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穿孔等离子弧焊熔池形成过程的仿真

航空制造技术 2003年第7期46卷 28-30,74页

作者：陈焕明江淑园谢美蓉南昌航空工业学院首都航天机械公司

论述了穿孔等离子弧焊熔池的形成机理 ,建立了运动等离子弧作用下穿孔焊接熔池的三维数值分析模型 ,对不锈钢板对接焊的穿孔熔池形成过程进行了计算机仿真 ,并给出熔池形状的可视化图形结果。

关键词：穿孔等离子弧焊熔池形成过程计算机仿真数学模型

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不锈钢穿孔等离子弧焊热源模型的探讨

焊接 2011年第12期 27-30,69页

作者：胡庆贤王顺尧王艳辉江苏科技大学江苏省先进焊接技术重点实验室镇江市212003

根据K-PAW"倒喇叭"状的焊缝形状特点和热流沿工件板厚方向分布的特点,讨论了计算K-PAW温度场的组合式体积热源。通过比较热源组合模式,得到适合于K-PAW的组合式体积热源作用模式,即沿板厚方向,工件的上部采用双椭球体热源,下部为中心轴... 详细信息

根据K-PAW"倒喇叭"状的焊缝形状特点和热流沿工件板厚方向分布的特点,讨论了计算K-PAW温度场的组合式体积热源。通过比较热源组合模式,得到适合于K-PAW的组合式体积热源作用模式,即沿板厚方向,工件的上部采用双椭球体热源,下部为中心轴热流峰值线性递增的圆柱体热源,计算结果与试验结果吻合良好。同时讨论了能量分配系数γ_1和γ_2的选取及热源作用高度C和H的选取对焊接温度场的影响。结果表明,热源参数选择不合适会导致一个热源的作用淹没另一个热源的作用。

关键词：穿孔等离子弧焊温度场组合式热源有限元

大熔深穿孔等离子弧焊接熔池及电弧行为的视觉检测

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大熔深穿孔等离子弧焊接熔池及电弧行为的视觉检测

作者：李云山东大学

学位级别：硕士

穿孔等离子弧焊接在焊接中厚板时有着独特的优势,其电弧挺度大、电弧温度高、能量密度高,可以在不开坡口的情况下实现单面焊双面成形工艺,生产效率高。随板厚增加,大熔深穿孔等离子弧焊工艺窗口窄,可调裕度低,焊接过程中容易出现熔池液... 详细信息

