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[硕士论文] 张洋凯
机械工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着现代工业的快速发展,高强度和耐热材料逐步应用于航空航天以及高精尖端领域,这些材料往往是具有高强度和低热导率而难以被机械加工的,需要非常高的切割能量,且切割时产生大量热导致刀具的损坏。磨料射流技术在近二十年正在被市场逐步推广,因其切割成本低和断面质量好而著称,但切割时所需能量也较高,断面易形成拖尾,影响产品的质量。
  针对上述问题,本文提出了热力辅助射流切割靶物金属的方法,以45号钢作为研究对象,通过外接热源局部或整体的对靶物金属进行加热处理,后利用前混合磨料水射流切割机进行切割,并对切割后的靶物金属进行分析研究,通过试验研究外部热源与磨料射流切割靶物金属的耦合影响,并与单一磨料射流切割金属靶物进行比较分析,研究热力辅助射流切割金属靶物的可行性。
  首先,基于正交试验方法,设计了局部加热辅助射流切割混合水平正交试验,并利用拟水平法对试验进行处理,利用光切法高倍显微镜对断面的不平度平均高度进行观测,得出局部加热金属断面的质量随着靶物加热温度的增加而降低。针对局部加热试验,设计了整体加热金属靶物辅助射流切割加工的混合水平正交试验,着重研究温度因素变化对射流切割断面质量的影响,得出整体加热金属断面质量随着靶物温度的提高而降低,并利用读数显微镜对射流切割断面的宽度进行了测量,得出断面的宽度随着靶物加热温度的提升而降低,对靶物的断面厚度进行了测量,得出厚度随着靶物加热温度的提高而降低,并对靶物的断面防锈蚀能力进行了观测,得出随着靶物加热温度的提高,断面的防锈蚀能力得到显著提高。
  并通过ANASY-FLUENT软件对射流的喷嘴流场进行建模分析,考虑射流出口对射流的影响,设计了内凹模型,并对靶物内部温度场的变化进行模拟。针对磨料射流切割金属靶物,提出了射流切割的悬崖—无边界假设,将射流切割断面时的综合切割因素划分成悬崖与无边界两种假设,考虑材料内部分子间的团聚力对切割的影响,对射流切割时靶物的两种状态进行分析探讨,并对磨料射流切割靶物时产生的拖尾进行分析研究,从能量的角度分析主要是由能量不足的滞留、反弹射流与下一段的射流的综合影响导致,在能量不足处,形成斜向下的规则断面。对加热靶物金属内部晶体滑移进行分析,加热导致靶物软化,与射流作用后导致接触面硬化,增加了射流切割靶物的难度,接触时,靶物与射流发生强制对流换热,靶物金属进行热量的传导。最后,对射流切割延性金属靶物的基本模型进行了研究。
  通过对局部和整体加热靶物辅助射流切割进行试验分析和结果分析,对射流的喷嘴流场进行模拟,考虑热力因素对射流切割质量的影响,得出以下结论:热力辅助射流切割削弱了射流切割的断面质量,减小了割缝的宽度,增强了断面的防锈蚀能力。
[硕士论文] 姚茜
土木工程;结构工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:焊接空心球节点因其构造简单、施工方便、受力合理等特点被广泛运用于大型空间结构中。由于焊接空心球节点是通过焊缝将空心球与钢管连接起来,其焊接过程必将存留大量的残余应力,甚至有焊接残余应力超过材料屈服强度的情况存在,所以不能忽视焊接残余应力对焊接空心球节点性能的影响。而以往关于焊接空心球节点有关极限承载能力和刚度的研究鲜有考虑焊接残余应力的影响,本文主要研究焊接空心球节点的焊接残余应力分布模式,并分析其对焊接空心球节点极限承载力和刚度的影响规律。
  本文运用有限元软件ANSYS模拟焊接过程,得出焊接温度场和应力场,总结出焊接空心球节点的焊接残余应力分布规律。基于焊接残余应力分布模式,分别开展焊接空心球节点消除与不消除焊接残余应力情况下的模拟加载研究,揭示焊接残余应力对焊接空心球节点极限承载力和刚度的影响规律。
  本文的主要研究工作有:
  ①建立焊接空心球节点有限元模型,采用瞬态热分析模拟焊接过程;选取合理单元,考虑材料性能参数随温度变化的非线性特点,运用生死单元法模拟焊缝的填充过程,得到不同时刻下的温度场分布云图,总结分析焊接过程中的焊缝区域时变温度场变化规律。
  ②基于焊接温度场分析结果,计算焊接空心球节点不同时刻下的瞬时应力及焊接残余应力,得到焊接残余应力在焊缝中心线、钢管和空心球上的分布特征与规律。参数化分析焊接空心球节点的球径D和壁厚t、钢管直径d和壁厚δ等因素对焊接残余应力分布模式的影响规律。
  ③基于焊接残余应力的分布规律,对比分析焊接空心球节点在有无焊接残余应力影响下的极限承载力;参数化分析焊接残余应力随着几何尺寸(空心球直径D和壁厚t、钢管直径d和壁厚δ等)的变化对焊接空心球节点极限承载力的影响机制。
  ④基于焊接残余应力分布规律,计算荷载作用下焊接空心球节点的实时刚度,对比分析焊接空心球节点在有无焊接残余应力下的节点刚度的变化情况。参数化分析焊接残余应力随着几何尺寸(空心球直径D和壁厚t、钢管直径d和壁厚δ等)的变化对焊接空心球节点刚度的影响规律。
[硕士论文] 林文宇
机械工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:智能化焊接技术是智能制造业的重要组成部分,其技术水平的提高能极大地促进焊接工业的发展。国内外研发的智能化焊接系统普遍存在适应范围小,造价昂贵的特点,无法适应深孔自动化焊接过程的需要,目前已采用的悬臂式焊接方式,又容易造成焊枪支撑头倾斜,触碰管道内壁造成歪焊、断焊等问题,极大地影响了焊接管道件的焊接质量和修复效率。
  针对以上情况,本文提出了一种智能化深孔焊接系统,通过对该系统机械和电控部分的联合设计,来解决上述难题,本文主要研究内容如下:
  (1)对本系统中的机械部分三脚架支撑机构、丝杠传动机构、旋转机构和焊接输送机构进行了合理的计算,完成了整体结构的设计;
  (2)对极限缸径下的三脚架支撑机构进行了ANSYS Workbench静力学分析,验证了力学结构的可靠性,对焊接过程中深孔管道件的温度场、应力场进行了瞬态热力学仿真分析,确定了最佳的焊接时机和焊丝与深孔焊接件融合及冷却的规律,对焊接过程提供指导依据;
  (3)对本系统中的电控部分进行整体的控制方案和运行流程的分析,完成了电控驱动软元件的选型,PLC控制系统设计和MCGS界面设计,完成了硬件线路的连接和优化设计;
  (4)完成了物理样机的搭建与试验,试验结果表明本系统各子系统正常运行,MCGS人机交互良好,通过综合试验进一步验证了深孔焊接系统设计的合理性。
