低功率激光-TIG电弧复合焊接不锈钢熔深研究

建立了一套低功率YAG脉冲激光-TIG电弧复合热源焊接系统,并用本系统对不锈钢1Cr18Ni9Ti进行焊接.研究了3种热源作用下不锈钢的焊缝熔深.通过引入焊缝有效热输入概念,对复合热源影响熔深的机理进行了分析.     

搅拌头几何特征对搅拌摩擦焊试板温度场的影响

通过实验测量了不同类型搅拌头条件下铝合金焊接试板特征点的温度曲线,分析了搅拌头轴肩尺寸和搅拌针形状对焊接试板温度场的影响。结果表明,轴肩是搅拌摩擦焊接热输入的主要来源,搅拌头轴肩尺寸越大,产生的焊接热量越大,对应试板测温点的温度越高。搅拌头针形对焊接初始阶段试板的温度有明显影响,稳定焊接阶段,试板温度与搅拌针的几何特征及其作用下焊缝金属的塑性流动有关。采用圆台形搅拌针时焊接试板温度最高,采用圆柱形搅拌针时试板温度次之,采用螺纹形搅拌针时试板温度最低。通过对采用圆柱形搅拌针时垂直于焊缝方向上焊接试板温度数据的回归分析,得到了焊接试板宽度方向温度分布的二次解析式。     

铝合金空间热辅助搅拌摩擦焊技术

焊接作为一种重要的制造技术,对于大型空间结构与机构的在轨组装、维修具有重要意义。在总结国外空间焊接技术发展现状的基础上,提出了基于光源同轴加热辅助的空间搅拌摩擦焊技术,并利用激光进行了地面焊接装置研究与工艺试验。结果表明,采用无倾角光源同轴加热辅助搅拌摩擦焊技术,可实现铝合金的可靠焊接;辅助加热可提高焊接速度,降低缺陷发生率。该方法为我国空间焊接技术发展提供了一种新的思路和有益探索。     

辅助冷,热源防止焊凝固裂纹的研究

控制焊缝凝固时所受的拉伸应变是防止焊缝凝固裂纹产生的有效方法之一。利用数值模拟和试验研究了施加辅助冷、热源改变焊接温度场，减少焊缝所受的拉伸应变的规律以及施加冷。热源后对焊接接头组织和硬度的影响。研究表明，辅助热源的能量密度及施加位置合适时，可以有效地降低伸应变，防止凝固裂纹产生；施加辅助冷源也可以降低焊缝所受的拉伸应变，但效果不如辅助热源显著，在本试验条件下施加辅助冷、热泊对焊接接头的组织影响不     

搅拌头材质对搅拌摩擦焊温度场的影响

测定焊接试板及搅拌头自身的温度分布曲线,分析搅拌头材质对搅拌摩擦焊温度场的影响。结果表明,采用不同材质搅拌头,焊接试板及搅拌头自身温度场分布规律相同。焊接试板温度及温度梯度随测温点远离焊缝中心逐渐降低,焊接方向测温点的峰值温度依次升高,前进侧温度高于后退侧。稳定焊接阶段,摩擦产热传递至搅拌头的热量与通过其散失的热量保持动态平衡,搅拌头温度波动很小。采用比热容小、热传导系数大的材料制作搅拌头焊接时,一方面可以向焊接试板输入更多的热量,另一方面其自身散失的热量也更多,焊接试板及搅拌头自身的温度均较高。因此,搅拌头材质的选择应综合评定其热物理特性,以获得摩擦偶之间更高的热效率。     

YAG激光全熔透焊接304不锈钢的熔池温度场预测

基于Rosenthal的移动线热源模型,通过与高速摄像对焊接过程中熔池特征量的测量结果对比,获得了YAG激光全熔透焊接304不锈钢时熔池特征量及温度场分布的预测模型。结果表明,在一定热输入范围内,计算与试验结果符合得很好,但当热输入使熔透焊接过程处于过度熔化和临界熔透时,计算值与试验值的偏差会变大。     

