2021年, 第42卷, 第11期　
刊出日期：2021-11-25

  

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研究论文
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  基于视觉与重力融合传感的焊枪位姿反馈控制

  张天一, 朱志明, 朱传辉

  焊接学报. 2021, 42(11): 1-7. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210604001

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  为了实现焊缝跟踪、焊枪高度及其空间姿态的检测和闭环反馈控制，有效控制任意空间姿态焊接接头的焊缝成形质量，构建了基于视觉传感与重力感应融合的焊枪空间位置、姿态在线检测与闭环反馈控制系统；结合建立的检测数学模型，检测系统实现了对焊枪相对于工件的空间位置和姿态、焊枪相对于重力加速度方向的空间姿态、焊接接头相对于重力加速度方向的空间姿态的在线实时检测. 结果表明，系统实现了焊枪空间姿态的实时反馈控制，控制精度可达0.1°，并实现了电弧焊接过程中的焊缝横向实时跟踪和焊枪高度实时调控，焊缝横向跟踪与焊枪高度调控的平均偏差分别为0.20和0.78 mm. 实现任意空间姿态焊接接头的自动化焊接，可有效提升焊接装备的智能化水平.
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  铝合金与高强钢摩擦塞铆焊接头连接性能

  Lyu Shuqiang, Kim Jihoon, Cho Haeyong

  焊接学报. 2021, 42(11): 8-13. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210310002

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  为了解决铝合金与高强钢材料之间连接困难的问题，保证铝合金与高强钢之间的连接质量，采用摩擦塞铆焊工艺实现了6061-T6铝合金和DP1470高强钢的连接，并通过对接头宏观形貌和微观组织特征的观察、接头力学性能的测试以及接头失效形式的对比，研究了摩擦塞铆焊所获接头连接性能的变化规律. 结果表明，转速是影响焊接质量的重要因素. 在焊接试验过程中，转速控制范围为5000 ~ 8000 r/min，接头的抗拉强度随转速的增加先升高后降低，当转速达到7000 r/min时，接头所承受的剪切载荷最大，可以达到6.3 kN，此时得到的接头表面平整，无明显孔洞、裂纹等缺陷. 铝合金板材在接头处发生断裂失效时，接头所能承受载荷相对较大，焊接质量较高. 因此，铝合金和高强钢能够通过摩擦塞铆焊工艺实现高质量连接.
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  液相分离对T2紫铜/316L不锈钢接头组织及性能的影响

  朱元皓, 董红刚, 吴宝生, 郭柏征, 李鹏

  焊接学报. 2021, 42(11): 14-21,89. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210506002

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  采用钨极氩弧焊填充纯铜焊丝进行T2紫铜/316L不锈钢异种金属焊接工艺试验，分析了接头微观组织的形成机制. 结果表明，使用纯铜焊丝时，铁-铜液相分离对铜/钢焊缝组织的形成起主导作用. 以铜为基体的焊缝中分布着大量由铁-铜初次液相分离形成的富铁球，在其内部还分布有标志着铁-铜二次液相分离的富铜相. 富铁球内的析出相在表面能梯度和密度差的作用下，向富铁球中心呈球状聚集. 由于成分和所处区域的冷却速率不同，富铁球呈现不同的形貌. 基于熔池边界凝固理论，分析了接头铜/钢界面未混溶区宏观偏析机制. 填丝焊时，熔池边缘形成非等温边界. 纯铜焊丝制备接头铜/钢界面处液态钢母材的温度高于熔池主体，导致岛状和半未混溶区的形成. 接头的铜侧存在由粗大晶粒和正常尺寸晶粒组成的软化区，拉伸试样均断裂于此，抗拉强度达到铜母材的81.7%.
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  钛/铝激光熔钎焊接头原位 TEM 拉伸断裂行为

  陈曦, 姜楠, 毕江, 姜梦, 梁静伟, 林三宝

  焊接学报. 2021, 42(11): 22-28. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210420001

