The laser direct welding connection between sapphire and TC4 alloy was an important challenge in the fields of aerospace, electronic packaging. Through systematic research on the influence of interfacial pressure from 0 MPa to1.75 MPa on welding quality, it was found that pressure parameters significantly affect joint performance by regulating the triple mechanism of interface contact, element diffusion, and fracture mechanism. Under the action of the optimized interface pressure of 0.75 MPa, even in the practical working conditions where the welded parts are in non-optical contact and the metal surface roughness is as high as Rz 445 nm, the elimination of interface gaps, the promotion of Ti Al interdiffusion to form AlTi3 intermetallic compounds, and the effective balance between interface bonding and base metal integrity were achieved. The shear strength of the joint reached 32.0 MPa, and fracture analysis showed brittle mixed fracture characteristics under this condition. The research provided a novel solution for direct fusion welding of sapphire-metal heterostructures.
针对核电厂水下定位销的更换及安装,为了得到高质高效的自动化焊接方法,通过自行设计的局部干法水下TIG焊枪在水中对控氮不锈钢管板结构进行焊接.首先对局部干法水下TIG焊炬进行结构设计,并采用ANSYS进行焊炬的流体仿真模拟,优化进气口位置、进气方式等并验证其排水效果,研究了焊接工艺参数对水下TIG焊缝成形的影响规律,并对水下TIG焊接焊缝的力学性能进行了测试.结果表明,经过优化,此焊炬在水下焊接时通气3 s后便可得到稳定的局部干燥空间,避免了水环境对焊接过程的干扰.使用此焊枪可以在水下得到均匀连续的焊缝,且焊缝横截面参数随焊接工艺参数变化的规律与陆上焊接相同,但是熔深和熔宽均比陆上焊接的小;同时发现水下焊缝的熔深、熔宽的变化可能是由于水下冷却速度快和低温环境对电弧的热压缩交替作用引起的;焊缝的力学性能与焊接电流成正比,与焊接速度成反比.水下TIG焊接焊缝的力学性能与陆上焊接得到的焊缝相当,甚至略高.
以5083铝合金多道焊对接接头为研究对象,构建了其热-冶金-力学耦合的三维有限元模型,在考虑相变情况下,对两道焊的焊接过程温度场、残余应力分布和变形进行数值计算与分析,并将结果与试验数据进行对比,验证了该模型的准确度.分析了焊接道数和层间温度对焊接残余应力分布以及焊接变形的影响规律,结果表明:随着焊接道数的增加,纵向残余应力逐渐增加,焊接道数对横向残余应力几乎无影响,焊接变形逐渐增加;随着层间温度的升高,纵向残余应力逐渐降低,横向残余应力先减小后增大,但层间温度对焊接变形几乎无影响,可采用100℃作为最佳层间温度进行焊接.
在一些国外海洋油气田开发项目中,输送含有酸性腐蚀介质的海底管道环缝焊接强制要求采用无铜衬垫封底焊接技术,确保焊缝在硫化氢(Hydrogen Sulfide,H2S)酸性腐蚀服役过程中不会出现硫致应力开裂(Sulfide Stress crack,SSC).为解决铜衬垫在封底焊接过程中铜原子受热扩散进入焊缝金属并对其性能产生破坏性影响的问题,采用表面张力过渡(Surface Tension Transfer,STT)封底焊接和熔化极气体保护焊接(Gas Metal Arc Weld-ing,GMAW)填充盖面焊接技术,开发了一种适用于海管S型铺设的无衬垫封底全自动焊工艺并对焊缝性能进行测试研究.结果表明,横向拉伸、全焊缝拉伸、侧弯、冲击、宏观硬度及H2S腐蚀试验等均满足项目焊接规格书及DNV OS F101(2013)标准要求;焊接接头试样均通过了NACE 0177标准下的硫致应力开裂试验,可应用于含H2S酸性环境下X65级碳钢海管的焊接施工.STT表面张力过渡封底焊接属于单面焊双面成形技术,焊接热输入小,飞溅极少,焊缝成形好,是无衬垫封底焊接技术的一种可靠选择.