穿孔等离子弧焊接在焊接中厚板时有着独特的优势,其电弧挺度大、电弧温度高、能量密度高,可以在不开坡口的情况下实现单面焊双面成形工艺,生产效率高。随板厚增加,大熔深穿孔等离子弧焊工艺窗口窄,可调裕度低,焊接过程中容易出现熔池液态金属飞溅、塌陷等问题,焊缝中相应出现气孔、烧穿等焊接缺陷。本文通过对大熔深穿孔等离子弧焊接熔池及电弧进行视觉检测,总结焊接电流参数窗口随工件厚度的变化规律与机理,验证“受控恒定穿孔”控制策略的优越性,揭示了焊接缺陷出现时熔池及电弧的变化规律,对于提高穿孔等离子弧焊接质量具有重要的理论意义和实践指导意义。针对大熔深穿孔等离子弧焊接过程,搭建了以高速摄像机、数据采集卡为核心的视电信号同步采集系统,通过对采集系统的标定以及熔池图像的边缘提取,获得了熔池的特征尺寸。在恒定工件厚度实验中,观察不同的焊接电流下焊接过程中熔池特征尺寸的变化规律。发现随着被焊工件厚度的增加,熔池的长度和熔池宽度均有不同程度增加。探究不同工艺条件下电流合理参数窗口范围的变化规律。当工件厚度为6mm和8mm时,焊接速度在100～300mm/min范围内时,焊接速度越高,焊接电流参数窗口越大。当焊接速度恒定时,随着工件厚度的增加,焊接电流参数窗口减小,当工件厚度达到14mm时,焊接电流参数窗口小于5A,难以获得全熔透的良好焊缝成形。针对14mm厚度的工件进行焊接实验,分析了影响电弧穿透力的工艺参数,确定了参数范围。对“背面恒定穿孔”控制策略验证分析发现,该控制策略能够很好地维持熔池的稳定状态,在焊接14mm厚度工件时具有良好的适应性。同时利用视觉检测方法,分析了大熔深穿孔等离子弧焊接过程中的熔池行为规律,以及焊接缺陷产生时的熔池电弧行为,依据熔池尺寸的变化规律,焊接过程可分为稳定盲孔阶段、不稳定盲孔阶段、穿孔阶段和维孔阶段,且随着焊接电流的增加不稳定盲孔阶段变短;焊接缺陷总是伴随着电弧与熔池尺寸的波动出现,其中焊接气孔的出现往往伴随着电弧不稳定,烧穿伴随着电弧形态出现拖尾的特征。采用视觉检测方法分析了填丝穿孔等离子弧焊过程中的熔滴过渡行为和熔池流动行为。填丝穿孔等离子弧焊接中熔滴过渡形式主要为大滴自由过渡;相比较于不填丝的方式,填丝时熔池流动速度较低,从电弧区域到熔池尾部区域,熔池流动速度按照“增大-减小-增大-减小”的规律变化。

关键词：大熔深穿孔等离子弧焊视觉检测熔池电弧

超声振动辅助穿孔等离子弧焊工艺及其机理的研究

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超声振动辅助穿孔等离子弧焊工艺及其机理的研究

作者：赵晨昱山东大学

学位级别：硕士

穿孔等离子弧焊中,等离子弧不仅作为焊接热源加热熔化待焊工件形成熔池,同时还作为力源在熔池中排开液态金属形成熔透的小孔。然而,常规等离子弧焊接(PAW)还存在穿孔能力和熔池稳定成形不易兼顾的问题。超声振动作为一种辅助能量,在与TI... 详细信息

穿孔等离子弧焊中,等离子弧不仅作为焊接热源加热熔化待焊工件形成熔池,同时还作为力源在熔池中排开液态金属形成熔透的小孔。然而,常规等离子弧焊接(PAW)还存在穿孔能力和熔池稳定成形不易兼顾的问题。超声振动作为一种辅助能量,在与TIG/MIG等自由电弧复合时有较好的工艺效果。那么是否可以将超声振动与等离子弧复合,用以解决常规等离子弧焊接存在的上述问题?本文在这一方面进行了探索。研发了 "超声振动辅助穿孔等离子弧焊接(U-PAW)实验系统",该实验系统包括:超声振动系统、等离子弧焊接系统、控制系统和信息采集系统。针对等离子弧焊枪的结构特点,通过钨极端部将超声振动施加到等离子弧中,进而使超声振动直接作用于等离子弧和熔池。利用激光多普勒测振(LDV)的方式,测量了钨极端部的振动频率、振幅等参数。采用电弧压力测量装置,对等离子弧的压力分布进行测试;通过拍摄等离子弧弧柱图像,证明超声振动能够对等离子弧形状产生影响,使等离子弧弧柱进一步收缩,同时等离子弧高温区发生下移。结果显示,超声振动能够提高等离子弧压力。随着焊接电流的增大,超声对等离子弧压力增大的效果有所降低。在不锈钢板上开展U-PAW工艺试验,在工件背面安装视觉传感器,实时拍摄小孔出口的图像,考察超声振动对等离子弧穿孔能力的影响。在工艺条件相同的情况下,超声振动辅助穿孔等离子弧焊接能够以较低的焊接电流或较高的焊接速度实现穿孔焊透。同时,超声振动能够增大工件背面小孔的尺寸,有效降低小孔的中心后向偏移量。超声振动能够增强等离子弧的挺度,提高小孔成形过程的稳定性,焊缝横断面金相试样照片表明,超声振动能够减小焊缝上部熔宽,促使焊缝中下部熔宽变大,增大深宽比。同时,超声振动利于焊缝表面的稳定成形。等离子弧焊接焊缝金属的微观组织观测结果表明,复合超声振动之后,焊缝中粗大且方向明确的柱状晶转变为细小的等轴晶。对比同一金相试样的上下两个区域,可以发现超声振动的作用自上而下逐渐减弱。这说明超声振动改变了等离子弧的物理特性,进而改善了焊缝金属的微观组织;同时,有一部分超声振动通过等离子弧传递到熔池当中,对熔池的冷却凝固过程也产生了一定影响。