  本深孔焊接机构采用的三脚架支撑机构能最大程度的避免焊接过程中存在的歪焊、断焊等问题,本深孔焊接系统的实现和应用可极大地提高深孔焊接件的焊接工艺和质量,实现可控、安全和高效的自动化生产,对国内相关智能化焊接领域的生产起到了一定的积极作用。
[硕士论文] 周恒夫
车辆工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:随着轨道车辆的高速化发展,对车体材料的要求越来越高。铝合金具有耐蚀性好、比强度高、拉伸性能好等特点,在轨道车辆车体上的应用得到世界各国的认可。由于铝合金的热导率大、热膨胀系数大等特点,焊接时极易产生焊接热裂纹,给轨道车辆生产带来了一定的困难。因此,分析铝合金焊件几何形状与焊接变形、残余应力应变的关系,对以减小焊接变形和残余应力为目的的高质量轨道车辆铝合金焊件结构设计的选择上具有一定的指导作用。
  本文在ABAQUS平台上,以5052铝合金管状焊件和板状焊件作为模拟对象,热-弹-塑性有限元数值分析理论为基础,考虑材料的热物理性能非线性和几何非线性,建立三维有限元模型。采用充分考虑温度场和应力变形场双向耦合作用的直接耦合法,考察焊接速度为10mm/s、11mm/s和热源功率为1540w、1820w下焊件焊后温度场、塑性应变场分布变化,得出基于直接耦合法探究的焊接工艺参数对铝合金焊件焊接影响的相关结论。在此基础上,选择热源功率为1820w和焊接速度为10mm/s,以直接耦合法展开对板状焊件和管状焊件的温度场、应力场和焊接变形的考察,分析不同几何形状焊件的焊接热输入和焊接热损失的平衡状态,就温度场和拘束度双方面作用对比不同几何形状的铝合金焊件的焊接变形量和残余应力的大小。通过以上相关的模拟,实现铝合金焊件不同几何形状对焊接变形和残余应力影响的研究探索。
  根据模拟研究得出:焊接速度在一定范围内的改变对铝合金板状焊件纵向残余应力的分布影响较小,而对横向残余应力分布影响较大,最大应力改变幅度为3MPa,改变量占比31%。热源功率在一定范围的改变使得焊接残余应力差异性在横向分布上表现明显,而在纵向分布上表现不明显,横向残余应力最大改变幅度为21MPa,改变量占比181%。同时焊件几何形状的不同,主要引起焊接时温度场和拘束度双方面的不同而产生对焊接变形和残余应力的影响。一方面几何形状的不同导致焊件的拘束度不一样,影响焊接时的塑性变形,进而影响残余应力。另一方面几何形状对焊件和外界的热交换的影响也较大,温度最大改变幅度在形成稳定熔池阶段,为191℃,最大改变占比在冷却阶段,为122%。相应的影响焊件在高温阶段时长,温度场的不同,影响焊件的材料性能,这样屈服强度处于低值的时间不等,因而发生最大塑性变形量也不一致,松弛了焊件整体内应力的量也不等,所以会影响焊后残余应力。模拟的两焊件最大变形量相差1.35mm,最大改变占比为540%。双方面影响的大小还得视具体的形状改变量来判定。
[硕士论文] 张青
机械工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:焊接技术作为传统的机械加工工艺与连接方法,广泛的应用于汽车制造、造船和航空航天业等领域,在国民工业中占据着非常重要的地位。但焊接是涵盖热力学、金属组织相变和氢浓度扩散不均匀等因素的高度非线性加工工艺,同时焊接过程中焊缝和母材温度单元活动的差异性,不仅造成焊件焊后较大的焊接残余应力和焊接变形,更甚者影响结构的疲劳寿命。传统的经验法和解析法不仅在精度上存在误差,而且效率低下,完全不能用于指导焊接工业生产。随着计算机硬件水平的提高和有限元法的运用,从实际焊接工艺出发,完全考虑焊接力学(应力应变场)、热学(温度场)和金相学(显微状态组织)三者直接的相互耦合关系,高效精确的对焊件的残余应力、焊接变形和氢扩散进行预测分析。
  焊接残余应力、焊接变形和氢扩散浓度是影响结构产生裂纹的重要因素,影响焊件产生残余应力、焊接变形和氢扩散的因素众多,如力学边界条件的约束、焊缝在焊件中的位置、焊接层数和方向和焊后热处理工艺等因素,而焊件顺序对焊件残余应力、焊接变形和氢扩散浓度的影响却鲜有提及,尤其是焊接顺序对氢扩散质量分数的影响研究更是少有报告。同时,工业生产中结构较为复杂,结构的焊缝众多,合适适用的焊接顺序对焊件的残余应力、焊件变形和氢扩散浓度的减小起着举足轻重的作用,因此,如何从多方面角度和不同的研究背景精确高效分析焊件残余应力、变形和氢扩散浓度问题一直是焊接数值仿真领域的焦点问题。
  鉴于上述的研究背景,本文根据焊接结构传热学理论和实际焊接经验,运用直接偶合算法,以T型接头结构为研究对象,运用大型有限元分析软件ABAQUS和Fortran语言编写的Dflux热源子程序,针对左右两侧焊缝不同的热源加载工艺,开发了四种不同的焊接顺序,并编写每种焊接顺序的Dflux热源子程序,研究焊接顺序对6063铝合金材料T型接头残余应力、焊接变形的影响,结果表明:焊接顺序对T型接头等效残余应力和横向残余应力大小和分布影响不大,只对纵向残余应力的大小有一定的影响,其中方案1和方案3焊件所产生的纵向残余应力最小,方案4所产生的纵向残余应力最大;焊接顺序对T型接头焊接变形有较大的影响,其中方案2中焊件产生的变形量最大,而方案4的变形量最小,焊件变形量可以减小38%左右。由于氢扩散在传统的铝合金材料中扩散不明显,因此,以HQ130钢材料T型接头为研究对象,研究四种不同焊接顺序对氢扩散浓度的影响。结果表明:焊接顺序对扩散氢峰值浓度影响甚微,但对扩散氢的分布有着较大的影响。
[硕士论文] 周亮
机械工程;机械制造及其自动化 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:焊接是船舶等大型结构制造中主要的连接方式,而且近年来在材料加工领域中占有十分重要的地位。虽然焊接可以将材料进行永久性的连接,但是在焊接加工过程中,由于材料属性的非线性和温度不均匀的变化等复杂因素,导致焊后结构件内部会存在应力分布以及外表面发生变形,从而出现材料力学性能降低、使用寿命缩短等现象。并且在实际工程中,焊接件在实施焊接前都会经过一系列的热加工和机械加工。如此以来,焊件在焊接前都会存在一定的初始残余应力分布。
