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[博士论文] 马浩然
材料学 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:电子产品微型化推动封装技术由二维(2D)向三维(3D)发展,而多次回流工艺是3D封装普遍应用的技术。现有研究大都将多次回流简单归结为一次回流焊处理,所获得的多次回流界面反应机制与实际偏差较大。本文应用同步辐射实时成像及高压吹扫技术,分离多次回流钎焊过程各个阶段,并结合相应模拟手段,深入研究钎料合金成分、回流工艺参数、气泡缺陷、焊点尺寸下钎焊液固反应过程界面金属间化合物(IMC)生长机理及动力学,清晰地揭示出各Sn/Cu体系钎焊界面反应过程,并建立多次回流界面IMC生长模型。论文获得主要结论如下:
  1.Sn/Cu焊点多次回流保温阶段,界面IMC生长控制机制逐渐从Cu晶界扩散转变为体扩散,动力学时间指数由1/3趋近1/2;冷却阶段,界面IMC受Cu沉积作用快速生长,动力学时间指数为1;再加热阶段,Cu溶解度改变使界面IMC发生部分溶解,动力学时间指数为1,与冷却阶段互逆;基于此,建立Sn/Cu体系多次回流界面IMC生长物理模型。Sn-xCu/Cu焊点中Cu浓度升高,界面IMC生长速率增大,晶界扩散对界面IMC生长贡献相对减小;Sn-xAg/Cu焊点中,Ag3Sn纳米颗粒吸附在界面IMC晶粒表面,提高晶界扩散对界面IMC生长的贡献,且Ag3Sn尺寸越小、分布越弥散,效果越明显;TiO2纳米粒子能够抑制多次回流过程中界面IMC的生长,且温度越低,Sn-xTiO2/Cu焊点中TiO2含量越高,抑制效果越强。
  2.温度升高,保温时间延长,界面IMC尺寸、保温动力学时间指数增大;回流次数增多,界面IMC尺寸增大但平均生长速率降低;冷却速率加快,界面IMC平均生长速率增大,最终界面IMC尺寸、动力学时间指数减小。
  3.多次回流过程中,界面气泡与IMC会产生交互生长作用:IMC的生长、溶解及热胀冷缩会改变气泡尺寸;气泡隔绝液态钎料与Cu基板间接触,阻碍Cu向液钎内扩散,反过来抑制IMC生长。
  4.Sn/Cu及Sn-0.7Cu/Cu焊点尺寸减小,液钎中Cu浓度增大,IMC层厚度增大。Sn-3.5Ag/Cu焊点受Cu浓度和Ag3Sn颗粒的双重作用,尺寸减小,IMC层厚度先增大后减小。
[博士论文] 钟毅
材料学 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着电子器件集成度的不断提高,电子封装互连焊点尺寸持续减小。一方面,使得钎焊液-固界面反应受钎焊条件及原子扩散的影响更加显著,焊点在一定温度梯度下发生的金属原子定向热迁移行为及其对钎焊液-固界面反应的影响亟需阐明;另一方面,导致Sn基无铅微焊点在经历钎焊回流工艺后的晶粒个数迅速减少,仅形成几个甚至一个晶粒,由有限个数晶粒引起的各向异性问题使得微焊点的服役性能及可靠性面临严峻挑战,如何制备出晶粒形貌及取向可控的微焊点阵列成为先进封装制造中的关键问题。因此,在电子封装微型化发展趋势下,深入研究微焊点的钎焊液-固界面反应行为、晶粒取向控制技术及相关机理,具有广泛的理论研究和实际应用价值。
  本论文通过实验设计在焊点中形成一定温度梯度,采用同步辐射原位观察技术和电子背散射衍射技术等手段,系统研究了钎焊回流过程中焊点在温度梯度作用下的热迁移行为,深入分析了温度梯度对焊点钎焊界面反应及晶粒取向的影响规律和作用机制,提出了利用温度梯度快速制备全金属间化合物(IMC)焊点及调控焊点晶粒取向的方法。主要研究结果总结如下:
  1.Cu/Sn/Cu焊点在温度梯度作用下,Cu原子持续从热端向冷端热迁移,导致焊点冷、热两端界面IMC呈现非对称性演变,即冷端界面Cu6Sn5生长受到促进而持续快速生长,热端界面Cu6Sn5生长受到抑制而溶解受到促进,达到临界厚度后IMC生长与溶解处于动态平衡,厚度基本不变。同时,冷端Cu基体消耗较少,而热端Cu基体消耗严重。基于Cu原子迁移通量提出了温度梯度下界面IMC生长模型,较好地解释了Cu6Sn5的生长和溶解规律,并可预测热端界面Cu6Sn5的临界厚度。