关键词：穿孔等离子弧焊超声振动等离子弧压力小孔图像焊缝成形微观组织

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大熔深穿孔等离子弧焊接工艺试验研究

大熔深穿孔等离子弧焊接工艺试验研究

作者：于长海山东大学

学位级别：硕士

因其独特的电弧特性和小孔效应,穿孔等离子弧焊能够在不开坡口,填丝或者不填丝的条件下单次焊透较大厚度的工件,实现单面焊双面成形焊接工艺,所得焊缝深宽比较大,热影响区窄,力学性能优良。此外,作为三种高能束焊接方法之一,相比较于电... 详细信息

因其独特的电弧特性和小孔效应,穿孔等离子弧焊能够在不开坡口,填丝或者不填丝的条件下单次焊透较大厚度的工件,实现单面焊双面成形焊接工艺,所得焊缝深宽比较大,热影响区窄,力学性能优良。此外,作为三种高能束焊接方法之一,相比较于电子束焊和激光焊,穿孔等离子弧焊接设备成本较低,且焊前准备工作少,焊接生产效率高。因而穿孔等离子弧焊接技术在航空航天等诸多工业领域都有着广泛的应用前景。但是随着待焊工件厚度增加,熔池下塌倾向增大,焊接工艺区间变窄,极大地限制了等离子弧焊接的应用范围。利用对焊接过程中熔池的受力分析,通过调整焊枪的空间姿态改变熔池所受等离子弧压力的作用方向,减少焊接飞溅以及减小焊接过程中熔池的下塌倾向,经大量实验对比,焊枪的最佳倾角为2.75度。通过对比不同脉冲波形对焊缝成形的影响,归纳总结大熔深穿孔等离子弧焊所用波形需具备调整速度快、连续变化以及变化幅度小三个特征。通过对比不同控制策略尤其是控制量与被控制量的选择对焊缝成形的影响,归纳总结控制策略需满足被控制量能准确及时反映小孔状态、控制量能够及时调整焊接热输入两个要求。基于以上分析,提出14 mm不锈钢穿孔等离子弧焊的恒定背面穿孔受控脉冲工艺,即初次穿孔后小孔一直处于开启状态。通过自适应尾焰电压阈值判断尾焰大小,使用变频脉冲及时调整热输入以达到维持小孔稳定的目的。通过开展14 mm厚不锈钢板的穿孔等离子弧堆焊实验,最终得到成形美观、性能优良的焊缝。围绕增强焊接过程稳定性与提高电弧穿透力两个方面,从设备改良的角度研究钨极端部形状、瓷套表面导流槽走向以及喷嘴内腔体末端结构对电弧形态以及焊缝成形的影响。结果表明钨极末端圆台使电弧略微发散,螺旋形导流槽能显著增加电弧穿透力,改进结构的喷嘴能进一步拘束电弧。其中,使用改进喷嘴后,电弧直径最大同比收缩30.23%,电弧扩散角最大同比减小45.89%,所得焊缝熔深最大同比增加30.43%。使用改进喷嘴和带平台的钨极进行焊接实验,最终在平均焊接电流减小14.6%的情况下,以更小的焊接热输入完成14 mm厚不锈钢的穿孔等离子弧焊,所得焊缝正背面成形良好,为更大厚度的大熔深穿孔等离子弧焊的实现打下基础。