为解决巴氏合金承载能力低、与钢基体结合强度差等问题,采用感应熔炼工艺制备了SnSb12Cu7.5Ni0.9-x(Ag、Co、Cr)巴氏合金,研究了添加微量元素Ag、Co、Cr对巴氏合金SnSb12Cu7.5Ni0.9微观组织、界面形貌及结合强度的作用规律.结果表明,SnSb12Cu7.5Ni0.9合金中分别添加1％的Ag、Co、Cr元素后,组织中的方块状SnSb相细化且略有钝化,颗粒状η相(Cu6Sn5)相由细长条状逐渐转变为蠕虫状.巴氏合金/钢基体界面处存在一层相互连接的过渡层,添加1％Ag、Co、Cr后界面处过渡层厚度增加,组织均匀性得到改善,并提高了巴氏合金/钢基体结合强度,其中添加1％Co元素的结合强度最高,为51.9 MPa,较基体提高了13％.
采用不同的工艺参数对5083-OT与6005A-T6铝合金进行搅拌摩擦焊焊接.通过金相分析、XRD分析、拉伸性能等方法,研究焊接速度、轴肩直径及搅拌头偏移量等参数对5083/6005A异种铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能的影响.结果表明:5083/6005A异种铝合金搅拌摩擦焊界面无明显脆性金属间化合物生成;焊核区组织发生动态再结晶,形成细小的等轴晶组织;前进侧热机影响区受到的机械搅拌作用力大于后退侧,晶粒变形大于后退侧热机影响区;热影响区组织仅受到热循环的作用,晶粒有粗化现象;随着偏移量的增加,使得焊核区和后退侧热机影响区硬度值降低,最低值出现在6005A侧热影响区,其抗拉强度、屈服强度、延伸率均逐渐减小,当焊接速度为600 mm/min、轴肩直径为12 mm、偏移量为0 mm时接头性能最好:抗拉强度为245 MPa,屈服强度为165 MPa,延伸率为5.67％.
针对Q370R/S31603爆炸焊复合板制4000 m3厚壁球罐的焊接工艺进行深入研究,采用非对称X形坡口,通过E5515-N2焊接基层、E309LMo焊接过渡层及E316L-16焊接覆层的工艺下,经过(590±15℃)×6 h焊后热处理,基层焊接接头的力学性能满足要求,覆层焊缝金属的抗硫化物应力腐蚀试验(E法)、晶间腐蚀试验(C法、E法)均合格,耐蚀性能良好.制定的焊接工艺能够满足工程需要.
以3003铝合金为母材,利用自行设计制造的PPCA-TIG专用焊枪对其进行焊接,研究了不同工艺参数对3003铝合金PPCA-TIG焊缝成形的影响,并分析不同的工艺参数对焊缝深宽比的影响规律.结果表明,使用活性剂SiO2焊接时可一次焊透8 mm厚的3003铝合金板,且当焊接电流为160 A时焊缝深宽比达到最大;使用活性剂MnCl2焊接时,焊缝熔深可达到传统TIG焊的2.4倍,且当焊接电流为170 A时焊缝深宽比达到最大.当焊接速度为100 mm/min、弧长为2 mm、外层气流流量为12 L/min时,SiO2和MnCl2两种活性剂下的焊缝深宽比均达到最大;活性剂粒度增大,有利于改善焊缝表面成形,但焊缝熔深增加效果减弱.SiO2比MnCl2的深宽比要大.
Ni基高温合金以其优异的性能,如较高的强度、良好的抗氧化及抗腐蚀能力等,在飞行器领域得到了广泛应用.TiAl系高温合金因其熔点高、比强度高、密度低、抗蠕变性能好等优点,被认为是制造航天器和飞机发动机最有前途的工程材料之一.采用TiAl合金与Ni基高温合金钎焊构件取代部分Ni基高温合金,能更好地满足飞行器高速化、轻量化的发展要求.综述了TiAl合金与镍基高温合金的钎焊技术研究现状,通过对现有TiAl合金与镍基高温合金焊接性研究的分析,介绍了包括Ti基钎料、Ni基钎料等钎焊材料的选取,阐述不同钎焊材料与钎焊工艺接头界面物相形成机理,指出TiAl合金与镍基高温合金钎焊技术研究与发展过程中存在的不足,并展望了TiAl合金与镍基高温合金钎焊技术未来发展方向,为TiAl合金与镍基高温合金钎焊连接的相关研究和工程应用提供理论依据和技术支撑.