  2.由于温度梯度驱动Cu原子持续向冷端热迁移及Cu6Sn5晶粒生长的各向异性,导致多晶Cu/Sn/Cu焊点冷端快速形成的界面Cu6Sn5晶粒具有较强的织构特征,其<0001>晶向趋于与温度梯度平行的方向择优;并且当单晶(111)Cu作为冷端金属基体时,冷端规则棱晶状Cu6Sn5持续外延生长且具有强烈的织构特征,其<1120>晶向趋于与温度梯度平行的方向择优。同时,发现由于β-Sn晶粒的生长也具有各向异性,导致焊点在一定温度梯度下凝固时形成择优取向的β-Sn晶粒。
  3.钎料中添加Zn元素可显著抑制热迁移引起的热端金属基体消耗及冷端IMC快速生长,而Ag元素对焊点热迁移行为无明显影响;揭示了添加Zn元素提高焊点液-固热迁移抗力的机理及界面Sn-Zn IMC层的脱落机制。
  4.温度梯度下制备全IMC焊点时,热端金属基体原子大量热迁移到冷端,加速界面反应的进程,全IMC焊点制备时间远短于传统等温工艺;并且对于Cu/Sn/Ni制备全IMC焊点时,在热迁移与Cu-Ni交互耦合作用下,可通过改变外加温度梯度的大小和方向,以调控反应形成的IMC类型、成分和制备时间。另外,当单晶(111)Cu作为Cu/Sn/Cu焊点冷端金属基体时,在热迁移作用下冷端Cu6Sn5持续外延生长,可形成规则形貌且具有强烈织构特征的全IMC焊点。
[博士论文] 周彦彬
材料连接技术 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着船舶制造、海洋工程、重型机械等行业产品大型化及重型化,中厚板对接焊的应用越来越普遍,其打底焊接效率对整个生产制造周期起着至关重要作用。对于中厚板打底焊接,单面焊双面成形是一种高效焊接工艺,该工艺可省去中厚板传统焊接时翻转、清根或施加背面强制成形等辅助工序,具有改善焊工劳动条件,提高制造效率等优点。当前实际应用的单面焊双面成形工艺多是通过单电弧摆动焊接实现,其焊缝质量不稳定,焊缝成形可靠性差,焊接速度较慢,制造效率受到很大限制。本研究将脉冲MAG电弧与直流TIG电弧并列,利用两电弧间电磁场耦合效应形成MAG-TIG双电弧热源,显著提高了中厚板打底焊接背面熔透及其成形控制能力。本文主要研究内容及结论如下:
  (1)MAG-TIG双电弧热源可在焊接线能量较低的(为单MAG电弧焊接的89%)条件下实现根部熔合良好,背面熔透均匀、连续、稳定,余高尺寸适中的单面焊背面自由成形打底焊缝。中厚板打底焊接接头的各项力学性能良好,其拉伸试样的断裂发生在远离焊接接头及其热影响区的母材(Q235-B)上,试样断后伸长率为21.8%,抗拉强度为463MPa。焊接接头硬度分布呈平缓过渡状态,未出现硬度过高区域。同时打底焊接接头具有良好的抗弯曲性能和冲击韧性。在本试验条件下,对于厚度为24mm的钢板,焊接热输入为798J/mm时,其单道熔敷填充金属高度达7.0mm。因此,MAG-TIG双电弧热源中厚板打底单面焊双面成形工艺省去了传统制造中的翻转、清根或背面施加强制成形措施等辅助工序,可显著提高中厚板打底焊接接头质量稳定性及生产制造效率。
  (2)MAG-TIG双电弧焊接时,由于后端TIG电弧的并列加入,合理利用两电弧间电磁场耦合效应,形成了前端MAG电弧偏移振动及后端TIG电弧前后振动的双电弧振动形态,提高了MAG电弧等离子体放电稳定性。同时通过分析MAG电弧与TIG电弧间电磁场耦合效应,即计算不同MAG焊接电流、TIG焊接电流、MAG电弧电压及电弧间距条件下双电弧焊接时前端MAG电弧的偏移振动幅度。结合对应参数条件下MAG-TIG双电弧等离子体放电形态及其稳定性,确定在本试验条件下MAG-TIG双电弧热源稳定参数范围为MAG焊接电流270-330A,TIG焊接电流50-150A,电弧间距20-25mm,MAG电弧电压30.0-31.6V。
