过渡的影响规律。分别选取电弧电压变异系数、电弧偏转角、熔滴过渡方式及过渡频率作为评价参量对稳定性、电弧特性和熔滴过渡进行分析。研究发现,随着激光功率增加,电弧偏转角先减小后增加,在1 000 W附近偏转角最小,焊接过程最稳定。引导丝熔滴始终为粗滴过渡,而跟随丝熔滴为粗滴过渡+少量短路过渡,熔滴过渡频率呈现先增加后下降的趋势。在送丝速度为4 m/min时引导丝和跟随丝的电弧稳定性最好,电弧偏转角先减小后增加最终趋于稳定。在离焦量为–1 mm时,引导丝和跟随丝熔滴过渡频率均达到最大值,分别为8.6Hz和6.3Hz。     

双旁路耦合电弧MIG焊熔滴过渡受力分析

针对双旁路耦合电弧熔化极惰性气体保护(Metal inert gas,MIG)焊过程,使用高速摄像采集不同旁路电流下的熔滴过渡图像,通过图像处理提取熔滴过渡数据信息,并对熔滴所受的主要作用力进行定量计算。根据计算结果对比分析不同参数下熔滴受力的动态变化情况,研究旁路电弧对熔滴过渡的促进机理。结果表明,在焊接总电流较大的情况下电磁力对双旁路耦合电弧MIG焊熔滴过渡的影响最显著,旁路电弧可以促进熔滴上弧根面积的扩展和熔滴缩颈的形成,通过增加向下的电磁力来促进熔滴过渡,且旁路电流越大旁路电弧对熔滴过渡的促进作用越明显;在焊接总电流不变的情况下,随着旁路电流的增加熔滴过渡频率随之增加,熔滴尺寸随之减小,熔滴过渡形式逐渐由大滴过渡转变为喷射过渡。     

逆变脉冲熔化极气体保护焊机的工艺特性

众所周知,脉冲熔化极气体保护焊是在一定平均电流下,焊接电源的输出电流以一定的频率和幅值变化来控制熔滴有节奏的过渡到熔池;可在平均电流小于临界电流值的条件下获得射流过渡,稳定地实现一个脉冲过渡一个(或多个)熔滴的理想状态,熔滴过渡无飞溅。并具有较宽的电流调节范围,适合板厚≥1.6mm工件的全位置焊接,尤其对一些热敏感性较强的材料,可有效地控制热输入量,改善接头性能。由于脉冲电弧具有较强的熔池     

CMT电弧增材制造过程电弧特性对熔滴过渡行为的影响机理研究

冷金属过渡(CMT)电弧增材制造技术具有沉积效率高、制造成本低等优势，在航空用大尺寸构件的快速成型领域应用前景广阔。对于电弧增材制造大型构件需采用大电流来进一步提高沉积效率，但在此高电流模式下电弧放电过程对熔滴过渡行为的影响机理尚不明确。因此，本研究采用高速摄像仪观察了电弧增材制造过程中电弧形态及熔滴过渡行为，同时通过建立电弧模型及熔滴过渡模型，分析了在不同电流波段及工艺参数下熔滴过渡频率及熔滴尺寸变化规律，最终揭示了电弧放电过程中电流密度、洛伦兹力等物理因素对熔滴过渡的作用机理。结果表明，电弧宽度与洛伦兹力决定熔滴在电弧放电过程中的受力大小，进而决定熔滴尺寸及其过渡频率。随着送丝速度从5.5 m/min增大至7.0 m/min时，电流峰值持续时间增加了1倍左右，同时电弧宽度与电流密度的随之增加，使得熔滴过渡过程中电磁力上升，熔滴尺寸下降14%且射滴过渡频率增加了3～4倍。当瞬时电流进入熄弧阶段时，熔滴过渡形式转变为短路过渡。随着送丝速度的增加，短路过渡频率从29 Hz减少至20 Hz。     

