超音频脉冲TIG焊电源拓扑及电弧焊适用性

研制出一台超音频直流脉冲TIG(Tungsten Inert Gas)焊电源,对该电源的拓扑结构及工作原理进行了介绍.与常规直流TIG焊电源相比,该电源可输出不同频率、均具有陡峭的上升、下降沿的脉冲电流,电流变化率大于50A/μs.该电源的基值电流、峰值电流、脉冲电流频率、占空比等焊接工艺参数调节方便,使该电源不仅能够焊接薄板,而且能够适用于中厚板的焊接.通过对比常规直流TIG焊和超音频直流脉冲TIG焊焊接的1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢焊缝的微观组织,发现采用超音频直流脉冲TIG焊工艺的焊缝粗晶区变窄,晶粒细化现象显著.试验结果表明:所研制的超音频脉冲TIG焊电源具有良好的弧焊适用性.     

高强铝合金复合脉冲VPTIG焊缝组织和性能

采用超快速变换复合超音频脉冲方波变极性TIG电弧焊接工艺进行2219-T87高强铝合金焊接,研究分析了焊缝显微组织和接头拉伸性能变化.结果表明,2219-T87铝合金复合超音频脉冲电流变极性焊接接头的组织和性能均发生显著变化,焊缝区显微组织明显细化,由粗大柱状晶向细小等轴晶转变,接头抗拉强度和断后伸长率显著提高.接头断口由脆性断裂主要特征转变为"韧性+脆性"的混合型断裂模式.在一定范围内,脉冲电流频率越高,脉冲占空比越小,作用效果越明显.复合超音频脉冲电流频率为40 kHz,脉冲电流占空比为20%时,接头抗拉强度和断后伸长率分别达到母材金属的70%和58%.     

超快变换复合脉冲方波变极性TIG电弧行为

基于一种新型超快变换复合脉冲变极性电路变换拓扑,在正极性电流持续期间,叠加超音频直流脉冲方波电流,获得了过零无死区时间且具有快速电流上升沿和下降沿变化速率的复合超音频脉冲变极性方波电流,将其应用于铝合金的变极性TIG焊接过程,试验研究复合超音频脉冲方波变极性TIG电弧电学特性及其对铝合金焊缝成形等行为的变化规律.研究结果表明:超音频脉冲方波电流对变极性TIG电弧具有显著的收缩效应,电弧径向尺寸明显减小,在一定范围内提高脉冲电流频率,减小脉冲占空比,增加脉冲电流幅值,可提高铝合金焊缝熔透率,有利于改善和提高铝合金的焊接质量.     

快变换超音频直流脉冲GTAW电弧行为

基于超音频直流脉冲钨极氩弧焊(GTAW,Gas Tungsten Arc Welding)电源输出脉冲电流沿变化率di/dt≥50A/μs的超音频直流脉冲方波电流,将其用于0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢GTAW焊接过程,研究分析了焊接电弧特性、电弧力及焊缝熔透特性.结果表明:超音频直流脉冲方波电流参数对电弧电学特性、形态及电弧力产生显著影响,与常规直流GTAW相比,快变换超音频直流脉冲GTAW电弧表现出明显的收缩效应,焊缝熔深在一定范围增大,熔宽减小,平均电弧力大幅增长,焊接效率提高.     

飞机蒙皮铝合金超声辅助搅拌摩擦焊试验分析

针对飞机蒙皮对接时,因搅拌摩擦焊(FSW)工艺窗口狭窄易致底部虚焊、弱连接等缺陷问题,为了探索更适合大飞机蒙皮长程稳定焊接的新方法,设计了超声辅助搅拌摩擦焊(UAFSW)与FSW的蒙皮连接对比试验,采用1.8 mm厚度的2524-T3铝合金进行了同种工艺条件下的UAFSW与FSW焊接,对表面成形良好、内部无缺陷的FSW与UAFSW焊缝,进行了拉伸、金相、扫描电镜观察等对比分析试验。结果表明,与FSW焊缝相比,UAFSW焊缝缺陷率明显降低,工艺窗口扩大;UAFSW焊缝表面纹理更细密,层叠现象消失;UAFSW焊缝的平均抗拉强度略高于FSW焊缝,达到母材强度的90.7%;UAFSW焊缝的平均延伸率则比FSW焊缝高20%左右。研究发现,超声的加入使UAFSW焊缝微观组织更细更均匀,晶粒尺寸变细小,且晶粒沿轧制方向的规律性被打乱,呈现无明显方向的杂序排列。     

新型脉冲电子束焊接偏压电源设计

开发了一种由偏压基值产生电路和偏压脉冲产生电路组成的新型脉冲电子束焊接偏压电源,该偏压电源装置能够实现直流偏压和脉冲偏压自由切换,即在同一套装置上既能够实现常规连续束流电子束焊接,又能够实现脉冲电子束流焊接.偏压基值产生电路控制偏压脉冲基值,偏压脉冲产生电路分别控制偏压脉冲峰值、偏压脉冲频率和偏压脉冲占空比.偏压电源的脉冲频率、占空比、脉冲基值和脉冲峰值均可调节,对应实现脉冲束流的脉冲频率、占空比和脉冲峰值调节.试验证明在平均束流焊透相同材料时,相比连续束流电子束焊接,脉冲电子束焊接热输入减少,焊缝宽度有减少趋势.     