  (3)MAG-TIG双电弧打底焊接时通过调节熔池前端偏移程度来实现中厚板打底单面焊双面成形焊缝背面成形尺寸的精确控制。由于TIG电弧对前端MAG电弧的电磁排斥效应,使得前端MAG电弧在焊接熔池前端产生偏移振动,由此使得熔池前沿距焊丝轴线距离(等效为熔池前端偏移)增加。当使得双电弧焊接熔池前端偏移区域面积S1与前端MAG电弧加热圆形面积S的比例k值为24.2%-33.4%时,打底焊缝背面成形的余高尺寸在2.0±0.5mm范围内。在热源能量密度状态不变条件下,打底焊接单面焊双面成形焊缝背面余高尺寸与熔池前端偏移程度呈正比关系。即当熔池前端偏移比率k值较小(k<24.2%)时,打底焊缝成形背面余高偏小(<1.5mm);当熔池前端偏移比率k值较大(k>36.9%)时,打底焊缝成形背面余高偏大(>3.0mm)。由此实现中厚板打底焊接单面焊双面成形焊缝背面尺寸调节。
  (4)MAG-TIG双电弧热源中厚板打底单面焊双面成形较单电弧焊接时液态熔池与背面成形更加稳定。其机制为:首先,由于两电弧间电磁场相互耦合效应,前端MAG电弧偏移振动,使得其部分电弧等离子热量直接加热熔池前方母材钝边处,熔池前端液态金属温度降低,表面张力升高,有利于熔池稳定。第二,后端TIG电弧再加热,改变了熔池温度分布状态,在电弧等离子体对液态金属剪切力和Marangoni对流效应共同作用下,使得前端液态金属向熔池后端流动,减少熔池前端液态金属重力作用。第三,前端MAG电弧偏移振动促进液态金属对流传热,使得熔池液态金属温度梯度减小,同时液态金属温度较低,其表面张力较大,有利于打底焊接单面焊双面成形熔池稳定与控制。
[博士论文] 李帅
材料连接技术 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:Al-Zn-Mg系合金为中等强度的时效强化型铝合金,具有较好的力学性能、抗腐蚀性能、热稳定性和焊接性能。目前关于Al-Zn-Mg系合金的研究主要集中于时效工艺规范优化和合金元素对其组织及性能的影响等方面,但关于焊接及热循环过程(热矫正和补焊)对Al-Zn-Mg系合金组织及性能影响的研究仍不够深入,尤其是Al-Zn-Mg系合金析出相在热循环作用下(焊接热循环、热矫正和补焊过程)的演变规律和作用机理,仍有待于深入研究。Al-Zn-Mg系合金结构中,熔化极惰性气体保护焊(Metal inter-gas welding,MIG)结构件比例高达90%。本文采用MIG焊方法将热处理状态为T5的Al4.5Zn1.5Mg合金和热处理状态为T4的Al4.8Zn1.2Mg合金进行焊接,系统研究了Al4.5Zn1.5Mg-T5/Al4.8Zn1.2Mg-T4铝合金MIG焊接头的断裂机制和腐蚀机理,深入探讨了热矫正和补焊过程对Al4.5Zn1.5Mg-T5合金力学性能和腐蚀敏感性的影响规律,重点阐述了基体析出相、无沉淀析出带和晶界析出相转变对Al4.5Zn1.5Mg-T5合金腐蚀敏感性的作用机制,为Al-Zn-Mg系合金的工程化应用提供了理论基础和科学依据。主要结论如下:
  (1)研究了Al4.5Zn1.5Mg-T5/Al4.8Zn1.2Mg-T4铝合金MIG焊接头的断裂机制和腐蚀机理。结果表明:由于气孔和夹杂物的存在,焊接接头断裂起源于Al4.8Zn1.2Mg-T4侧热影响区Ⅰ(Heat affected zoneⅠ,HAZⅠ)和焊缝交汇处,然后沿焊缝断裂,断裂机制为韧性断裂。焊接接头不同位置的腐蚀性能具有明显差异性,Al4.8Zn1.2Mg-T4侧的抗腐蚀性能最差,焊缝位置的抗腐蚀性能最好。焊接接头抗腐蚀性能不同,一方面是由于不同位置自身腐蚀性能的差异,即Al4.8Zn1.2Mg-T4侧扁长状晶粒更容易形成剥落腐蚀,而Al4.5Zn1.5Mg-T5侧和焊缝为等轴晶,不容易形成剥落腐蚀。另一方面在于接头不同位置间的电偶腐蚀效应:接头不同位置Zn、Mg和Cu元素含量和析出相体积分数的差异导致相应位置具有不同的腐蚀电位。Al4.8Zn1.2Mg-T4侧腐蚀电位较低,在电偶腐蚀中为阳极,优先腐蚀。
  (2)揭示了热矫正过程中淬火条件对Al4.5Zn1.5Mg-T5合金力学性能和抗腐蚀性能的影响规律。结果表明:热矫正过程中,淬火条件对Al4.5Zn1.5Mg-T5合金的抗拉强度影响很小,但是腐蚀性能降低。空冷条件下合金的抗腐蚀性能最差,而采用空冷5min然后水冷的方式,试样的抗腐蚀性能较好。