  基于上述研究背景,为了研究初始残余应力对焊接残余应力分布及其数值的影响,本文建立了热轧制成形和焊接制造的有限元模型,探讨薄板在经过热轧制加工后产生的残余内应力对焊接过程的影响。研究中将轧制引起的残余应力继承到焊接预测分析中,开发了三维热-弹-塑性有限元计算程序,基于热力直接耦合法,以板厚为5mm的Q235钢对接焊为例,对其焊接残余应力和变形的预测进行了数值模拟,其中考虑到了金属材料物理性能和力学性能随温度变化的特点。得到了焊接残余应力的分布规律:焊缝周围的金属在施焊过程中,热应力呈压应力分布状态并渐渐增大;冷却过程中,内应力性质发生了转变,即由压应力逐渐减小之后转变为拉应力。冷却至室温后,在沿垂直于焊缝方向上,残余应力呈对称分布。焊缝和热影响区呈现拉伸残余应力分布,母材区域则呈压缩性残余应力状态。沿焊缝方向上,残余应力同样呈对称分布的规律:焊缝中部金属受压和焊缝两端金属受拉。之后通过分析对比薄板是否考虑初始残余应力的两种方案的计算结果,得出了在沿焊缝方向和垂直于焊缝方向上,两种方案计算得到的残余应力分布规律相似,但在数值上有差别。
  介绍了薄板结构稳定的相关理论,并采用特征值屈曲分析方法计算焊接屈曲变形,得到了前四阶屈曲特征值和模态变形图。通过分析得知,选用合理尺寸的板件或施加特定的边界约束条件,可以提高焊接结构件的临界屈曲载荷,进而可以避免在焊接过程中出现失稳变形。最后得到了判断焊接过程中是否出现失稳变形的依据。
[硕士论文] 卞功文
车辆工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:搅拌摩擦焊接过程中,焊缝区域会存在比较大的温度梯度,并且温度场会随着搅拌头的移动而发生变化。这种在时间以及空间上的不均匀加热以及冷却过程,都会引起焊接残余应力以及残余变形,焊接残余应力会影响结构件的损伤容限和疲劳寿命,残余变形则会影响构件的装配,所以研究搅拌摩擦焊的残余应力分布、残余变形以及疲劳寿命都具有一定的工程实用价值。虽然实验手段可以研究其残余状态,但是容易受到周围环境的影响且时间周期比较长,所以采用数值方法对搅拌摩擦焊过程进行研究是非常有必要的。
  本文中采用数值模拟的方法研究了平板对接焊的温度场、残余应力场分布以及焊后变形,并且使用单一变量控制法,通过改变不同的焊接参数对搅拌摩擦焊的过程分别研究;然后开展焊接残余应力对焊接构件疲劳影响的研究。本文中的各章节安排如下:
  第一章对搅拌摩擦焊接技术的研究进展进行了综述,主要包括搅拌摩擦焊的焊接原理以及焊接工艺参数、搅拌摩擦焊接构件的温度场、搅拌摩擦焊接构件残余状态、搅拌摩擦焊接接头处微观组织的分布以及疲劳性能的研究,并概述了本文中的主要工作内容。
  第二章介绍了搅拌摩擦焊接热力耦合模型的基本理论。
  第三章建立了顺序热力耦合有限元模型,并且将通过ABAQUS子程序编写了搅拌头移动热源的程序,对搅拌摩擦焊的焊接过程进行数值模拟仿真。
  第四章通过对搅拌摩擦焊接的顺序热力耦合仿真分析,获得了焊接温度场、应力场分布以及焊接残余变形的分布云图及变化曲线,得出一般性规律:在搅拌摩擦焊接过程中温度场的分布以搅拌头为中心向四周呈现半椭圆的分布;残余应力主要分布在焊缝区域,且主要以纵向残余应力为主,在垂直于焊缝方向呈现“M”状分布,沿着焊缝方向呈现抛物线分布;焊接变形主要在焊缝区域呈现向下凹的趋势。
  第五章使用控制变量法,对搅拌摩擦焊的焊接工艺参数搅拌头的转速、焊接速度、轴肩半径进行控制,研究焊接参数对搅拌摩擦焊的温度场以及残余应力场的影响规律。
  第六章研究了残余应力对焊接构件疲劳的影响。研究发现在焊缝处的残余应力主要与拉伸残余应力的形式存在,并且由于拉伸残余应力的存在降低了构件的疲劳寿命,可以通过改变焊接参数从而减小焊缝处的残余应力,从而提高焊接构件的寿命。
  第七章对本文中的工作做了总结,并对以后的工作做了展望。
[硕士论文] 顾栩
机械工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:本文研究的连续变截面管(TRB管)为差厚管,由厚度连续变化的轧制差厚板(TRB,Tailor Roll Blank)通过焊管工艺制造而成,与差厚拼焊管的不同之处在于存在过渡区和无壁厚突变。为了掌握TRB管在液压胀形中的成形规律,本文研究了TRB管液压胀形过程中过渡区的变化规律、过渡区参数对成形性能的影响规律、不同管坯参数对变形协调性的影响规律和TRB无轴向补料成形阶梯管的研究。
  为了研究过渡区在液压胀形过程中的变化规律,建立不同参数的TRB管液压胀形模型,研究了过渡区长度、厚度差和长度比在胀形过程中对过渡区移动量和伸长量以及对管件最大减薄率的影响规律。结果表明,过渡区长度为60mm是变化趋势中的一个分界点,过渡区长度增大,移动量和最大减薄率减小,减小速度先快后慢,过渡区长度大于60mm时,变化不明显,而伸长量先增大后减小,过渡区长度为60mm时达最大0.22mm;壁厚差为1.5mm是变化趋势中的一个分界点,壁厚差增大,移动量和最大减薄率增大,移动量增大速度较大,最大减薄率增大速度先慢后快,厚度差大于1.5mm时增大速度更快,伸长量呈减小趋势;长度比增大,移动量和最大减薄率呈减小趋势,伸长量先减小后增大,长度比为1时达最小值-0.03mm,即过渡区为压缩状态,长度比的影响规律相对于过渡区长与厚度差更复杂。
  建立了不同过渡区参数的TRB管液压胀形有限元模型,提出了一种离散不规则过渡区的新方法,研究了TRB管过渡曲线、厚度差和过渡区长对胀形性能的影响规律。针对TRB管液压胀形,进行了正交设计,以数值模拟结果为基础,建立了BP神经网络预测模型,并将预测结果与数值模拟结果进行对比分析,验证预测结果的精度。结果表明:各参数对胀形性能影响的区域不同,但都对最大成形高度影响显著,极差最大达647mm,最小为2.88mm;4种过渡曲线中凹弧型的成形性能最差,最大的成形高度差2.88mm;增大过渡区长度有利于胀形,随厚度差增加,成形性能快速下降,其中厚侧成形高度差值达8.22mm。单组预测值在误差范围内,预测模型能用于预测其它过渡区参数组合的TRB管胀形。
  为了掌握TRB管参数对变形协调性的影响规律,建立了不同参数TRB管自由胀形模型,研究了过渡区长、厚度比和长度比对变形协调性、薄管极限胀形量和厚管最大胀形量的的影响规律。结果表明,过渡区长度增大,变形协调性、极限胀形量和最大胀形量先增大后减小,过渡区长度为40mm时变形协调性达最大值0.362,极限胀形量达最大值9.32mm,最大胀形量达最大值3.43mm;厚度比增大,变形协调性快速减小,极限胀形量为快速增大、缓慢增大和减小的变化过程,最大胀形量先增大后减小,厚度比为2时极限胀形量达最大值9.48mm,厚度比为1.5时最大胀形量达最大值3.76mm;长度比增大,变形协调性先缓慢减小后快速增大,长度比为1达最小值0.178,极限胀形量先快速增大,长度比大于1.7后缓慢增大,最大胀形量先缓慢增大,长度比大于1后快速增大。