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  对于钛/铝异种金属熔钎焊接头，钛合金侧界面金属间化合物层的形态、厚度对接头力学性能存在显著影响.传统微观组织表征 + 宏观力学性能测试的方法无法直观获得纳米尺度下裂纹的萌生及扩展过程.基于此，采用原位TEM表征技术，对钛/铝熔钎焊接头界面金属间化合物层处的拉伸断裂行为展开研究，阐明界面金属间化合物层对接头力学性能的影响规律.结果表明，金属间化合物层物相主要以TiAl相和TiAl₃相为主，在原位TEM拉伸过程中，焊缝熔合区铝合金晶粒内部容易发生位错塞积，裂纹倾向于在位错塞积处萌生扩展.界面层不是拉伸试样的薄弱区，试样倾向于在焊缝熔合区或钛合金侧发生断裂.
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  感应钎涂粉末熔融及传热机制

  龙伟民, 刘大双, 张冠星, 吴爱萍

  焊接学报. 2021, 42(11): 29-34. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210916001

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  感应钎涂技术是材料表面修型提性的重要技术手段，分别选用碳钢和陶瓷作为基板进行感应钎涂试验，系统研究了粉状和膏状钎涂层温度变化规律，分析了钎涂过程热量传递方式和路径. 结果表明，感应钎涂时涂层材料不能被直接感应加热，钎涂层升温的热源几乎全部来自于钢基体的热传导，液固界面剧烈传热并梯次推进，促进了金属钎料的熔融铺展；当基材由导电且能够被感应加热的碳钢替换为陶瓷时，涂层材料升温只能依靠自身生热. 粉状钎涂料呈游离态，粉末颗粒之间及粉末颗粒与金刚石之间充满气体，基体的热量难以传导至上部，粉末难以充分熔融，而添加粘结剂的膏状钎涂料在感应过程中能快速熔化，粘结剂兼有导热、助熔和保护等多重作用.
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  Q235钢与5052铝合金感应-静压焊接头界面微观组织和力学性能

  高恺, 刘桂奇, 李坤, 朱刘博, 顾红历

  焊接学报. 2021, 42(11): 35-42. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210509001

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  为了有效实现车身上的钢/铝复合结构连接，提出了一种新型的焊接与连接技术?感应-静压焊(induction-pressure welding，IPW). 通过光学显微镜、电子扫描显微镜对钢/铝合金连接界面的组织形貌进行观察，通过X射线色散能谱仪、X射线衍射仪及显微硬度计测试了钢/铝连接界面的化学成分、金属间化合物种类以及显微硬度. 结果表明，采用感应-静压焊工艺可以实现Q235钢与5052铝合金的有效连接. 接头界面上1、2号试样的金属间化合物平均厚度分别为115，85 μm. 接头界面的微观组织形貌呈锯齿状，并且组织向钢侧生长. 接头界面组织的硬度明显高于两侧钢铝基体组织的硬度，1，2号试样接头的抗拉强度分别为49，158 MPa. 同时，在整个感应-静压焊工艺过程中，随着加热温度的降低，金属间化合物厚度呈线性减少. 此外，还发现铝原子的扩散能力显著高于铁原子. 故而，在钢/铝感应-静压焊接头界面生成了富铝的金属间化合物Fe₂Al₅和FeAl₂.
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  基于改进条件邻域熵的接头疲劳寿命影响因素分析

  邹丽, 任思远, 杨光, 杨鑫华

  焊接学报. 2021, 42(11): 43-50. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210323001

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  引入监督策略对粒化条件邻域熵进行改进，提出基于监督粒化的条件邻域熵属性约简算法. 在4个公开的数据集上对算法性能进行了试验. 结果表明，所提出的算法具有较高的约简率和分类准确率. 建立了基于该算法的铝合金焊接接头疲劳寿命影响因素分析模型，并基于互信息理论分析了焊接接头疲劳寿命各影响因素之间的耦合关系. 分析结果表明，应力集中系数受接头类型与焊接方法影响最大，受焊脚长度影响最小，说明在计算应力集中系数时接头类型与焊接方法的影响需要重点考虑；等效结构应力范围对于接头疲劳寿命影响的权重为0.461 2，名义应力范围的权重为0.347 3，说明经过应力修正之后，等效结构应力范围相较于名义应力范围对接头疲劳寿命影响的权重值增加，因而能更准确的预测接头的疲劳寿命.
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  钢/铝管磁脉冲辅助半固态钎焊界面行为