6082铝合金双轴肩搅拌摩擦焊试板温度场研究

采用热电偶测温技术系统测定了6mm6082铝合金双轴肩搅拌摩擦焊试板各特征点的温度变化曲线,分析了双轴肩搅拌摩擦焊过程中焊接试板不同区域的温度场分布特征。双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头上、下轴肩同时产热,比传统搅拌摩擦焊产热量大,且热输入方式及试板接触散热条件也有很大不同,因此,其稳定焊接速度较大,从而导致双轴肩搅拌摩擦焊试板温度场分布特征与传统搅拌摩擦焊明显不同。双轴肩搅拌摩擦焊过程分为加速焊接和稳定焊接两个阶段,起始阶段,随着焊接速度的增加,靠近起始端测温点的温度逐渐升高,而远离起始端各测温点的温度升温则非常缓慢,当焊接速度达到较高的稳定焊接速度,搅拌头接近后续各测温点时,其温度值瞬间急剧升高,然后随着搅拌头的远离,温度值逐渐下降。不同区域测温点温度测试结果显示,靠近下轴肩试板测温点的温度高于靠近上轴肩试板、后退侧的温度明显高于前进侧;与单轴肩搅拌摩擦焊接试板相同,距离焊缝越近的位置温度上升和下降的越剧烈,峰值温度越高;焊接速度提高,各测温点的峰值温度依次降低,随着测温点远离焊缝中心,焊接速度对其温度分布的影响作用逐渐减弱。     

双焦点激光-TIG电弧复合焊接工艺

针对1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的双焦点激光-TIG电弧复合热源焊接工艺进行了初步的研究.通过试验分析了双焦点激光-TIG电弧复合焊接过程中激光功率、电弧电流、热源间距以及焊接速度等工艺参数对焊缝熔深、熔宽的影响.结果表明,双焦点激光-TIG电弧复合热源在一定程度上可以提高焊接速度、焊接质量,降低装配精度,是一种很有应用前景的焊接工艺方法.     

辅助冷、热源防止焊缝凝固裂纹的研究

控制焊缝凝固时所受的拉伸应变是防止焊缝凝固裂纹产生的有效方法之一。利用数值模拟和试验研究了施加辅助冷、热源改变焊接温度场，减少焊缝所受的拉伸应变的规律以及施加冷、热源后对焊接接头组织和硬度的影响。研究表明：辅助热源的能量密度及施加位置合适时，可以有效地降低拉伸应变，防止凝固裂纹产生；施加辅助冷源也可以降低焊缝所受的拉伸应变，但效果不如辅助热源显著；在本试验条件下施加辅助冷、热源对焊接接头的组织影响不大，对硬度也无明显的影响。     

热源与热沉的距离对焊接接头应变影响研究

热源与热沉的距离D是动态控制低应力无变形焊接技术的关键参数之一。采用有限元技术开展了热源与热沉中心的距离对焊接接头应变影响的研究。研究发现:冷却介质的急冷作用使得热源与热沉之间的温度陡降,温度梯度变大,热沉作用处成为焊缝中心线上温度最低的位置;不同的D值引起的焊缝中心点的温度历史不同,塑性应变的历史不同,残余态结果也不同。热源与热沉之间距离越近,拉伸作用越强。热源与热沉中心的距离较近时,可以产生大于加热阶段形成的压缩塑性应变的拉伸塑性应变,从而不仅补偿加热时产生的缩短应变,而且还使焊缝中存在拉伸塑性应变。     

镍基高温合金电子束焊缝形貌预测模型及其验证

针对深熔电子束焊特有的钉形焊缝形貌特征,在综合考虑了熔池和匙孔中能量吸收与再分布效应的基础上,建立了高斯面热源和圆柱体热源组合的移动热输入数值模型。进而利用ANSYS通用有限元软件,对镍基高温合金GH4133电子束焊的完全穿透和部分穿透焊接温度场进行了三维数值模拟,分析中考虑了辐射换热和温度相关材料性能的影响。两种情况下的预测结果与实际接头的焊缝金相轮廓吻合良好,证明了组合热源模型的有效性,为进一步开展热-力-组织多场耦合的准确分析提供了可靠的保证。     

6061铝合金激光穿透焊的焊缝成形

分别采用光纤激光和YAG激光对2.5mm厚的6061铝合金开展了激光穿透焊接试验,研究了主要焊接参数对焊缝成形的影响规律。结果表明,与YAG激光相比,高能量密度的光纤激光更易于实现穿透焊接,且光纤激光获得良好焊缝成形的工艺区间更大。在穿透焊接条件下,焊缝截面形貌分为钉头形和近X形两种。当激光功率较高时,光纤激光焊缝更趋向于生成近X形截面,YAG激光焊缝更易于生成钉头形截面。焊缝成形受激光功率密度和焊接热输入双重因素的影响。随激光功率密度和焊接热输入的增大,光纤激光焊缝截面形貌逐渐由钉头形向近X形转变。     