超音频复合脉冲GMAW电源设计

提出了一种全新的脉冲熔化极气体保护焊(GMAW)方法,并研制出新型超音频复合脉冲GMAW电源,即在传统脉冲GMAW电流基础上复合叠加频率为20~80 k Hz、电流幅值为0~100 A、占空比为0%~100%的连续可调的超音频脉冲电流。设计了并联结构的主电路拓扑及MCU+DSP双处理器数字化控制系统,通过软件编程实现了电流给定信号与PWM信号的同步输出及不同逻辑组合,可实现不同工作模式的焊接电流波形输出。对电源输出电流波形的测试结果表明:本文所设计的超音频复合脉冲GMAW电源输出电流波形满足不同工作模式的设计目标,超音频脉冲电流频率在80 k Hz时,仍保持较快的电流上升沿与下降沿变化速率。初步进行了铝合金平板堆焊试验,焊缝成形良好。     

高压脉冲电子束的控制及其对焊缝形貌影响

研制出一台150 kV/30 kW高压脉冲电子束焊机,介绍了控制脉冲束流产生的偏压脉冲电源拓扑电路结构及脉冲束流频率、占空比、束流基值、束流峰值的调节控制技术.在0~1 kHz频率范围内,该电源可输出最大幅值200 mA的脉冲电子束束流,且工艺参数调节方便.分别采用脉冲束流与连续束流电子束工艺焊接了1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢,对不同工艺的焊缝形貌进行了对比分析.与连续束流电子束焊接工艺相比,采用脉冲电子束焊接工艺的焊缝熔深增加,深宽比增大;对于脉冲电子束焊接工艺,占空比给定时,随着束流频率增加,焊接缺陷减少.试验结果表明:脉冲束流频率、占空比是影响焊缝成形的关键工艺参数;脉冲调制方式控制偏压是获得高压脉冲电子束的理想控制技术之一.     

00Cr18Ni10N奥氏体不锈钢焊接接头应力腐蚀特性

采用恒载荷应力腐蚀实验方法和表面显微分析方法研究了3.5% NaCl水溶液中00Cr18Ni10N奥氏体不锈钢母材及焊接接头的应力腐蚀开裂行为.通过应力腐蚀120 h后剩余强度的损失量分析来比较00Cr18Ni10N母材及其焊接接头的应力腐蚀性能，并利用金相显微镜和扫描电镜研究了00Cr18Ni10N钢焊缝区、热影响区与母材的显微组织差别和应力腐蚀开裂断口形貌.结果表明，焊接接头的应力腐蚀断裂位置均位于焊缝区，在较高应力水平90%σ_0.2下00Cr18Ni10N母材的强度损失较焊接接头低13.02%，母材的抗应力腐蚀性能优于焊接接头.断口形貌分析表明，00Cr18Ni10N母材和焊接接头在应力和腐蚀介质的共同作用下发生断裂，断口显现出沿晶断裂和韧窝断裂的形貌特征.     

焊接缺陷对异种铝合金TIG对接接头疲劳行为的影响

以5A06-O/7A05-T6异种铝合金钨极氩弧焊（TIG）对接接头为对象，通过疲劳试验数据和断口形貌分析，研究了气孔缺陷和未熔合缺陷对焊接接头疲劳性能的影响规律及机理。结果表明:气孔缺陷和未熔合缺陷对5A06-O/7A05-T6对接接头的疲劳性能均产生不利影响，且缺陷的大小、位置与载荷的交互作用是影响疲劳裂纹提前萌生的主要因素，同一应力水平下，疲劳裂纹更易萌生于尺寸较大且位置更接近于材料表面的焊接缺陷处，而随着应力水平的降低，焊接缺陷对焊接接头疲劳性能的不利影响更为显著；与气孔缺陷相比，未熔合缺陷边缘的应力集中效应更明显，更易导致疲劳裂纹萌生，且焊接接头组织相较于焊接母材组织更脆，疲劳裂纹以穿晶和沿晶形式交替扩展，使疲劳寿命进一步缩短。      

Mechanical behavior of the metal parts welded with extraterrestrial regolith simulant by the solar concentrator in ISRU & ISRF application