  杨正, 胡建华, 王跃申, 杨凌志

  焊接学报. 2021, 42(11): 51-56. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201217002

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  结合电磁成形技术和半固态钎焊技术，提出了一种钢/铝管磁脉冲辅助半固态钎焊工艺，利用电磁脉冲产生的洛伦兹力使铝外管高速碰撞半固态钎料，通过半固态钎料中固相颗粒对母材表面径向压缩和轴向剪切作用去除母材表面氧化膜，实现钢铝异种管材的无钎剂钎焊. 在不同工艺参数下进行了钢/铝管磁脉冲半固态钎焊试验，研究了钎焊接头界面元素的扩散行为和金属间化合物的生长机理. 结果表明，焊缝组织主要为α-Al以及富锌相，铝侧界面处的Al₂O₃氧化膜破碎与去除情况良好，钢侧界面处有薄层FeAl₃金属间化合物形成，各部位均获得较好的冶金结合.
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  元素分布对FeCoCrNi高熵合金涂层微观组织的影响

  王磊磊, 刘婷, 段舒尧, 占小红

  焊接学报. 2021, 42(11): 57-64. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210707004

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  聚焦于激光熔覆高熵合金表面强化技术，开展了6 mm厚TC4钛合金板材表面激光熔覆FeCoCrNi高熵合金涂层的研究. 首先通过X射线衍射(XRD)对FeCoCrNi高熵合金熔覆层进行物相分析，探究其相组成. 随后，利用金相显微镜和场发射扫描电子显微镜表征手段，探究了熔覆层以及其与TC4基体结合界面处的微观组织形态及物相分布. 结果表明，Ti，Ni组合和Ti，Co组合具有最大的负混合焓(?H_mix)，因此易造成部分物相中(Ti，Ni，Co)的富集，而其周围相中则会呈现出(Fe，Cr)的富集. 结合界面上部和下部主要由灰色的柱状晶组成，中部区域主要由白色网状组织和灰色收缩孔洞组成.
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  基于开源切片路径规划的机器人电弧增材制造系统

  洪恩航, 刘美红, 黎振华

  焊接学报. 2021, 42(11): 65-69. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210312004

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  为提高电弧增材制造的灵活性和路径规划可靠性，使用ABB IRB1410工业机器人和Fronius CMT TPS3200焊接电源，通过Python自主编程利用开源切片软件Cura，成功搭建了电弧增材制造系统，自主开发了电弧增材制造软件，并进行了4043铝合金电弧增材成形. 结果表明，自主开发的电弧增材软件能够读取开源切片软件Cura输出的二维路径数据，并进行转换和输入工业机器人，控制焊枪运行路径和焊接电源运行参数，有效实现电弧增材制造. 使用直径1.2 mm的4043铝合金焊丝，在送丝速度为3.2 m/min、焊接速度8 mm/s、层高1.65 mm、氩气保护气体流量15 L/min条件下，分别成功制备71层单道多层试样和58层单道多层壳体零件. 试样微观组织分析结果表明，成形件凝固组织为典型柱状晶，层与层之间搭接良好. 壳体零件形状完整、表面质量良好.
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  基于改正二维主成分分析的焊缝表面缺陷检测

  周兆逸, 张亚南, 王肖锋, 刘军

  焊接学报. 2021, 42(11): 70-76. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210412001

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  机器人焊接因零件形状不规则和焊接工艺复杂不可避免带来各种焊缝缺陷. 针对二维主成分分析应用于焊缝表面缺陷检测时面临计算复杂度高、分类准确率低及无法进行增量学习等问题，提出了一种基于均值更新的增量二维主成分分析(mean updated incremental two-dimensional principal component analysis，MUI2DPCA)算法，并将MUI2DPCA和前馈神经网络( feedforward neural network，FNN)相结合进行焊缝表面缺陷在线检测. 首先，对相机捕获的视频帧图像进行预处理得到焊缝局部块图像. 然后，利用MUI2DPCA在线提取局部块图像的模式特征. MUI2DPCA对图像的特征主成分进行增量迭代估计，降低计算复杂度，并且能够增量更新当前的样本均值，减少无关特征变化对主成分收敛性的影响. 最后，利用FNN建立提取的模式特征与焊缝类别之间的联系，实时返回焊缝表面缺陷的检测信息. 试验结果表明，该检测方法平均分类准确率为95.40%，平均处理速度可达29帧/s，能够满足焊缝在线检测的实时性要求.
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  基于高通量测试方法的高功率激光焊接工艺特性分析