传统的角焊缝在焊脚尺寸设计时出于安全考虑,经常出现"过设计"现象,针对AWS D1.1《钢结构焊接规范》,GB50017—2017《钢结构设计规范》及DIN 18800《钢架结构》焊脚尺寸设计相关标准对比分析,各标准中关于不同板厚推荐的焊脚尺寸范围基本一致,但都仅推荐最大和最小焊脚尺寸,其选择范围较宽泛.基于上述分析,提出了一种基于静力等承载强度的焊缝尺寸确定方法.以一种T型接头为例,分别采用标准和静力等承载强度方法进行焊脚尺寸确定和计算.分析表明,对照标准确定的T型接头的焊脚尺寸为12 mm,而基于静力等承载强度计算确定的焊脚尺寸为9.91 mm,相比标准确定的尺寸减小了17.4％.通过ABAQUS和Fe-safe软件分别对接头进行静力计算和疲劳仿真分析,结果表明,与标准推荐的焊脚尺寸相比,通过静力等承载强度得到的焊脚尺寸承受的最大静力、疲劳寿命和失效位置均无明显变化,表明该焊缝尺寸确定方法具有合理性.
阐述了在矿山现场恶劣工况条件下如何更换大型挖掘机单侧的起重臂跟脚,以及焊接变形的控制.采用有限元分析,重点评估起重臂跟脚的焊接变形量,并借助工艺假轴,焊接残余应力和变形有一定的改善.销孔周围的焊接变形,在考虑工艺假轴后,最大变形量从0.13 mm降低为0.11 mm,并且变形位置远离销孔中心.本项工作对后续涉及其他重型机械主要零部件的修复也具有重要参考意义,能有效提升挖掘机的工作效率和稳定性,进一步降低设备故障率和运营成本,以满足矿山生产的需求.
通过改变药芯焊丝中金红石、镁砂、硅灰石、萤石等造渣剂的配比进行试验,研究造渣剂在药芯焊丝中的含量变化对507Mo型药芯焊丝脱渣率及飞溅率的影响.试验表明,在507Mo型药芯焊丝中,金红石含量不超过6％时,增加金红石含量能够改善焊丝的脱渣及飞溅性能;镁砂能提升药芯焊丝的全位置焊接性,使药芯焊丝能够进行横焊及立向上焊接,镁砂的加入量超过1.0％时焊丝的脱渣及飞溅开始变差;硅灰石能够改善焊丝的脱渣及飞溅性能,随着硅灰石的增加,熔渣在焊道表面覆盖更加均匀,但是过量的硅灰石会使焊道表面出现压铁水现象;萤石能够降低熔渣的熔点,改善熔渣的流动性,有利于熔渣在焊道表面的铺展及覆盖,萤石电离产生的F-和熔池中的H+结合生成HF气体,提高了熔滴的爆破力,使焊接飞溅率增加,萤石含量超过1.0％时会大幅增加焊丝飞溅率.
针对核电厂循环水冲洗泵盖板表面结构完整性破坏失效的工程问题,基于冷金属过渡技术(Cold metal transfer,CMT),开展了CuAl9Ni3Fe2铝青铜合金电弧增材修复工艺的研究.通过单层单道成形、单层多道搭接成形以及多层多道试验研究,确定并固化了一套CuAl9Ni3Fe2铝青铜合金CMT增材修复工艺的关键参数;并借鉴已有成熟的核电设备制造工程实践,参考RCC-M规范要求,制定了该修复工艺的验证试验要求,明确了试验项目、试验标准及验收指标,并按要求完成试件的制备及试验.结果表明:采用研发的CMT增材修复工艺制备的熔敷金属外观成形优良,内部致密无缺陷且与母材熔合良好,力学性能与母材相当,各项试验结果均满足验收指标.可用于CuAl9Ni3Fe2铝青铜合金的CMT增材制造及修复.
以1 mm厚的Q&P980钢板为研究对象,对其进行电阻点焊,分析焊接接头的力学性能、显微硬度、观察其显微组织.结果表明:熔核区由尺寸较粗大的板条马氏体构成,热影响区由板条状马氏体、铁素体和奥氏体构成;随着焊接电流、焊接时间和电极压力的增加,接头拉剪载荷呈先增后减的趋势,点焊接头热影响区细晶区显微硬度最高,约为485 HV.当焊接时间为10 cyce,焊接电流为12.5 kA,电极压力为2.4 kN时,综合力学性能最好.