  建立了TRB管无轴向补料阶梯管胀形的有限元模型,研究了TRB管的过渡区长度、胀形区长度及阶梯管的设计壁厚对成形后阶梯件壁厚分布的影响,并对轴向非对称阶梯管的成形进行了模拟。结果表明:成形件最小壁厚与设计壁厚的最大差值为0.109mm,为设计壁厚的5.45%,而最大壁厚与设计壁厚的最大差值为0.117mm,为设计壁厚的5.85%;非轴向对称阶梯管成形中最大差值分别为设计壁厚的4%与4.88%,因此,认为壁厚分布是均匀的。随设计壁厚增大,壁厚差和最小壁厚与设计壁厚的差增大,极差分别达0.109mm、0.042mm,对壁厚分布的影响最大;过渡区长度增大,壁厚差增大,在过渡区长度小于30mm时,最小壁厚与设计壁厚的差快速减小,之后变化不明显;胀形区的长度对两个壁厚差的影响规律相似,且差值变化量不大。
[硕士论文] 许曦
机械工程 武汉科技大学 2018(学位年度)
摘要:焊接是工业制造中一种常用的加工手段。传统的焊接一般由工人作业,自动化程度低,工人劳动强度大,焊接质量的好坏往往受的工人熟练度等人为因素的影响。工业机器人技术的快速发展,使得机器人焊接得到越来越广泛的应用。在机器人焊接作业中,焊道顺序规划、焊接的控制与焊接参数等是影响焊接质量的关键问题。本文针对基于UR3机器人的焊接问题,就UR3机器人运动学、仿真、焊接参数、控制等这几个方面进行研究。主要研究内容及结果如下:
  (1)研究了UR3机器人的运动学模型。基于D-H法建立了UR3机器人的正运动学和逆运动学模型;基于逆运动学模型,进一步对UR3机器人的奇异形位进行了分析,并建立了UR3机器人的雅可比矩阵;最后,基于焊接规划和工艺的要求,对工件焊缝坐标系和机器人工作坐标系的转换进行了分析研究,建立了相应的转换矩阵。
  (2)利用SolidWorks建立UR3机器人的三维模型;在MATLAB机器人工具箱建立了UR3机器人运动学模型,进行了运动学仿真,验证了D-H参数运动学模型的正确性;在ADAMS中建立了UR3机器人的虚拟样机模型,对焊接中的平面“8”字形摆焊、马鞍形焊缝焊接进行了仿真分析和规划研究。
  (3)在ROS(Robot Operating System)机器人软件框架中建立了UR3机器人模型,应用ROS中的传感器和执行器,对UR3机器人进行了运动规划,对焊接过程中的可能遇到的避障问题进行了分析,先使用OBB包围盒法研究了UR3机器人的碰撞检测,然后使用RRT快速搜索随机树算法进行了UR3机器人仿真避障。使用ROS中的模块对UR3机器人实现了实时控制和避障实验。
  (4)基于MATLAB+ADAMS联合仿真技术,采用PID和Fuzzy PID控制算法,以UR3机器人的关节力矩为输入变量,输出变量为UR3机器人的关节角度,中间通过反馈控制来达到期望的控制效果,对UR3机器人关节位置进行了控制仿真;最后选取实验设备和材料进行了工件试焊验证了仿真规划的有效性。
[硕士论文] 王晔旸
机械工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:等离子喷焊技术是再制造领域中一种典型的表面修复技术,凭借其能量集中、效率高、易于实现自动化等优点在我国机械、电力、国防以及交通运输等行业的关键零件表面修复中获得了广泛的应用。然而,在实际应用过程中等离子喷焊技术仍然存在工艺质量不稳定容易造成夹杂气孔、未融合及氧化物等缺陷,熔覆层晶粒粗大影响机械性能容易出现微裂纹、应力集中等微观损伤,这些问题制约等离子喷焊技术的发展。实践表明常规的改进方法对提高等离子喷焊质量的作用有限,而随着电磁技术的发展,磁场辅助加工已经是一种比较常见的改善金属成型质量的方法,磁场辅助焊接成为重要的研究方向。熔池作为等离子喷焊过程中最复杂、最关键的部分,其热场与流场特性对熔覆质量有重要影响。研究磁场及磁场下工艺参数对熔池的影响,对促进该技术在表面工程的发展具有重要的研究意义和应用价值。
  本文首先基于流体力学、流体动力学及流体传热等基本理论,综合考虑喷焊过程中熔池内的对流换热、热辐射等热传导形式以及重力、电磁力、热浮力、表面张力、固液相变与相变潜热等因素的影响,建立无磁场下等离子喷焊熔池的二维模型,探讨熔池流场与热场特性以及不同喷焊工艺对其的影响。
  其次在等离子喷焊熔池二维模型的基础上添加磁场,综合考虑磁场对等离子热源、熔池受力等方面的影响,建立磁场下等离子喷焊熔池二维模型,研究不同磁场强度以及磁场下不同工艺参数对其热场与流场特性,并与无磁场下的仿真结果进行对比,探讨磁场对熔池的影响。
  最后根据上述仿真模型建立相同工况条件下的等离子喷焊验证实验,从宏观角度观察不同磁场强度及磁场下不同喷焊工艺参数对熔覆层宽度、厚度及熔深的影响,并结合微观角度的金相实验观察上述变化下熔覆层的金相组织,对仿真的结果进行验证。
[硕士论文] 邵浩然
机械工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:六自由度关节型机器人的应用领域非常广泛,企业对机器人的工作性能和工作效率要求也越来越高。本文以六自由度焊接机器人为研究对象,对其运动学、动力学、结构优化设计和轨迹规划做了系统的研究,为机器人的开发设计提供了技术支持。
  首先根据D-H坐标法建立焊接机器人运动学模型,推导运动学正逆解方程。运用牛顿-欧拉法建立其动力学模型,推导出关节扭矩表达式。然后在ADAMS软件中建立焊接机器人虚拟样机模型,并进行运动学和动力学仿真分析,验证了动力学模型的正确性。
  接着提出用驱动力矩峰值和能耗来评价焊接机器人动力学性能。分析焊接机器人杆件参数对动力学性能的影响,在此基础上,建立优化目标,利用优化算法对各个杆件参数进行了综合优化,优化后的设计方案降低了驱动力矩峰值和作业能耗。
  最后选择机器人运动轨迹时间最优为目标,采用五次多项式规划,在考虑运动学和动力学约束下,利用遗传算法和下山单纯形混合寻优算法,快速规划出一条连续平稳且时间最优轨迹。分析了六自由度机器人三种奇异位形,且给出奇异区域判定条件,利用轨迹规划使机器人顺利通过奇异区域,提升了机器人工作效率。
[硕士论文] 赖逸彦
机械工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:电阻点焊作为汽车白车身的主要连接方法之一,其连接质量一直被各汽车厂家所重视。电阻点焊所连接的对象一般为轻金属薄板,连接过程中可能会发生连接不成功的问题,连接过后又可能会出现连接点(接头)强度不足、存在焊接缺陷等问题。本文主要利用仿真和试验的方法来研究如何减少上述缺陷的发生,以达到优化连接工艺进而提高铝合金电阻点焊质量的目的。