关键词：穿孔等离子弧焊深熔焊恒定背面穿孔小孔检测控制

焊枪行走角变化对等离子弧穿孔立焊焊缝成形的影响规律

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焊接学报 2013年第2期34卷 22-26,114页

作者：蒋凡陈树君王龙于洋北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京100124

以5 mm厚的5A06铝镁合金板材为主要研究对象,焊缝的正面熔宽和背面熔宽为成形特征参数,通过正交试验确定焊枪行走角变化对焊缝成形影响的显著性,从能量传递的角度研究了焊枪行走角的变化对等离子弧穿孔立焊焊缝成形产生影响的机理.结果... 详细信息

以5 mm厚的5A06铝镁合金板材为主要研究对象,焊缝的正面熔宽和背面熔宽为成形特征参数,通过正交试验确定焊枪行走角变化对焊缝成形影响的显著性,从能量传递的角度研究了焊枪行走角的变化对等离子弧穿孔立焊焊缝成形产生影响的机理.结果表明,焊枪行走角对焊缝成形的影响在焊接电流和离子气体流量之间;焊枪与试板垂直时正面熔宽最大,而随着行走角的减小,焊缝背面熔宽逐渐增大.焊枪行走角的改变使熔池正面的能量密度以及背面最高温度截面和最大熔宽截面的相对位置发生变化,对焊缝背面熔宽的影响可归结于厚度方向不同截面热源位置的偏离与工件厚度导致的传热滞后之间相互作用的结果.

关键词：穿孔等离子弧焊焊枪行走角焊缝成形正交试验

基于有限元模拟的穿孔等离子超声电弧焊谐振频率的确定

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焊接学报 2012年第10期33卷 21-24,114页

作者：谢伟峰雷玉成朱强夏晓萍江苏大学材料科学与工程学院镇江212013 天津新港船舶重工有限责任公司天津300456

根据穿孔等离子弧焊特点,首先利用改进型三维锥体热源模型建立准稳态条件下的三维熔池模型;然后在频率15～100 kHz的范围内,对低活化马氏体钢(CLAM钢)穿孔等离子超声电弧焊接熔池模态进行分析,计算得到共14阶模态,分布于6个主要频率附近... 详细信息

根据穿孔等离子弧焊特点,首先利用改进型三维锥体热源模型建立准稳态条件下的三维熔池模型;然后在频率15～100 kHz的范围内,对低活化马氏体钢(CLAM钢)穿孔等离子超声电弧焊接熔池模态进行分析,计算得到共14阶模态,分布于6个主要频率附近;最后分析了其中五阶模态的响应情况.结果表明,随频率增加,熔池局部的振动变形越来越剧烈,整体差异性增大.利用该方法可实现超声电弧焊接谐振频率的确定,文中也为超声电弧焊工艺优化提供了一定的参考,可缩短超声电弧工艺设计时间,降低研发费用.

关键词：穿孔等离子弧焊超声电弧 CLAM钢模态分析谐振频率

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熔焊

机械制造文摘（焊接分册） 2000年第3期 13-19页

针对不锈钢穿孔等离子弧焊过程,熔池小孔的特征行为与弧光光谱辐射强度之间的关系进行了光谱试验研究。随着小孔的形成与闭合,弧光光谱辐射强度产生了形似于负脉冲信号的显著跃变,该跃变信号对于预测小孔的形成和闭合是极为有利的。

关键词：激光焊接焊接参数焊接工艺穿孔等离子弧焊电焊机光谱辐射强度二极管激光器焊接规范参数模糊控制器保护气体

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焊接科学和技术的发展及前景

机械制造文摘（焊接分册） 2001年第1期 1-2页