针对激光粉末床熔融成形的Ti6Al4V合金和AlSi10Mg合金进行电子束对接试验,对比分析不同侧偏束条件下焊接接头的组织和性能.结果表明:钛侧偏束(-0.6 mm)相较于铝侧偏束(+0.6 mm)所获接头的成形更稳定、美观.铝侧偏束时,接头表面出现了大量的气孔及裂纹,接头内部也存在大量的气孔,主要聚集于铝侧熔合线上;钛侧偏束时,接头焊接缺陷的数量明显减少.两种工艺条件下的界面层均形成了一定数量的金属间化合物,铝侧偏束时以TiAl为主,钛侧偏束时形成了TiAl3、TiAl2、Ti3Al和TiAl等多种金属间化合物.铝侧偏束接头抗拉强度最高为81 MPa,钛侧偏束接头抗拉强度最高可达到128 MPa.两种接头均失效于反应界面层处,呈现出脆性断裂的特征.
哈氏合金C-22为Ni-Cr-Mo合金,焊接时易产生结晶裂纹和气孔等缺陷.采用钨极氩弧焊和焊条电弧焊对厚度10 mm的C-22试板进行焊接工艺试验,通过无损检测、拉伸、弯曲、硬度、金相及腐蚀性能测试等手段对焊接接头的质量、性能及组织进行分析研究.结果表明:选用与母材匹配的ERNiCrMo-10焊丝和ENiCrMo-10焊条施焊,采用保护气体为99.5％Ar+5％H2的钨极氩弧焊打底,焊接接头抗拉强度高于母材的最低要求,焊接接头具有优异的塑、韧性及耐蚀性能,满足渣油加氢项目中催化剂反应器装置主体材料哈氏合金C-22的焊接及使用要求.
通过扫描电子显微镜(SEM)和能谱扫描仪(EDS)等分析方法,结合力学性能试验,研究了TA1/Q235R爆炸焊接复合板的界面组织与力学性能.结果表明:TA1/Q235R在爆炸焊接后形成了规律的波状结合界面以及不均匀的漩涡状组织.漩涡组织主要由TiFe、TiFe2等脆性金属间化合物组成,漩涡组织中裂纹、夹杂物、脆性金属间化合物等缺陷导致界面的破坏易沿波形轨迹发生;钛/钢界面拉伸剪切强度达194 MPa,复合板的最大抗拉强度为440 MPa;拉剪断口表现为以脆性断口为主的混合断裂特征,断口特征表明漩涡组织中金属熔化层对钢侧的结合强度高于钛侧.板材拉伸断口为韧性断口.
高效率生产是焊接工作者持续追求的目标之一,而实现深熔深焊接是重要途径之一,尤其是能获得优异焊接质量但熔深较浅的TIG焊.活性焊接方法起源于AF-TIG焊(Activating Flux TIG welding),通过在普通TIG焊接前在待焊母材表面涂敷活性剂材料,可使得熔深显著增加,达到TIG焊熔深的2倍及以上.为了推动活性焊接方法的应用与发展,通过介绍活性焊熔深增加的两种机理,数值模拟在熔池流动、应力应变、活性剂过渡方面的应用,深入理解活性元素对熔深增加和焊缝性能的影响.并认为活性剂增加熔深机理有待厘清,加强研究活性元素在低温凝固阶段中的冶金行为及其对熔池金属相变过程和焊缝性能的影响规律,将会促进活性元素引入精细控制技术和新型活性焊接方法的开发.
采用高频脉冲MIG焊进行6082-T6铝合金15 mm中厚板对接焊,研究接头成形、微观组织和力学性能.接头条件为:坡口角度40°,焊接间隙1 mm,钝边0.5 mm,3层3道.结果表明:与常规脉冲MIG焊(深熔焊模式)相比,在相同的接头条件、焊接热输入降低约11％的状况下(常规脉冲MIG焊热输入为17.12 kJ/cm,高频脉冲MIG焊热输入为15.21 kJ/cm),高频脉冲MIG深熔焊的根部熔深增加约14％,两种焊接方法接头的组织类型相同,均为α-Al基体+化合物析出相,但常规脉冲MIG焊接头过热区的晶粒明显较为粗大;拉伸试样均断在热影响区处,断口呈典型的韧性断裂形貌,高频脉冲MIG接头的强度系数约为79％,较常规脉冲MIG焊接头的高出约4％;侧弯试样弯曲180°后,受拉面均无裂纹,焊接接头的塑性及熔合良好.对于6082-T6铝合金15 mm板厚的对接接头,高频脉冲MIG焊的焊接成形及接头的组织和性能优于常规脉冲MIG焊.