  本文首先对铝合金电阻点焊进行了相关理论研究和阐述。主要是对铝合金电阻点焊技术进行归纳和分类,然后对其成形机理进行阐述。后又对接头的失效形式行进分析和归类,在此基础上提出评价接头质量的直接指标和间接指标,并初步阐述各工艺参数与其关系。
  其次对铝合金不等厚三层板的预压过程进行了有限元仿真研究。主要阐述了仿真模型的搭建过程、仿真的安排以及仿真中的注意事项,然后对仿真结果进行分析,具体分析了使用两种电极的情况下,四个接触面的接触情况以及三层板工件内部的应力、应变分布规律。
  接着对铝合金三层板的焊接参数对焊接质量的影响进行了探究,利用正交试验、极差分析和方差分析对相关的焊接参数进行探究,得出各个参数对熔核成型质量、接头力学性能和压痕深度的影响规律,并选出最佳参数组合。
  最后对带胶和不带胶的大板厚比的三层板点焊过程进行了比对,利用试验的方法分析带胶焊接过程中缺陷形成的原因和规律。
[硕士论文] 张得军
机械工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:弧焊机器人作为应用最广泛的工业机器人,在电子、机动车制造、船舶等领域的焊接生产中发挥了巨大的作用。在弧焊机器人技术快速发展和复杂化的同时,弧焊机器人的开发面临着开发时间长、成本高,机器人技术创新成果难以快速进入市场的问题。针对这些问题,本文提出了使用当前受到广泛关注的机器人操作系统ROS-I来开发弧焊机器人。
  本研究以埃夫特弧焊机器人为研究对象,首先对弧焊机器人的运动学展开研究。通过D-H参数法建立了弧焊机器人的连杆坐标系,完成了六自由度弧焊机器人的正逆运动学分析并通过相关工具对机器人的正逆运动学结果进行了验证,借助MATLAB绘制出了弧焊机器人的工作空间。
  运动规划是工业机器人研究中的核心内容。本研究利用SolidWorks中的插件将弧焊机器人的三维模型转换为URDF文件,完成了弧焊机器人仿真模型的构建。通过MoveIt!设置助手生成了弧焊机器人运动规划所需要的启动和配置文件,从而完成了弧焊机器人仿真平台的搭建。在该平台上通过三次多项式插值算法完成了弧焊机器人的关节空间运动轨迹规划,利用机器人运动规划库Descartes完成了弧焊机器人笛卡尔空间的直线和圆弧轨迹规划。
  最后在弧焊机器人运动规划的基础上,通过机械动力学仿真软件ADAMS对弧焊机器人进行动力学仿真并对实验结果进行了分析。
  研究表明,利用ROS-I对机器人进行运动规划是有效且可靠的,其开发过程具有直观和简便的优势,可以有效提高机器人运动规划的效率,降低机器人开发的成本。
[硕士论文] 李建勋
机械工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,国内外对清洁能源需求的增加,光伏组件的需求也在快速的增长,而目前中国已经是世界最大的光伏产品制造国。目前光伏组件的价格偏高和光伏产品使用寿命有待提高,所以既要提高光伏组件的品质,又要降低产品复杂的工艺成本。光伏组件的核心部件是太阳能电池片,电池片核心工艺之一就是串焊工艺。国内现有技术的手工焊接、半自动化、单线版等焊接机带来的焊接质量、焊接效率低、工艺成本高等问题逐渐凸显,并且国内全自动串焊机需求量非常大。本文正是针对太阳能电池片的全自动串焊机的国内现状开展研发,参考国际上德国等欧洲发达国家对高端全自动串焊机的研究开发经验,开发经济、高效、可靠的高端全自动串焊机,旨在使之尽快走在国际同类技术的前沿。
  首先,针对国内现有的手工、半自动串焊机工艺,国外单线版串焊机的现状,研究开发一种新型的全自动串焊机,对其传动结构、运动原理、工艺原理等进行了创新设计,其中关键创新技术包括:新型的红外线焊接单元在单元结构、工艺理念进行创新设计,可以大大提高焊接质量,降低焊接碎片率;焊带烘干单元在单元结构进行创新设计,结构设计小巧、降低单元造价成本,缩小单元空间且便于维护;硅片定位单元在传动结构、运动原理上进行了创新设计,该创新设计既满足生产工艺,又大大降低设备的成本,提高硅片的定位的稳定性。除了这三个单元结构创新设计,还改进硅片上料单元、硅片机械手单元、硅片搬运单元等。应用三维设计软件SolidWorks,对新型全自动串焊机整体进行3D建模,应用Ansys workbench有限元软件,对主要的零部件进行了静态有限元分析和模态分析,校核了零部件的结构强度、刚度,且完成了进一步优化设计。
  其次,应用Ansys workbench有限元软件,对预热、软接触焊接、红外线灯焊接过程中热传递及太阳能电池片的温度场、应力场、Y方向位移等技术参数进行热力学耦合场分析;分析研究发现预热工艺可以有效降低焊接过程中的电池片的应力和变形,而红外线灯焊接工艺在降低焊接过程中的热应力、残余应力方面的能力明显优于软焊接工艺。此为本项目开发研究的又一个创新点。
  最后,进行了预热和焊接过程的热力学耦合场分析,对于提高电池片的焊接质量、降低焊接过程中的碎片率和提高组件的使用寿命有重要意义。理论与工艺分析表明碎片率降低0.1%,预热加红外焊接工艺与国内同类技术相比,提高焊接速度35%,产能提升30%,证明了课题理论分析的正确性以及优化方案的可行性,设计成果达到预期效果。经过参考文献和国内外大量资料的查询,验证了本新型全自动串焊机的开发设计,与国内同类技术相比,已达到领先水平,与国际先进水平相比,大幅度地降低设备造价成本。
[硕士论文] 朱旭
机械工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:X90级管线钢以其高强度、高韧性、良好的焊接性、低的韧脆转变温度以及良好的耐腐蚀性能在油气长输管道建设中有着广阔的应用前景。焊接是管线钢管生产的关键技术,在焊接过程中,焊接热循环对焊接接头组织产生影响,引起焊接接头性能变化,影响管道的使用寿命,研究X90级管线钢的焊接技术显得尤为必要。
  本论文选用国内某钢厂生产的X90级热轧板卷管线钢为试验材料,首先分析了其化学成分、显微组织,经计算X90级管线钢的碳当量CEPcm=0.18%,表明材料冷裂倾向不明显,有较好的焊接性;X90级管线钢显微组织主要为粒状贝氏体(GB)、局部隐约可见少量贝氏体铁素体(BF)、少量准多边形铁素体(QF)、弥散分布的岛状或点状的马氏体和残余奥氏体(M/A),特殊的组织形态表明材料有较高的强度和韧性,适于用作油气长输管道管线钢。