The use of in-situ resources plays an important role on future extraterrestrial human activities for the facility repair and habitat construction, especially in sustainable space exploration of Moon and Mars. A method of the metal welded with extraterrestrial regolith simulant using solar processing under ambient conditions is presented. Metal parts are made of Q235B ferroalloy and TA2 titanium alloy into standard tensile members according to the ASTM code. They are disconnected from the middle in advance, and then welded together with lunar and Martian regolith simulant under ambient conditions, respectively. The entire welding process and precautions are detailed. Additionally, the mechanical behavior of weldments is characterized regarding their tensile strength. Furthermore, the fusion zone of weldments is studied by Scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction (XRD) measurements. The results show that it is possible to weld metal parts together with extraterrestrial regolith simulant by the solar concentrator. The average ultimate tensile strength of ferroalloy specimens welded with lunar and Martian regolith simulant is 2.94 MPa and 1.66 MPa; The average ultimate tensile strength of titanium alloy specimens welded with lunar and Martian regolith simulant is 4.95 MPa and 2.59 MPa. Moreover, the failure mode of all weldments was brittle failure. The welding joints strength derives from the phases that the regolith as the solder fusing into ferroalloys in a homogeneous way and titanium alloys in an inhomogeneous way. The presented method may provide a new thought for astronaut assistance associating with repairing and fabricating in subsequent Moon and Mars missions.     

航空发动机薄壁机匣激光焊接有限元数值模拟

针对航空发动机的关键部件之一--燃烧室薄壁机匣建立了激光焊接的数值分析模型.基于SYSWELD软件的焊接分析功能,运用有限元分析方法研究了燃烧室薄壁机匣环缝焊接时引起的焊接变形,模拟了薄壁机匣激光焊接时的温度场、应力场以及变形情况,同时对焊接模拟中的热源问题从数学上进行了分析和探讨.在此基础上结合整个薄壁机匣的实际工作状况对模拟结果进行了定性分析,验证了分析方法的可行性,为实际薄壁机匣焊接提供了理论依据,有助于薄壁机匣焊接工艺方法的改进.该分析方法对焊接领域类似问题的处理也有借鉴意义.     

304不锈钢旋转双焦点激光-TIG复合焊接

为了提高激光-电弧复合焊接质量,提出了一种新的焊接方法--旋转双焦点激光-TIG(Tungsten Inert Gas)复合焊接.运用自行研制的旋转双焦点激光-TIG复合焊接头对304不锈钢进行了不同焊接参数下的工艺试验,并分析了焊接参数对焊缝成形的影响.结果表明在旋转双焦点激光-TIG复合焊接过程中,焊接电流和激光功率的大小和相互配合是2个热源能否有效耦合的关键因素,而旋转频率的大小对焊缝的熔深、熔宽影响不大,通过旋转双焦点激光和电弧的耦合作用可以有效地提高焊接热源的利用率.     

模拟海洋环境中两种结构钢焊接接头腐蚀特性

采用周浸实验模拟海水周期浸润环境,中性盐雾实验模拟海洋大气环境,加以恒载荷拉伸应力条件研究了10CrNi3MoV和12MnSiNiCrMo两种结构钢焊接接头的腐蚀特性,并测试分析了其焊接接头各处的动电位极化曲线.通过金相分析研究了两种钢焊缝区、热影响区与母材的显微组织差别.结果表明:两种钢的焊缝区较母材更易发生腐蚀,应力腐蚀断裂位置均位于焊缝区,且焊缝区腐蚀电流密度最大,母材最小;10CrNi3MoV钢焊接接头的耐蚀性能要好于12MnSiNiCrMo钢,在较低和较高应力水平下10CrNi3MoV钢焊接接头的耐应力腐蚀性能也优于12MnSiNiCrMo钢,同时12MnSiNiCrMo钢各区腐蚀电流密度都远大于10CrNi3MoV钢.焊接后不同区域金相组织的差别是造成上述现象的原因,母材区适量的针状铁素体能够保持其强韧性和耐蚀性,焊缝区过量的铁素体则导致其耐蚀性和耐应力腐蚀性能降低.     

航空发动机燃烧室安装座相贯线焊缝焊接模拟

针对航空发动机的关键部件之一--燃烧室安装座建立了相贯线焊接的数值分析模型.基于SYSWELD软件的焊接分析功能,运用有限元分析方法研究了燃烧室安装座相贯线焊接时引起的焊接变形,模拟了安装座相贯线焊接时的温度场、应力场、相变以及变形情况.结合整个安装座的实际工作状况对模拟结果进行了分析,同时对相贯线焊接过程中产生的变形从数学上进行了分析和探讨,得到了安装座相贯线焊接模型的变形分布及位置,为实际焊接提供了理论依据,有助于安装座焊接工艺的改进.该分析方法对焊接领域诸多类似问题的处理也有借鉴意义.