辅助加热温度对铝合金厚板FSW焊缝成形的影响

对铝合金厚板搅拌摩擦焊（FSW）而言,焊缝底部金属温度低、流动能力差是导致焊缝成形困难的主要原因。为此,本研究采用辅助加热的方式对待焊母材底部进行预热,分析辅助加热温度对厚板搅拌摩擦焊焊缝成形的影响。结果表明,随着辅助加热温度从20℃升高至80℃时,焊缝成形质量先变好后变差,宏观表现为焊缝内部焊核区宽度、高度及面积呈现先增大后减小的趋势,而疏松区面积呈现先减小后增大的趋势。其中,当辅助加热温度为40℃时,焊缝成形质量最好,焊核区尺寸最大,疏松区消失;而当辅助加热温度升高至80℃时,焊缝成形质量最差,疏松区面积最大。研究认为,其主要原因是添加合适的辅助加热温度可显著提高焊核区塑性金属的峰值温度及高温停留时间,塑性金属流动能力明显提高,焊缝成形质量得到极大改善。焊核区塑性金属的迁移方式由沿搅拌针表面向焊缝上部高温区迁移向挤压焊核区周边冷金属横向迁移转变。但是,当辅助加热温度太高时,焊核区塑性金属迁移方式开始转变为原始的沿搅拌针表面向焊缝上部高温区迁移,且此迁移程度有明显增大的趋势,导致焊缝内部疏松区缺陷再次出现。     

2A14-T6铝合金搅拌摩擦焊温度场及黏流层数值模拟分析

针对2A14铝合金搅拌摩擦焊过程,基于CEL数值模拟方法,采用Pressure Independ Multiyield Material模型,进行了不同搅拌头旋转速度与焊接速度条件下温度场有限元模拟分析。根据温度场分布分析了不同工艺条件下搅拌头前端黏流层厚度变化规律。依据搅拌摩擦焊过程中流变层工艺要求与黏流层模拟厚度,预测了不同工艺条件下的焊接质量,进而提出了2A14铝合金搅拌摩擦焊工艺参数控制准则。     

搅拌摩擦焊接机器人形变及载荷控制方法研究

基于搅拌摩擦焊接中搅拌头受力数学模型,利用Ansys Workbench建立了搅拌头的静力学模型。分析了焊接过程中前进阻力、侧向力、轴向力和扭矩对搅拌头应变影响,仿真结果表明,搅拌摩擦焊接过程中搅拌针的根部是主要的应力集中区域。合适的焊接方法与工艺对提高机器人搅拌摩擦焊接稳定性有很大帮助,对搅拌摩擦焊点焊、优化搅拌头设计和焊接工艺参数、热源和超声辅助、反馈测量补偿搅拌摩擦焊、改进机器人结构刚度和精度等载荷控制方法进行了详细阐述。结合工业机器人整体刚性较弱、加工作业时易引发颤振、关节减速器内部齿隙较大,提出了基于双电机传动的无间隙传动高刚性机械臂结构设计,并对机械臂刚度特性进行分析。     

2219铝合金搅拌摩擦焊缝Al2Cu相聚集行为特征分析

对2219C10S状态铝合金进行搅拌摩擦焊接试验,发现焊缝中存在聚集物的异常聚集现象,聚集相在X光检测中显示为亮白色聚集物,主要形态分为团块状、线状和指状三种,聚集相处焊缝的力学性能与无聚集相焊缝的力学性能基本相同。各形态聚集相的分布位置受搅拌头焊接影响区域的不同而不同,团块状聚集相主要存在于焊核中心或偏焊缝上表面位置处,线状和指状聚集相主要存在于焊核中心或偏焊缝根部位置处。对异常聚集相进行能谱分析知,聚集相主要组成元素为Al和Cu,原子百分比近似为2∶1,确定聚集相主要成分为Al2Cu。对聚集相的成因进行分析认为,聚集相的产生主要受搅拌摩擦焊接热输入及搅拌头机械搅拌作用的影响,在焊接过程中,塑态软化金属中的Al2Cu在填补搅拌针后方空腔的过程中出现了聚集行为,随着塑态金属的凝固,聚集行为开始变得缓慢并结束。     