激光+双丝脉冲MAG复合焊的焊接稳定性

研究激光和Ar+He混合气体中He气体体积分数对激光+双丝脉冲MAG复合焊焊接稳定性的影响。搭建激光+双丝脉冲熔化极活性气体保护(Metal active-gas, MAG)复合焊焊接系统,利用LabVIEW信号采集系统采集焊接电流和电弧电压波形,借助高速摄像系统同步拍摄电弧形态和熔滴过渡过程,实时监测焊接过程。观察后丝短路和前丝断弧情况并对前丝电弧电压进行单因素方差分析,研究Ar+He混合气体中He气体体积分数对焊接稳定性影响;比较焊接过程中激光的有无对熔滴过渡的影响,分析激光对焊接稳定性影响。结果发现随着He气体体积分数增大,后丝对应短路次数增多,当He气体体积分数为50%时,前丝出现断弧现象,大于50%,断弧时间随之增加,焊接稳定性变差;激光+双丝脉冲MAG复合焊和双丝脉冲MAG复合焊相比,加入激光可稳定电弧,为熔滴提供一附加力,该力促进熔滴过渡,使熔滴过渡尺寸减小,加大过渡频率,改善熔滴过渡,提高焊接稳定性。     

铝合金P-MIG焊接熔滴过渡数值模拟

基于流体力学理论和电磁理论,建立铝合金脉冲熔化极惰性气体保护焊(P-MIG)熔滴过渡的二维简化模型,通过应用Fluent软件,并结合用户自定义程序(UDF)和用户自定义标量(UDS)添加动量方程源项、电流连续方程,针对其熔滴过渡过程进行数值模拟,分析峰值电流、峰值时间和送丝速度对焊接熔滴过渡过程的影响规律。模拟结果显示,焊接熔滴过渡频率会随着峰值电流和峰值时间逐渐增加而增加,熔滴过渡类型会随之由多脉一滴过渡到一脉一滴,进而再向一脉多滴转变;送丝速度对熔滴的拉伸长度、脱落时间和实现一脉一滴的脉冲参数范围有一定的影响。对比结果表明,模拟结果和相关文献中的试验结果相吻合,有效地证明了所建立的数学物理模型的可行性。     

激光功率对CO2激光-MAG电弧复合焊电弧与熔滴行为的影响

采用高速摄像系统观测熔滴过渡模式和等离子体形态的变化,并采集焊接过程中的电弧和熔滴图像,利用电弧分析仪记录电弧信号,通过试验深入研究激光功率对CO2激光-熔化极活性气体保护焊(Metal active gas,MAG)电弧复合焊接的电弧形态、焊接稳定性、熔滴过渡频率的影响。研究表明,焊接电流的增加减小了实际热源间距,并且实际热源间距在2 mm附近效果最佳;带电粒子在主辅导电通道内的运动产生扰动或漂移、焊接模式的跳变和过渡模式的改变是电流、电压波形出现紊乱和尖角波形的主要原因;激光的加入降低了熔滴过渡频率和过渡稳定性;焊接电流为160A、180 A时,激光-电弧复合焊接的熔滴过渡频率均随着激光功率的增加而先减小后增大,但其过渡频率介于160 A和180 A电弧焊接时熔滴过渡频率之间。     

激光-电弧复合焊过程的熔滴过渡特征与受力分析

利用高速相机对高氮钢激光-电弧复合焊接过程的熔滴过渡、熔滴形态、等离子体形态进行采集与分析。采用图像处理与数学计算相结合的方法给出熔滴在电弧空间飞行时的受力大小和加速度。初步计算激光产生的金属蒸气对熔滴的反冲力的大小和分布。结果表明:熔滴呈现颗粒过渡的临界焊接电流为180 A附近;熔滴呈现射滴过渡的临界焊接电流200 A附近。激光的加入对电弧具有明显的压缩作用,在熔池表面这种压缩作用更为剧烈。通过观测和计算给出电弧焊和激光-电弧复合焊时熔滴刚脱离焊丝的加速度分别达到70 m/s~2和50 m/s~2。在实际复合焊接过程中,当熔滴落入熔池位置与激光匙孔间距为3 mm时,从激光匙孔喷发的金属蒸气对熔滴的反冲力非常小。激光的加入主要改变了电弧形态,近而改变熔滴上下表面的压力差,使得熔滴在接近熔池表面发生合并和过渡频率减慢。     

波控短路过渡CO_2焊接恒频自适应控制系统

针对短路过渡ＣＯ２焊接工艺的特殊性,基于熔滴与熔池短路阶　段电源输出回路电阻的变化特征,确定了有利于消除瞬时短路及提高熔滴过渡规则性的焊接　电源输出电流波形。在对短路过渡频率及焊丝伸出长度进行实时检测的基础上,采用ＭＣ６８ＨＣ　１１Ａ１单片机为主控ＣＰＵ,　建立了焊丝伸出长度变化前馈补偿—短路过渡频率负反馈控制的波控短路过渡ＣＯ２焊接恒频自适应控制系统,以提高焊接工艺过程的稳定性、抑制焊丝伸出长度变化对焊接工艺过程的扰动。     