  (3)基于析出相转变规律,阐明了热矫正次数对Al4.5Zn1.5Mg-T5合金性能的影响及腐蚀转变机理。结果表明:热矫正次数对Al4.5Zn1.5Mg-T5合金抗拉强度的影响很小;随着热矫正次数增加,合金抗腐蚀性能逐渐降低。Al4.5Zn1.5Mg-T5合金腐蚀性能变化主要和晶界析出相转变以及溶质元素Zn和Mg从基体向晶界不断扩散有关。随着热矫正次数的增加,Zn和Mg元素以固溶体和GP区两种形式在晶界处聚集。GP区的电化学活性与晶界处的富Zn层相似,进而形成连续的腐蚀通道,使试样的抗腐蚀性能不断降低。
  (4)基于非平衡偏聚理论,揭示了不同热矫正次数下Al4.5Zn1.5Mg-T5合金腐蚀性能的转变机理。结果表明:热矫正过程中Zn和Mg分别与基体中空位形成复合体,向晶界处快速偏聚。由于三次热矫正过程Zn和Mg的等效恒温时间小于临界时间tc。因此,晶界处Zn和Mg元素含量随着热矫正次数的增加而增加,进而导致Al4.5Zn1.5Mg-T5合金的抗腐蚀性能逐渐降低。
  (5)探究了补焊对Al4.5Zn1.5Mg-T5/Al4.8Zn1.2Mg-T4铝合金MIG焊接头性能的影响。研究表明:补焊接头断裂于原始焊道和补焊焊道交汇处。补焊后焊接接头强度未发生明显变化,强度为280MPa。补焊导致接头不同位置的析出相发生变化,Zn和Mg元素向晶界处扩散,晶界与基体之间的腐蚀电位差进一步增加,导致焊缝两侧HAZI位置的抗腐蚀性能降低。
[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] 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] 李焱
机械工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:某厂常减压Cr5Mo工业管道在检修时在焊接接头处发现裂纹,严重影响管道使用安全,为此对常减压Cr5Mo工业管道进行失效分析,研究通过裂纹宏观分析、裂纹微观分析、熔合线区域分析和理化性能分析得出焊接接头失效的原因,并提出建议。本文主要研究内容如下:
  1、本课题通过研究国内外管道失效分析案例及失效分析技术,总结了管道焊接接头失效原因及分析方法,并归纳了一般工业管道焊接接头失效分析流程。
  2、本课题针对常减压装置Cr5Mo工业管道焊接接头,制定并细化失效分析流程,并对分析流程中每一个分析步骤进行了解释说明。
  3、本课题选取某大型炼化企业常减压装置材质为Cr5Mo的两根典型失效工业管道,依照工业管道失效分析流程开展了裂纹宏观分析、裂纹微观分析、熔合线区域分析和焊接接头理化性能分析,确定了失效原因,提出了下一步改进措施。
  通过常减压Cr5Mo工业管道焊接接头失效分析研究过程,综合分析本文得出以下结论:常减压Cr5Mo工业管道失效原因为焊缝成型差,应力集中,焊接高温停留时间短,冷速快造成热裂纹,同时焊接接头热影响区冲击韧性较差,且存在未熔合缺陷,使热裂纹从热影响区扩展。
  对比一般工业管道焊接接头失效分析流程,本文提出的失效分析流程针对裂纹失效的分析具有可行性。
[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] 刘俊岭
动力工程及工程热物理 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:电弧快速成形技术是依靠电弧熔化金属焊丝,按照设定的轨迹进行快速堆积成形的技术,其成形件具有力学性能良好,致密度高的优点,具有极大的发展潜力。本课题为了提高电弧快速成形的尺寸控制精度和成形件表面质量,进行了针对双丝焊系统及双丝成形技术的研究。
  首先进行了焊接设备的改进和双丝焊枪的设计,为焊接系统加设了一套细焊丝送丝设备,并且使用PLC对两套送丝系统进行控制。为了满足双丝焊接系统的工作要求,设计了一体式双丝焊枪,焊枪能够使用两种不同直径的焊丝进行成形工作,并且将细丝送丝机构集成至焊枪,提高成形系统集成性。