  通过优选焊接材料、设计焊接接头及坡口型式、制定预焊及精焊工艺,设计了相同焊接工艺规范下6种不同焊材匹配方案,制备了6根规格为Φ1219mm×16.3mm的钢管。进一步研究了焊接接头各微区的显微组织及拉伸、弯曲、冲击、硬度等性能。试验结果表明:6种焊材匹配方案制备的焊接接头,各项性能均能满足标准要求,其中BHM-10+YS-SJ105G材料匹配方案的焊接接头抗拉强度及焊缝冲击韧性最佳。
  焊接热影响区(HAZ)夏比冲击吸收功存在接近标准下限的低值点,焊接热影响区存在局部脆化现象。焊接接头拉伸试样均断裂在焊接热影响区、焊接接头弯曲试样焊缝两侧产生凹陷现象,焊接热影响区存在局部软化现象。为此,本论文进一步利用光学显微镜/扫描电子显微镜(OM/SEM)等分析手段,研究了粗晶热影响区(也叫粗晶区,CGHAZ)与临界再热热影响区(也叫临界粗晶区,1CCGHAZ)的贝氏体组织形貌,并用莱佩拉(LePera)试剂腐蚀方法统计了马氏体/残余奥氏体(M/A)组元存不同亚区的分布形态,指出粗晶脆化与M/A组元在原奥氏体晶界处的网状分布是引起焊接热影响区局部脆化的本质原因。通过测试焊接接头不同位置的硬度、利用SEM观察X90级埋弧焊管焊接接头拉伸断口形貌,研究了细晶热影响区(也叫细晶区,FGHAZ)的软化现象,结果表明:细晶区虽然由细小的粒状贝氏体(GB)和准多边形铁素体(QF)构成,但准多边形铁索体(QF)和细小的铁索体含量比粗晶区明显增多,硬度较低,且没有粗晶区中硬度较高的板条组织,因此表现出一定程度的软化现象。
  为减轻焊接接头的局部脆化与软化,提出了减少热输入、提高熔敷率的工艺改进措施。最后利用优化的焊接工艺,小批量试制了X90级埋弧焊管402.4t,结果表明HAZ的脆化与软化现象得到明显的改善。
[硕士论文] 马洁
机械工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:双卧轴搅拌主机是搅拌站的核心部件,目前该产品的研发都已基本定型和成熟,但加工水平,加工效率还存在很大的差距。随着德国工业4.0的提出,工业第四次革命到来,中国的制造业也向着智能化的方向发展。双卧轴搅拌主机罐体的焊接,公司之前是采用简易工装组对点焊,人工焊接,罐体的焊接质量不能有效控制,焊接后尺寸存在超差,且焊缝不美观,这些直接影响了搅拌主机的装配质量,降低了搅拌主机的使用寿命和竞争力。且焊接工位的布置采用地摊式,焊接效率较低。根据公司工艺提升规划,需要对主机罐体的焊接质量和焊接效率进行提高,但目前的焊接方式无法满足提升需要。通过考察调研及响应国家智能化生产的要求,设计一条能够满足公司未来十年产能需要的主机罐体自动化焊接生产线,可以促进主机罐体加工的智能化进程并能提高质量管控能力,增强搅拌主机的核心竞争力,走在国内外主机罐体加工的前列。
  首先通过对国内外双卧轴主机罐体的制造现状调研,找出发展的方向。通过数据统计分析及公司未来十年的规划确定搅拌主机的年产量。根据要求计算出生产节拍,确定每天的产量及每台的用时,分析主机罐体由人工焊接提升为机器人焊接需要解决的问题。然后在原有焊接线的车间,重新布局,使物料搬运距离最短,避免交叉重复,并能快速流动,避免堆积存放且充分考虑吊车的负荷率。根据自动化焊接双卧轴主机罐体的工艺流程,确定主机焊接的各工位的所需工装、夹具及焊接机器人和补焊的方案,做出自动化焊接生产线初步布局图及人员分配方案。
  对双卧轴主机罐体焊接生产线的工位:筋板组对工位、端板组对工位、端板焊接工位、罐体组对工位、罐体焊接工位、罐体补焊工位进行详细的设计。筋板组对工位主要为机械定位加电磁铁夹紧的结构形式,方便工件的快速装夹。端板组对工位主要是为了保证罐体方法兰和罐体的组对,其中对关键部位法兰的结构进行详细的分析。端板焊接工位主要是考虑机器人的选择,端板的装夹方式及端板的可焊率及焊接效果。罐体组对工位根据对工装组对方案的分析需要采用液压夹紧,内侧定位。弧板拉紧采用拉紧杆结构,可以自锁紧。弧形板的定位分为固定弧形板定位和伸缩弧形板定位。全部采用液压控制。端板定位采用三爪液压压紧。罐体焊接工位通过主机罐体罐口朝上和朝下两种方案,对每种方案进行模拟,计算罐体的可焊率,选定装夹方案,通过分析为了保证可焊率,两种方式都要考虑,两台机器人,一台罐口朝上焊接,一台罐口朝下焊接。然后根据不同的装夹方式设计罐体夹具。最后设计罐体补焊工位。设计各工位的控制系统,如筋板组对工位,主要是给每个磁铁加磁和去磁的操作,单件逐个加磁,可以一键去磁。罐体组对工位考虑到工装装夹时的14个动作的先后顺序,电控操作台设计时按照动作顺序及按钮的功能对按钮的位置进行分配。从而对工装的液压系统进行控制,来完成工装的动作。通过对主机罐体建模,对罐体施加扭矩和压强。通过应力云图和应变云图找出最大受力应变处,确定焊缝样式,焊接机器人编程时重点考虑此处。
  主机罐体自动化焊接生产线试运行一个批次五台,找出存在的问题,并提出解决的措施,测算出生产节拍,与之前的焊接节拍对比,验证是否满足设计的产能需要。通过验证满足需求,下一步的主要工作是批量制作主机罐体,从实际生产中收集大量数据,对主机罐体部件的组对工位的进一步的细化和规范,提高焊接机器人的可焊率,并进一步优化生产节拍。
[博士论文] 刘新锋
材料加工工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:穿孔等离子弧焊接(keyhole plasma arc welding,K-PAW)工艺能够对中厚板不开坡口、一次焊透,在工业领域具有应用潜力。由于等离子弧作用于熔池形成一个贯穿工件厚度的小孔,小孔的稳定性对工艺参数的变化较为敏感。实时检测穿孔状态是对K-PAW焊接过程有效控制的先决条件。已有小孔状态间接检测方法以及从工件背面对小孔与熔池信息进行视觉检测的方法,均存在各自的缺点。
  本研究采用视觉传感方法从工件正面拍摄熔池、等离子弧与小孔入口的图像,提取出不同工艺条件下的正面熔池与小孔入口的动态变化信息,基于深度学习算法,从获取的正面熔池图像出发,预测熔池的穿孔状态与熔透情况,为等离子弧焊接穿孔状态的实时预测与控制奠定了基础。
  构建了PAW正面熔池视觉检测系统,设计复合滤光系统以克服强弧光等干扰,沿焊接方向拍摄熔池,获取了清晰的熔池尾部图像。对熔池图像特点进行分析,提出了基于多经验参数约束的边缘检测算法;利用熔池图像的曲线特点、经验图像边缘信息、前3幅熔池图像边缘信息、弧光最小外接曲线等多种经验参数对图像边缘进行约束,搜索获得熔池边缘信息。结果表明,该算法与传统的搜索方法相比,具有较强的鲁棒性和适应性。