  杨义成, 冷冰, 黄瑞生, 聂鑫, 马一鸣, 武鹏博

  焊接学报. 2021, 42(11): 77-82. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210825002

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  为了更加高效、精准的获得工艺参数对高功率激光焊接工艺特性的影响规律，提出了激光焊接特性分析用高通量测试方法，并借助高速摄影和图像处理技术对测试过程中的光致羽辉和飞溅进行了统计分析. 结果表明，随着激光功率增加，焊接过程中飞溅数量与波动程度增加，对应焊后表面成形质量变差，内部裂纹增加；对于万瓦级激光焊接，相较于正离焦焊接，负离焦量焊接时的焊缝成形更为优异，焊接过程飞溅数量得到有效抑制，熔深波动程度也得到明显改善；实际焊接结果与激光焊接特性高通量测试结果高度一致，这说明基于高通量测试方法的激光焊接特性分析方法可以真实、快速的反映出工艺参数变化时对焊接特性的影响规律，是一种切实可行的激光焊接特性分析新方法.
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  变极性GMAW焊接电源仿真建模与设计

  曾敏, 叶秋金, 李阳, 胡子鑫

  焊接学报. 2021, 42(11): 83-89. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210524001

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  针对焊接过程中热输入大、薄板易熔穿等问题，研制了一种基于STM32F405单片机的高效变极性熔化极气体保护焊(variable-polarity gas metal arc welding, VP GMAW)焊接系统，可以通过调整焊接电流正负极性的时间以及电流的大小来控制焊接工件的热输入量. 通过分析带耦合电感的半桥式二次逆变电路电流换向状态，建立相应的数学模型. 针对变极性焊接过程中存在的问题，设计理想的控制波形并制定相应的控制策略. 以上述的数学模型和控制方案为基础，建立变极性熔化极气体保护焊(gas metal arc welding, GMAW)焊接系统仿真模型，验证控制策略的可行性. 将仿真结果与实际测量波形进行对比分析. 结果表明，所建立的仿真模型符合实际预期，可以为变极性电源设计提供较好的参考模型. 最后在焊接平台上使用制造的VP GMAW焊接样机在1 mm薄钢板进行堆焊试验. 结果表明，焊缝表面光洁、成形规则，即使在变极性下依然能够实现薄板的稳定焊接.
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  TA2/ Co₁₃Cr₂₈Cu₃₁Ni₂₈/ Q235脉冲TIG焊接头组织与性能

  裴龙基, 胡志月, 瞿龙, 蒋淑英, 张军利

  焊接学报. 2021, 42(11): 90-96. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210427002

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  针对钢与钛之间因物化性能差异大，焊接过程易产生大量金属间化合物而难以实现可靠连接的问题，依据焊缝金属固溶高熵化思路，选用Co₁₃Cr₂₈Cu₃₁Ni₂₈高熵合金作为中间过渡层对TA2钛和Q235钢进行脉冲钨极氩弧焊，并对Co₁₃Cr₂₈Cu₃₁Ni₂₈高熵合金及接头的组织和性能进行分析研究. 结果表明，Co₁₃Cr₂₈Cu₃₁Ni₂₈主要是双相面心立方结构，分别为富Cu的晶间和晶内面心立方结构，强度和塑性良好；焊接接头两部分焊缝均成形良好，无气孔、裂纹等缺陷，焊缝组织均为简单的固溶体结构，Q235侧焊缝主要为面心立方结构相，TA2侧焊缝主要由简单的体心立方结构和面心立方结构相构成，以体心立方结构相为主；焊接接头抗拉强度为224 MPa，在TA2侧靠近高熵合金的熔合线处断裂，主要由于生成了脆性的Cr₃O₈，断口有较多韧窝和一部分解理面，为混合断裂，表现出一定的韧性断裂特征.
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  2021-11 期英文摘要

  焊接学报. 2021, 42(11): 97-102.

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