  随后进行了控制程序的编写,控制程序通过当前送丝速度和速度阈值的大小关系判断两送丝机构的工作状态。在成形过程中,系统能够通过触摸屏增减送丝速度,当送丝速度达到速度阈值时,能够进行焊丝的切换。
  最后完成整个双丝焊接系统的设计后,分别进行粗细两焊丝的成形试验,探究焊接参数对成形形貌的影响,通过细焊丝成形焊道和粗焊丝成形焊道的尺寸对比,得出当细丝实际送丝速度达到设定送丝速度的3.0倍时,同参数下两焊道尺寸最为接近,保持此实际送丝速度和设定送丝速度的比值,进行一焊丝先加速另一焊丝延迟后减速的交替成形试验,探究焊丝切换过程中减速送丝延迟时长对焊缝成形的影响。当减速延迟较低时,成形焊缝会出现先凹后凸的缺陷,当减速延迟达到切换过程总时长的60%时,能得到比较美观的焊缝形貌,当减速延迟继续增大,焊缝中间会出现凸起的缺陷。使用成形良好的减速延迟,进行递变参数双丝交替成形和跳变参数交替成形验证此参数在其他方式交替成形下能否适用,并且经试验验证,该减速延迟下,能够得到成形较为美观的成形焊缝。
[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] 张志勇
机械工程 河北农业大学 2018(学位年度)
摘要:随着激光切割技术水平迅速的提高与发展,激光切割机进行加工的型材种类逐渐趋于定型化,当前已有板料切割机、管料切割机、异型材料切割机和切割机械手等类型。对于中小型企业,经常加工小批量或异形件,购进多种机型,不仅增加了资金投入和场地占用,提高生产成本,同时造成设备闲置,造成不必要的浪费。为解决中小型企业设备综合利用问题,研究设计管件类零件激光加工辅助装置,提高激光切割机应用范围,完成一机多用的使用目标,对促进中小企业发展以及激光加工技术的普及具有较高的价值。
  国产GF-3015型激光切割机主要加工板材类零件,在不改变基本结构的情况下,增加管类零件加工功能,主要研究内容如下:
  (1)根据国产GF-3015激光切割机的切割能力和机床的空间,研究设计管类零件加工的辅助装置,其主要技术参数为:切割直径Φ20~Φ100mm,切割长度1000mm,切割厚度则根据不同材质确定,如切割不锈钢厚度小于3mm,切割碳钢厚度小于6mm。满足管类零件外圆切割和表面各类图形加工。
  (2)设计了管类零件加工的运动方案,采用双辊支撑机构和滚珠丝杠运动机构,解决了不同尺寸的管类零件旋转和精确定位的问题。应用Inventor三维软件构建辅助装置的运动模型,排除加工过程中运动干涉的问题。运用Inventor内置的Ansys有限元分析模块,进行静力学分析。计算了所需功率,选用步进电机作为控制电机。选购标准型材和标准件,加工制造样机。
  (3)选取广州数控系统控制管类零件辅助装置。结合国产GF-3015型激光切割机自身的控制系统和加工程序,进行了管类零件加工试验研究。
  (4)综合运用管类零件辅助加工装置与GF-3015型激光切割机,对影响加工质量的参数(切割功率、切割速度以及保护气体压力等),通过单因素试验确定主要影响因素,再通过多组正交试验,确定不同规格的管类零件的合理切割参数,通过实际应用,构建部分加工管类零件的数据库,实现管类零件外圆切割和表面各类图形设计加工的目标。
[硕士论文] 毛津
材料科学与工程 中北大学 2018(学位年度)
摘要:镁合金的连接是限制其广泛应用的关键技术之一。目前,镁合金的焊丝种类较少,成分跨度也比较大,而且难以制备,不易保存的问题还仍未解决,而且镁合金焊丝直径一般都大于1.6mm,只适用于中厚板的焊接,而适用于薄板焊接的焊丝较少,这会在一定程度上限制镁合金的焊接生产和广泛应用。
  铝/镁异种金属焊接提出以来,受到了很多学者的关注。铝/镁金属间化合物的生成与难控制是铝镁异种金属焊接中出现的主要问题。本文将以AZ91D镁合金为研究对象,研究采用铝基焊丝进行镁合金直流MIG焊的可焊接性,探究铝/镁异种金属焊接金属间化合物的形成机理和分布规律,并分析接头的力学性能变化,为铝/镁异种金属熔化焊的金属间化合物及缺陷的控制提供理论依据,为采用异质焊丝替代镁合金焊丝的新型高效镁合金焊接技术研究提供理论参考和数据参考。本文的研究过程及结果如下:
  首先,采用S301、CL1170、ER5356三种铝基焊丝进行6mm厚AZ91D镁合金板对接MIG焊工艺研究,探究焊接工艺对焊缝成形的影响,通过对比焊缝的成形状况,得出各自成形较好的焊接工艺。实验发现,相比于采用S301焊丝,采用CL1170和ER5356焊丝能够实现有效连接的焊接工艺范围更加宽泛,接头的热裂倾向小,焊缝的缺陷也较少。对比相同工艺参数下的采用CL1170和ER5356焊丝的焊缝成形结果,发现采用ER5356可以明显改善焊接飞溅和焊缝下塌的缺陷。
  其次,选取三种焊丝各自成形较好的焊接接头进行金相实验,XRD衍射分析和显微硬度测试,实验发现,采用铝基焊丝的镁合金熔化焊焊缝中会析出大量熔点低且脆硬的β-Al12Mg17相,其主要分布在α-Mg固溶体晶界及晶间,这是造成接头热裂倾向较大的主要原因。对比这三个接头的组织,发现随着熔合比的增大,焊缝中α-Mg固溶体的相对含量增大,晶粒变大,焊缝平均硬度呈减小的趋势。综合考虑,在保证其他参数不变的情况下,采用CL1170焊丝在190A,22V时的焊接接头性能最优。
  最后,在CL1170焊丝190A,22V焊接工艺的基础上进行添加锌箔夹层的实验,来探究不同厚度(0.1~0.4mm)锌箔的添加对焊缝中组织的影响。通过金相实验,硬度测试,XRD衍射分析,SEM和EDS分析发现,锌箔的添加能够明显抑制β-Al12Mg17相生成,并会有MgZn2、Al5Mg11Zn4、Al6Mg11Zn11等新相析出。焊缝中的Zn主要分布于晶间,随着Zn添加量的增多β-Al12Mg17减少,MgZn2增多,焊缝的显微硬度呈现先减小后增大的趋势。综合考虑,添加0.1mm锌箔的焊缝组织及性能改善效果最佳。
[硕士论文] 蔡源超
机械工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:随着制造业的迅猛发展,中厚板钢铁材料已经广泛应用于海洋工程、隧道盾构、建筑钢结构等大型工程装备制造领域,中厚板的焊接问题也愈发受到人们的重视。目前常见的中厚板焊接方法为多层多道焊和埋弧焊,存在焊接效率低、焊前准备工作多、焊缝成型差等问题,焊接方法亟待改进。
  高效深熔TIG焊接能提高焊接效率和焊接质量,是中厚板焊接的理想方法,但在高速焊接时的单面焊双面成型质量方面还有待提高。与单独深熔TIG焊相比,激光-深熔TIG复合焊中两个热源之间相互耦合,激光的加入改变了原有的TIG电弧导电通道,具有压缩和吸引电弧的作用,提升了电弧挺度和穿透力。另外,激光可以搅拌熔池,加速液态金属的流动,从而改善了焊缝成型。因此,激光-深熔TIG复合焊接方法能够提高焊接速度、减少热输入、改善焊缝成型,是一种新型高效的焊接技术。
  以10mm厚的Q345B碳钢板为母材,采用平板堆焊的方式,研究了激光-深熔TIG复合焊主要工艺参数(激光功率PL、焊接电流I、离焦量△f、热源间距DLA和排布方式)对焊缝成型的影响规律,并对其进行优化,得出如下结论:复合焊接时的最佳离焦量为-1mm~0mm,最佳热源间距约为0.5mm,激光在前、电弧在后的复合焊模式焊接效果更好。
  为研究复合焊接在提高焊接速度方面的作用,分别采用单独深熔TIG焊和激光-深熔TIG复合焊两种方法,对6mm碳钢板进行单面焊双面成型对比实验,结果表明复合焊焊接速度可达1000mm/min,是单独深熔TIG焊接速度的3.6倍,且复合焊的双面成型质量均优于单独深熔TIG焊;为研究激光-深熔TIG复合焊接在单面焊双面成型方面的作用,分别对10mm厚碳钢板、10mm厚开Y型坡口碳钢板(钝边4mm,坡口角度30°)、6mm厚不锈钢板进行焊接实验,均可实现高焊速的单面焊双面成型,焊缝成型良好;针对实际焊接场合存在的组对间隙和错边问题,开展了适应性试验研究,复合焊的最大容忍度组合为1mm间隙+1mm错边,对错边的容忍度比组对间隙容忍度高。