  为获取完整的正面熔池图像,从工件的侧面(垂直于焊接方向)对正面熔池进行拍摄,设计特制的减光片对不同的熔池区域进行不同的减光,并采用合适的滤波器解决了强弧光干扰、电弧与熔池辐射强度反差大等问题,分辨出熔池与电弧边界,获得完整的正面熔池图像。开发经验参数约束的Canny算子对熔池边缘进行提取。设定的5个经验参数约束能够有效避免噪声干扰,获得不同工艺条件下熔池的几何尺寸。
  建立双CCD摄像机同步检测系统,同时拍摄出正面熔池和小孔入口的图像,建立图像配准公式,将不同角度拍摄的图像转换到同一个物理坐标系中,使得熔池图像和小孔入口图像融为一体。通过边缘信息的提取,获得了实际的熔池与小孔入口尺寸。在焊接工艺参数变化时,小孔入口的尺寸变化幅度明显大于正面熔池。
  基于正面熔池检测与背面小孔检测CCD,构成同步检测系统,获得了对正面熔池与背面小孔出口的清晰图像。设计恒流焊接试验与受控脉冲焊接试验,对不同焊接条件下的电弧、熔池和小孔关系进行分析,发现熔池中包含的特征信息与小孔状态联系密切,在穿孔状态、小孔闭合状态、小孔形成与长大的过程中,熔池中反射电弧表现出不同的形态,可以与熔池特征信息一起作为判断小孔是否穿透的依据。
  由于正面熔池的特征信息与穿孔/熔透情况之间存在复杂的非线性关系,其关键特征的提取是进行穿孔状态预测的先决条件。采用深度学习卷积神经网络方法,自动提取熔池图像中的特征信息;直接使用熔池图像作为模型的输入,进行充分训练之后进行穿孔状态及熔透的预测。
  通过工艺实验建立训练数据库,获得约12000幅正面熔池和背面小孔图像的数据对,其中训练数据约10000条,验证数据约1000条,测试数据约1000条。建立包括5层卷积,3层全连接的卷积神经网络模型,对模型参数和分类方法进行微调,利用等离子弧焊接正面熔池和穿孔图像目标训练集和反向传播对其进行继续训练。训练后的模型可以自动获取到良好的特征,从而进行正确的分类识别。测试结果表明,穿孔/熔透状态的识别准确率达90%以上。
[博士论文] 宗然
材料加工工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:作为先进制造技术的重要组成部分,焊接工艺对装备制造业产品的最终质量和生产效率有着举足轻重的影响,已成为企业提高核心竞争力的重要因素。目前,熔化极气体保护焊(GMAW)因成本低、易操作和适应性强,在各类焊接工艺方法的应用中居于主导地位。提高GMAW焊接速度是提高焊接生产率的重要途径。然而,焊接速度的提高会引起焊缝成形变差,首先出现焊缝咬边缺陷。咬边缺陷不仅能在缺口处引起应力腐蚀裂纹和应力集中裂纹,严重影响接头承受动载荷的能力,而且当焊接速度进一步提高时还诱发驼峰缺陷,严重制约着该工艺在实际生产中的应用。因此,研究并揭示高速GMAW焊缝咬边缺陷的形成机理,进而提出有效抑制措施,并在此基础上针对性改进常规GMAW工艺,实现高适应性而低成本的高速GMAW焊接,这对于大幅度提高GMAW焊接生产效率具有重要的理论意义和工程实用价值。
  本课题搭建了电弧形态、熔滴过渡、熔池表面温度场及液态金属流态视觉检测平台,考察了不同焊接工艺条件下电弧和熔滴在熔池表面的热-力分布特征,深入研究了高速GMAW熔池内液态金属的温度分布、受力状态和流动情况及其对焊缝成形的影响。提取相关特征参数,建立了高速GMAW三维瞬态熔池流体动力学与传热过程的数值模型,定量分析了熔池金属横/纵向受力(电弧力、电磁力、流体动压力、表面张力、熔滴冲击力等)对熔池表面变形、温度场特征和液态金属流态的影响。建立了“焊接工艺参数-熔池受热/受力状态-熔池行为-咬边倾向”之间的关系,从三维熔池形态与受热/受力特征的角度,揭示了高速GMAW焊缝咬边缺陷的产生机制及主要影响因素。基于上述研究,采用小电流TIG电弧有针对性地调控GMAW焊接过程电弧和熔滴的热-力分布,改善液态金属受热/受力和流动状态,抑制高速GMAW咬边缺陷的产生倾向。
  通过实验测试、数值分析和实验验证相结合的方法,对GMAW焊接过程进行了系统分析,实验结果表明咬边缺陷产生倾向主要取决于熔池前部液态金属纵、横向流动行为,当纵向/横向平均流动速度的比值大于临界值(2.0)时,焊缝产生咬边缺陷。数值分析发现,大电流高速焊时,在电弧压力和剪切力的作用下,电弧下方形成液态金属薄层,该液态金属薄层促使熔滴冲击转化为液态金属后向流动,导致高温填充金属在熔池尾部堆积。同时,焊趾处液态金属薄层在电弧中心后方迅速凝固,阻碍后续液态金属横向铺展、填充焊趾,诱发咬边缺陷。TIG-MIG复合焊时,TIG电弧显著减弱了耦合电弧力和熔滴冲击力,降低了液态金属后向流动速度,利于液态金属横向铺展,有效抑制咬边缺陷,大幅度提高了焊接速度。
[博士论文] 孟祥萌
材料加工工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:钨极惰性气体保护焊(Gas tungsten arc welding,GTAW)因其焊接过程稳定、焊缝质量高、应用成本低等优点而广泛应用于现代制造业中。现代制造业对高生产效率的要求使得GTAW速度不断提高,但现有研究表明,同比提高焊接电流和焊接速度,当焊接速度超过某一临界值时,先后会在焊趾处形成咬边以及沿焊接方向形成驼峰焊道等表面成形缺陷,严重破坏焊接接头的均匀性,造成焊缝成形不合格。因此,通过研究咬边和驼峰焊道缺陷的形成机理并提出针对性的抑制措施,对于实现高速GTAW、提高GTAW效率具有重要理论意义和工程应用价值。
  咬边和驼峰焊道缺陷的形成涉及复杂的高度瞬态非线性的熔池传质传热行为。本文根据大电流、高速GTAW熔池自由表面会发生显著变形的物理特点,着重考虑了电弧热、力分布随熔池自由表面变形的动态变化,提出了随熔池自由表面变形自适应变化的电弧热流、电弧压力、电弧剪切力和电磁力模型,合理描述了高速GTAW过程中熔池形态变化对电弧能量密度和电弧力分布的影响。以此为基础,通过通用计算流体动力学软件ANSYS Fluent的二次开发,建立了高速GTAW熔池三维瞬态传质传热数值分析模型,计算了高速GTAW温度场、熔池中液态金属流动、熔池自由表面变形和液态金属凝固成形等熔池行为,实现了高速GTAW中咬边和驼峰焊道缺陷具体形貌的准确模拟,计算结果与实验结果有着良好的吻合。将数值分析结果与工艺实验、视觉检测、敏感性分析、量纲分析等方法相结合,定量揭示了咬边和驼峰焊道缺陷的形成机理,并提出了针对性的抑制措施。