2219薄板铝合金浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接及组织性能分析

以运载火箭助推器贮箱广泛应用的4 mm厚2219薄板铝合金为焊接对象,研制了浮动式双轴肩搅拌头,分析了内部塑性金属流动模式及特点,并推测出需匹配较低焊接热输入才能获得优质焊缝。工艺探索及优化试验结果直接验证了焊缝内部塑性金属流动模式及推测。接头宏观组织形貌分析结果显示:不同焊接速度下的焊缝横截面宏观形貌都可以观察洋葱环特征,且随着焊接速度提高,洋葱环特征越发增多,并从靠近前进侧的焊核区逐渐向后退侧孕育发展,这也有效验证了薄板铝合金双轴肩搅拌头的设计思路。薄板铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头横截面显微硬度分布均呈"U"型,接头显微硬度最低点位于焊核区与后退侧热机影响区的交界处。接头力学性能测试结果显示:随着焊接速度逐渐升高,接头抗拉强度逐渐升高,且当焊接速度达到350 mm/min时,接头抗拉强度达到最高值。铝合金浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接头延伸率整体较高,焊接速度对其影响不大。铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头正、背弯均可以达到180°无裂纹。基于立式纵缝搅拌摩擦焊系统成功实现了2 m长试片的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊,累计焊接长度达到60 m,且双轴肩搅拌头完整,未发现裂纹、扭曲或其他损伤。     

随行辅助预热电子束薄板焊接的数值模拟

电子束焊接薄板过程中,由于局部加热过快,易产生焊接变形。因此,在电子束焊接的主热源两侧引入基于高频扫描技术的电子束辅助热源,进行焊前预热,以达到减小焊接变形的目的。建立了矩形均匀加热辅助热源模型,采用热弹塑性有限元分析方法对1.5mm厚不锈钢薄板随行辅助预热电子束焊接进行数值模拟,并且进行了试验验证。结果表明,焊后残余应力和变形的模拟结果与试验所得结论一致。电子束焊接随行辅助预热方法不仅可以改变熔池前方材料的应力状态,而且当熔池形成瞬间熔池时,还可以减小前方材料的压应力峰值,有利于减小薄板结构的焊接变形。     

激光-GMAW复合热源焊接熔池-小孔行为分析

掌握和深入理解激光-GMAW复合热源焊接过程中的熔池与小孔行为,是实现复合热源焊接工艺参数优化并将其应用于实际工程的前提.综合考虑激光和电弧的热-力作用以及熔滴过渡带入熔池的质量、热量和动量,建立了激光-GMAW复合热源焊接过程的数值分析模型.定量分析了复合热源焊接过程中熔池流体流动与传热过程以及小孔的动态行为.数值分析结果表明,小孔壁面上各种力相互作用和影响,在小孔前/后壁上会周期性地出现微小凸台,小孔孔道处于短暂瞬间闭合与重新张开的瞬时演变状态.熔滴冲击造成的熔池凹陷与小孔周期性合并与分离,加剧了小孔的不稳定性.熔池内形成两个方向相反的涡流,并在电弧下方附近发生交汇.     

电弧风洞加热条件下聚四氟乙烯烧蚀热响应特性

高温加热条件下,由于聚四氟乙烯的热解,对烧蚀温度场计算结果有较大影响,为了提高聚四氟乙烯烧蚀温度场计算精度,建立了聚四氟乙烯烧蚀温度场计算方法,对电弧风洞加热条件下聚四氟乙烯表面烧蚀热响应特性进行了验证研究。理论计算和试验测量结果对比表明:230～323℃升温区间内,随时间增长,温度逐渐升高,理论计算与试验测量结果变化趋势一致;323～680℃升温区间内,随时间增长,试验测量温度逐渐升高,理论计算温度为定值,理论计算与试验测量结果存在一定偏差;680～390℃降温区间内,随时间增长,温度降低,理论计算高于试验测量值,这与理论计算烧蚀量存在偏差有关。采用聚四氟乙烯材料烧蚀温度场计算方法,可以有效模拟高温加热条件下聚四氟乙烯热响应特性,从而为产品设计提供参考。