  为综合评价激光-深熔TIG复合焊接的焊缝成型质量,对激光-深熔TIG复合焊接头的微观组织进行观察分析,根据热源作用区域的不同,将焊缝分为电弧-激光区和激光区,电弧-激光区的组织主要有针状铁素体、粒状贝氏体和少量马氏体,激光区的组织和电弧-激光区类似,但共析出了块状铁素体。焊接接头的显微硬度在热影响区(HAZ)的过热区达到峰值(308HV)。力学性能试验结果表明:激光-深熔TIG复合焊接接头抗拉强度在570MPa左右,伸长率约为21%,断裂位置为母材;焊缝正弯和背弯角度达到100°时未发现裂纹;在室温冲击试验时,焊缝处冲击功平均值为92.5J,热影响区处冲击功平均值为83J。
[硕士论文] 柏长林
车辆工程 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:焊接是机械加工的重要组成部分,目前我国路灯杆、高压铁塔及通讯信号塔等,焊接加工环节仍以手工焊接为主,当传统手工焊接在效率与质量都不能满足工业发展的需求时,我们必须利用已有的先进工业控制技术结合生产实际,对传统焊接进行升级改造以实现焊接的智能化。智能焊接以其低成本、低污染、高效率、高可靠性的特点,越来越受到企业重视,智能焊接为企业节约成本、提高生产效率和质量提供了保证,且智能焊接不仅可用于民用领域,还可用于军工、航空等高尖端领域,研究智能焊接技术与装备已经刻不容缓。本文主要针对的是直径在0.4~1.0m之间且长度可达12m的多棱管内部只焊两端或干脆不焊的问题,设计一种利用激光视觉传感器导向的焊接智能小车原理样机,并对焊接智能小车原理样机的焊缝跟踪性能进行研究,文章主要完成了以下工作内容:
  (1)从焊缝图像处理的理论方法入手,收集并整理本设计中需要用到的相关资料。通过对这些资料的理解分析,掌握焊接智能小车设计时所涉及的知识,为焊接智能小车设计积累一定的理论基础,在理论指导下完成整个焊接智能小车的设计。
  (2)对焊接智能小车的结构进行设计。通过分析焊接智能小车需要达到的承载重量,对焊接智能小车的加工材料进行选型。通过选定的电子元器件的外形尺寸及安装位置,对焊接小车外形结构的最小尺寸进行了计算,又参考常用多棱管的最小内径对焊接智能小车的最大外形尺寸进行计算,最终确定了最优的车身结构尺寸。然后还对焊接智能小车的执行部件安装位置进行设计,为焊接智能小车后续的模拟焊缝跟踪实验完成提供保证。最后对整个焊接智能小车结构进行有限元分析,结果表明焊接智能小车结构设计及材料选型均符合要求。
  (3)对焊接智能小车的硬件系统进行设计。采用OV7620数字摄像头作为焊接智能小车的图像采集器,MK60单片机作为整个系统的中央处理器,步进电机及舵机作为驱动部件。通过MK60单片机分析焊缝图像计算出焊缝特征点位置坐标,并将特征点位置信息保存在循环队列中,当焊炬到达该特征点附近时再调用信息,控制舵机及步进电机相互协作完成寻找焊缝的工作。
  (4)对焊接智能小车控制系统软件进行设计,主要包含图像采集程序设计、图像处理算法设计、步进电机和舵机驱动程序设计及串口通信程序设计。在图像处理程序中针对多棱管焊缝特点设计了一种行列扫描算法,使用该算法可以准确快速的提取出焊缝特征点的坐标位置。
  (5)对焊接智能小车焊缝跟踪性能进行检测。首先检测了行列扫描算法对焊缝特征点提取的准确性,接着检测了焊接智能小车模拟跟踪的性能。通过LabVIEW上位机软件设计了焊缝特征点坐标显示程序,通过将算法计算结果的列坐标与图像中的V型激光条纹底端顶点列坐标做比较,证明算法对焊缝特征点提取的准确性。通过使用细实线模拟焊缝,黑色签字笔代替焊炬完成模拟焊缝跟踪实验,结果证明跟踪误差达到焊接要求,焊接智能小车原理样机初步具备跟踪能力。
[硕士论文] 吴阳
软件工程 广西大学 2018(学位年度)
摘要:圆形件切割下料工艺涉及到工业生产的方方面面。在铂金、飞行器制造、玻璃切割、变压器生产等行业中,圆形零件的切割下料有着广泛的应用。此类问题的优化目标是在定额的原材料上寻求有效、科学的方法切割出尽可能多的圆形零件,提高原材料的利用率,降低企业生产成本。圆形件下料问题主要有三个研究方向,第一种是板材中圆形件的下料问题,第二种是卷材中圆形件的下料问题,第三种是球体的集装箱问题研究。目前,圆形件的下料问题仍然是国内外研究的一个热点。