  实验表明在焊接速度1.65m/min时1.5mm厚409L铁索体不锈钢板GTAW出现咬边缺陷,对其熔池行为的数值分析表明,大电流GTAW熔池前部表面会发生显著凹陷,形成一个仅有约100μm厚液态金属层的凹陷区。当凹陷区域扩展至熔池最宽截面时,熔池两侧边缘的液态金属薄层由于自身热容较小,在脱离电弧直接加热后迅速凝固,阻止中心区域液态金属向两侧铺展,从而诱发咬边缺陷的产生。熔池液态金属主要沿熔池两侧向后流动,在高速焊接条件下,熔池呈现泪滴状,后向液态金属会在熔池中部产生向内的速度分量,最大可达0.15m/s,其产生的惯性力远远强于液态金属自身的粘滞力,会进一步阻碍液态金属的向外铺展,促进咬边缺陷的发展。
  焊接电流和焊接速度进一步提高至315A、3m/min时出现驼峰焊道缺陷。熔池中液态金属的后向流动进一步增强,焊接速度时最大后向流速达到0.7m/s,而在高焊接速度下熔池尾部脱离电弧加热区域即凝固迅速,减弱了液态金属的回流,后向流动和回流的通量之比超过5.3∶1,从而导致熔池凹陷区的长度不断增大。超过80%的液态金属沿熔池两侧向后流动,侧壁通道成为液态金属后向流动的主要通道。尺度分析表明,侧壁通道离开电弧加热区域的部分在数十毫秒以内即发生凝固,阻碍液态金属的后向流动,促进驼峰焊道的形成。
  在考虑各个熔池作用力复杂耦合关系的前提下,将数值模型与敏感性分析相结合,定量研究了熔池作用力对高速GTAW熔池行为和驼峰焊道形成的影响权重。电弧剪切力是促进熔池表面变形和液态金属后向流动的主要作用力,因此是导致驼峰焊道形成的主要作用力,电弧压力和Marangoni力的影响权重不及电弧剪切力的30%,居于次要地位。表面张力是抑制熔池表面变形的主要作用力,其影响权重与电弧剪切力相当,可以在一定程度上抑制GTAW驼峰焊道形成。
  为进一步定量描述高速GTAW驼峰焊道的形成倾向,预测其形成的临界条件,本文基于量纲分析推导了一个在传热与流动角度综合描述驼峰焊道形成倾向的无量纲参数组,该参数组包含多个熔池的热-力特征变量(熔池体积、最大后向流速、熔池温升和凹陷区长度),且具有明确的物理含义,其值越大表明驼峰焊道形成倾向越高。通过尺度分析法,推导了上述熔池特征变量与工艺变量之间显式的解析函数关系,进而明确了焊接变量—熔池变量—驼峰焊道形成倾向之间明确的关系。无需高时间成本的数值分析,即可表征不同工艺参数下驼峰焊道的形成倾向,预测驼峰焊道形成的临界条件。
  根据咬边和驼峰焊道缺陷的形成机理,通过在熔池尾部施加辅助热源,对熔池进行热-力调控,以抑制缺陷的形成,提出了列置双GTAW高速焊接工艺,研究了辅助钨极参数和主辅电流匹配对焊缝成形的影响。在优化的工艺参数下1.5mm厚409L铁素体不锈钢板双GTAW焊接速度可达3.0m/min的优质高速焊接。辅助电弧向前的电弧力可以有效地抑制熔池液态金属的后向流动。同时,辅助电弧的后续加热作用也在一定程度上抑制了熔池边缘或侧壁通道的凝固。
[博士论文] 刘子武
机械制造及其自动化 山东大学 2017(学位年度)
摘要:离心式压缩机在国民生产、生活,国防军事领域方面扮演重要的角色。随着我国绿色循环经济发展的推进,国家越来越重视研究蕴藏着高附加值的损伤叶片的再制造,损伤叶轮的再制造是解决我国能源匮乏、实现节能减排的重要途径。由于再制造叶片服役环境与原设备相同,冲蚀损伤是导致气固两相介质叶轮及再制造叶轮失效的重要原因。开展叶片再制造及其熔覆层的冲蚀损伤评价及机理研究,对于维护再制造离心式压缩机组及现场员工安全,保工程价值及工厂利益都具有深远意义。
  为此,本文依托国家重点基础研究发展计划(973计划)项目,利用化学成分与母材一致的金属芯焊丝及粉末分别利用钨极氩弧焊(Tungsten Inert Gas welding)熔覆技术(下面简称TIG熔覆)及激光技术法制备熔覆层。研究熔覆再制造层的组织及物理机械性能,并分析组织及性能差异的内在原因。针对高速超细粒子冲蚀熔覆层研究缺乏的问题,研究多种因素影响下的冲蚀磨损规律及冲蚀机理。针对冲蚀率数学模型可移植性差问题,基于粒子弹塑性碰撞模型建立可预测最大冲蚀角及各因素影响的数学模型。针对不同熔覆层冲蚀表面特性变化规律及其对其他损伤的影响的研究缺乏,研究熔覆层在不同冲蚀环境下的冲蚀深度、表面质量、表面/亚表面硬度、冲蚀表面残余应力等变化规律及其形成机制。
  利用激光熔覆及TIG熔覆技术在FV520B钢制备与材料成分相同的熔覆层,并对TIG熔覆层分别进行470℃及615℃回火,所得高质量的熔覆层与母材实现高强度冶金结合;激光熔覆层硬度、耐摩擦磨损性能均有提升,经回火处理所得的TIG再制造熔覆层微观组织、硬度、摩擦性能同基材近似,且分布均匀。不同再制造技术的熔覆试件拉伸断裂位置不同,均为薄弱环节。除FV520B-S激光熔覆,其他熔覆层、热影响区、母材间性能过渡平滑。
  研究冲蚀时间、冲蚀角度、冲蚀速度、超细粒径等因素对熔覆层冲蚀过程的影响趋势,揭示再制造熔覆层的冲蚀机理。熔覆层冲蚀率均随着冲蚀角度的增大,呈先增加后减少的趋势,且随着熔覆层硬度的提高,最高冲蚀点向高角度方向移动。30°左右低角冲蚀时,硬度较高的激光熔覆层的抗冲蚀能力较低。低角度粒子冲蚀磨损的机制是微切削,耐冲蚀性随熔覆层的硬度的增加而提高,高角度粒子冲蚀,塑性材料经反复塑性变形后硬化剥落或折断去除,抗冲蚀性能随硬度的增加而降低。
  为了用数学模型描述塑性材料的冲蚀行为及变化规律,利用弹塑性理论建立粒子冲击靶材的碰撞接触模型,获得基于冲蚀机理的冲蚀率计算公式。创建模型可预测多种熔覆层最大冲蚀角,与实际试验结果相一致。同时,该模型可以拓展到没有形成抗冲蚀的硬质相及碳化物尺寸塑性材料的冲蚀预测。
  通过研究熔覆层冲蚀表面特性发现:由于较高的冲蚀粗糙度会促进表面疲劳等损伤,当角度低于30°,激光熔覆层的抗冲蚀能力及冲蚀的表面质量都较好,因此再制造区域为30°冲蚀角以下的冲蚀损伤,当采用激光熔覆进行再制造。再制造区域的冲蚀角度超过30°时,若再制造因疲劳掉块损伤的叶片,当以冲蚀后更好的表面质量为主,进行激光熔覆再制造;若修复冲蚀减薄叶片,当以抗冲蚀性能为主,进行TIG熔覆后热处理再制造。而冲蚀硬化可抑制表面腐蚀和表面疲劳损伤,粒子冲击均会在浅表层产生一个硬化层,在冲蚀率较高的区域,由于表面易被去除导致表面及亚表面塑性变形积累不完全,从而呈现较低的冲蚀硬化。残余应力会影响材料的疲劳强度、抗脆断等能力,在低于60°冲蚀角时,冲蚀表面整体呈现残余拉应力,接近正向冲蚀,呈现为残余压应力,熔覆层越硬,无论是产生的残余拉、压应力都较高。
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