短路过渡CO2焊接熔滴形状数值模拟与控制

为了进一步提高短路过渡CO2气体保护电弧焊的工艺性能和焊接质量,根据高速CCD摄像获得的熔滴及其短路过渡图像,分析了熔滴与熔池短路前的形状对熔滴与熔池的短路、熔滴在熔池中的铺展及液桥缩颈形成的影响.采用熔滴静力平衡模型研究了电磁力(燃弧电流)、表面张力、重力与熔滴形状的关系,并通过对燃弧电流的精确控制实现了对熔滴形状的有效控制.当熔滴与熔池短路前为细长形状时,短路过渡过程稳定柔顺,而当熔滴为扁平形状时,则不利于熔滴的短路过渡,甚至产生瞬时短路.燃弧阶段的熔滴形状体现了各种力对熔滴的作用,而电磁力(燃弧电流)是决定熔滴形状的主要因素.根据燃弧电流对熔滴形状的影响规律,提出了采用前期大、后期小的燃弧电流控制原则,以在燃弧的不同阶段获得不同的熔滴形状.试验结果表明该控制方法获得了良好的适合于熔滴短路过渡的短路前熔滴形状,短路过渡过程柔顺稳定,消除了瞬时短路以及由此导致的飞溅,改善了熔滴的短路过渡行为,短路过渡结束后焊丝端部的残余液态金属具有良好的一致性.     

Arc profile characteristics of Al alloy in double-pulsed GMAW

In order to study arc profile variation process with double-pulsed gas metal arc welding of aluminum alloy, a synchronous acquisition system and an analysis system have been established to acquire and analyze electrical signals and instantaneous images of arc profile. The results show that in double-pulse mode, the arc profile is matched with high-frequency pulse and thermal pulse. The droplet transfer mode always accompanies with high-frequency pulse cycle “one drop per pulse.” The arc profile variation and droplet transfer in thermal base are lower than that in thermal peak. The serial-type arc is easier to occur in thermal base stage. High current density distribution at the top and bottom of traveling droplet leads to dazzling region. The variation of wire extension is influenced by thermal pulse frequency. The variance of arc size in thermal base is higher than in thermal peak, which leads arc force to vary with thermal pulse frequency. The variation of the droplet transfer and arc force in double pulse can improve the weld pool mobility.     

高氮钢激光-电弧复合焊接熔池表面流动行为

焊接熔池流动行为是影响焊缝成形和接头质量的关键因素之一,其特征难以直接获取。试验采用ZrO₂颗粒作为示踪粒子,利用高速相机观察示踪粒子运动轨迹,开展高氮钢激光-电弧复合热源焊接熔池表面流动行为的研究。研究结果表明：单独激光焊接时,其熔池的流动主要受匙孔尺寸变化的影响;单独电弧焊接时,其熔池的流动则主要受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响;而激光-电弧复合焊接时,其熔池的流动既受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响,同时,匙孔的存在也会影响其熔池的流动。在激光-电弧复合焊接过程中,示踪粒子的直线移动距离随着焊接电流和电弧电压的增加而增加;而激光功率的改变对其直线移动距离的影响并不显著。研究结果揭示了不同焊接工艺及其参数对高氮钢焊接熔池表面流动行为的影响规律,为高氮钢焊接工艺的选择提供了理论依据。     

高强钢厚板激光-GMAW复合双面同步横焊特性研究

针对30 mm厚船用高强钢10Ni5Cr Mo V对接接头横焊应用需求,开展激光-熔化极气体保护电弧(Gas metal arc welding,GMAW)复合双面同步横焊特性研究。研究结果表明,针对横焊位姿因重力、非对称坡口对熔滴、电弧的影响,利用激光对电弧的吸引和收缩作用,通过减小光-丝间距,有效地抑制了电弧侧壁燃弧,熔滴在电磁力和等离子流力的作用下,稳定过渡到熔池中,实现了熔滴过渡稳定性控制,解决了激光-GMAW复合横焊位姿电弧偏离和熔滴下落等过程控制难题与侧壁未熔合问题;厚板激光-GMAW复合双面同步横焊包括打底层和填充层焊接,其中打底层焊接是保证接头焊接质量的关键;采用激光-GMAW复合双面同步横焊新方法,4道焊接完成了30 mm厚船用高强钢10Ni5Cr Mo V横焊位姿的高强、高效连接。焊缝表面成形良好,无裂纹、未焊透和侧壁未熔合等缺陷。接头的抗拉强度高于母材,且其–50℃冲击吸收能量为57.3 J。     