  本文研究的是圆形件在卷材中的下料问题,是指将一定规格和数量的圆形件毛坯放置在定宽不定长的卷材上,目标是使消耗的卷材长度最短。因此,本文所做的主要工作如下:
  (1)在最佳位置放置算法(Best Location Place-BLP)盼基础上,提出改进的最佳位置放置算法对圆形件进行定位排样。根据两种位置搜索策略,直接在已放置的圆弧上搜索可行位置,使两个毛坯相切放置,在保证利用率的同时,提高圆形件放置的速度。采用自适应遗传算法对圆形件下料序列进行引导。引入动态遗传算子在种群进化过程中对个体的交叉和变异概率进行自适应的非线性调整,提高算法收敛速度。在进化过程中,采用较好的选择交叉和变异策略寻求最优的排样序列。
  (2)将自适应遗传算法与模拟退火算法融合求解圆形件下料问题,遗传算法局部搜索能力差,很容易陷入“早熟”状态,影响最终的求解质量。为此,在遗传算法进化过程中,引入模拟退火算法,通过模拟退火中的Metropolis准则对个体进行接受判定,使其具有了跳出局部极值的能力。采用遗传退火算法求解圆形件下料问题,要双次计算种群中个体的适应度值,时间复杂度比较高。为了更适用于工业生产的要求,采用主从式遗传退火策略,将个体的适应度评价过程即圆形件的放置过程分多线程同时处理。以此提高算法的时间性能。
  (3)采用JAVA编程语言设计开发圆形件下料系统,通过国际通用数据与参考文献中的算法进行对比,表明本文的算法具有更高的下料利用率。
[硕士论文] 詹宇鹏
机械工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:硫酸是现阶段产量最大的无机酸,也是许多无机和有机化工产品的重要生产原料。在化工、国防等重要领域有十分广泛的应用。实际的工业生产中是用管道输送浓硫酸的方式来完成运输工作的。由于焊接过程会使材料受热导致元素的偏析与沉淀,所以浓硫酸管道焊缝位置的腐蚀现象最为突出,浓硫酸管道的腐蚀失效问题严重阻碍了硫酸工业的发展。本文以某公司浓硫酸装置输送管道焊接接头位置存在的腐蚀泄漏问题为出发点开展相关的研究工作,利用表面分析技术及电化学方法研究在静态条件下工业生产中浓硫酸输送管道常用材料(304不锈钢、316L不锈钢、20号碳钢)焊接接头上不同位置试样的腐蚀行为随浓硫酸温度的变化趋势,并结合焊接热处理工艺,研究了焊接热处理对三种材料焊接接头在浓硫酸中电化学腐蚀行为的影响,主要得出以下结论:
  (1)对现场管道焊接接头试样进行表面腐蚀形貌分析、材料化学成分分析、电化学分析,得出:304不锈钢与20号碳钢试样焊接接头各区域在浓硫酸中腐蚀形式主要为点蚀,母材区域几乎未出现点蚀现象。304不锈钢热影响区位置的材料腐蚀最严重,出现明显的腐蚀穿孔现象,20号碳钢试样焊缝位置出现了明显的腐蚀沟。
  (2)使用显微金相法及电化学实验法研究不同温度条件下304、316L不锈钢和20号碳钢试样在静态浓硫酸中的反应特性。由显微金相实验可知:极化后304与316L试样母材位置的材料腐蚀较轻,热影响区材料腐蚀现象明显,20号碳钢试样极化完成后焊缝区域会出现明显的点蚀现象,母材位置以均匀腐蚀为主。
  当介质温度不变时,304与316L不锈钢试样各位置材料耐蚀性由强到弱为母材>焊缝>热影响区,20号碳钢试样各位置材料耐蚀性由强到弱为母材>热影响区>焊缝。随着腐蚀介质温度的不断升高,容抗弧半径与相位角峰值会不断减小,电化学反应电阻值也会呈现减小的趋势,反应速度加快。
  (3)对热处理后304、316L不锈钢、20号碳钢试样在浓硫酸中的反应过程进行研究得出以下结论:热处理后304与316L不锈钢试样晶粒尺寸都明显变大,极化后试样表面点蚀坑深度与数量均有下降,试样各位置耐蚀性由强到弱为母材>焊缝>热影响区。20号碳钢试样在热处理后晶粒尺寸减小,均匀度提高,极化后试样上各位置的腐蚀程度接近,试样表面点蚀坑位置分布相对均匀。热处理后20号碳钢试样母材区域反应电阻值下降,焊缝与热影响区材料的反应电阻值显著升高。
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