Investigation on droplet momentum in VPPA-GMAW hybrid welding of aluminum alloys

Variable polarity plasma arc-gas metal arc welding (VPPA-GMAW) is a superior technology for welding thick plates of high-strength aluminum alloys. It integrates the advantages of energy focusing and high penetration depth in VPPA welding, and those of high welding efficiency and wide range of technological parameters in GMAW process. In this work, we investigated the droplet momentum in paraxial VPPA-GMAW hybrid welding of 7A52 aluminum alloys, and the technological parameters of welding process was also optimized. The images of droplet transfer were captured by high-speed camera, while the droplet speeds and sizes were statistically analyzed by t tests of independent samples. The results showed that the speeds of droplet arriving at the weld pool were significantly between GMAW and VPPA-GMAW processes, and the droplet speed increases with increasing plasma currents within a certain range. Meanwhile, the droplet momentum in VPPA-GMAW process is larger than that in conventional GMAW process. We also found that as the droplet momentum increased, the depression of weld pool grew more obvious and greatly facilitated the deep-penetration welding. In VPPA-GMAW process, it became more and more easier for the droplet to fall off the wire when the electromagnetic force gradually increased during pulse period. Droplet movement through the arc zone was further accelerated since the central pressure of arc column increased during base period. This research can provide some theoretical support for thick plate welding of high-strength aluminum alloys and help for deeper understanding of the hybrid arc coupling mechanism.     

变极性等离子弧焊接熔透信息的检测与分析

通过对铝合金3003变极性等离子弧穿孔立焊熔池振荡行为的研究,发现熔池振荡频率与焊接熔透之间的内在规律。在变极性电流的作用下,焊接熔池产生振荡,可以通过对电弧电压频谱分析获得熔池固有振荡频率。分别建立变极性等离子弧穿孔立焊未熔透及完全熔透熔池模型,并分析焊接电流的变化对熔池固有振荡频率的影响,发现焊接电流大小对其影响很小,可以忽略。为了验证该模型的准确性,进行理论与实测分析,结果表明,理论值与实测值相吻合。熔池固有振荡频率主要取决于熔池宽度、深度及材料密度等参数,而其他焊接参数对其没有直接影响。因此,熔池振荡频率可间接反映焊接熔透信息,为焊接质量自动控制提供了理论支持。     

Investigation of melting dynamics of filler wire during wire feed laser welding

In order to investigate the mechanism of stability for the wire feed laser welding process, systematic experiments are carried out in this study for 5A06 aluminum alloy. By using high speed camera, the melting dynamics of filler wires with different feed positions and feed rates are studied. The results indicate that these two factors mainly influence the characteristics of the filler wire melting dynamics and determine the stability of the welding process. The melting dynamics of filler wire can be generally characterized by three different forms: explosion, big droplet and molten metal bridge. When the filler wire melts and transits to the molten pool in the forms of explosion or big droplet, the stability of the welding process is strongly disturbed, resulting in an undesirable weld quality. In contrast, when it is in molten metal bridge form, the welding process is more stable and a uniform weld bead is achieved.     

活性剂增加铝合金交流A-TIG焊熔深机理研究

采用多组元活性剂AF305进行铝合金交流A-TIG焊时,熔深达到传统TIG焊的3倍以上。进行了交流、直流正接和直流反接A-TIG焊,发现极性不同时活性剂对熔深的影响也不同。研究了强制电弧收缩对交流焊熔深的影响,发现弧根整体收缩并不是AF305增加交流A-TIG焊熔深的主要机理,熔深显著增加主要与焊渣成片分布有关。对焊渣进行了SEM形貌观察和EDS成分分析,并采用氦弧焊证实了焊接过程中焊渣在熔池表面成片分布,电弧斑点极大收缩。向AF305活性剂中添加铝粉改变焊渣分布,研究焊渣分布与熔深的关系,证实了焊渣成片分布能增加焊接熔深。认为焊渣成片分布使得电弧斑点极大收缩,斑点压力以及电弧和熔池内的Lorentz力增强,最终焊接熔深显著增加。