2021年, 第42卷, 第12期　
刊出日期：2021-12-25

  

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高能束精密焊接专题
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  W6钢电子束焊后表面重熔硬化

  陈国庆, 滕新颜, 树西, 张秉刚

  焊接学报. 2021, 42(12): 1-6. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210413002

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  高速钢是一种具有高硬度、高耐磨性的特殊工具钢.对于进行过球化退火的高速钢，其显微硬度损失较大，严重影响其应用.为恢复球化退火W6Mo5Cr4V2高速钢表面的显微硬度，同时保证其内部良好的韧性不受影响，采用电子束表面重熔对其表面进行硬化.结果表明，重熔表面整体呈现平整光滑状态，存在小尺寸熔坑，重熔层内部呈现胞状树枝晶组织，主要由马氏体、残余奥氏体、晶间网状M₂C共晶碳化物以及细棒状MC碳化物组成，呈现不均匀的条带状分布，在重熔区边界存在未熔碳化物，在重熔区中心区域碳化物均匀性较高，并对晶间碳化物的形成机理进行了分析.经过电子束表面重熔，由于晶内针状马氏体以及晶界脆性碳化物生成，W6Mo5Cr4V2高速钢表面的显微硬度由283 HV提高到800 HV以上，母材的显微硬度恢复效果显著.
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  氮气辅助316L不锈钢激光-MIG复合焊接组织与耐蚀性能

  仲杨, 郑志镇, 李建军, 张华

  焊接学报. 2021, 42(12): 7-17. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210421005

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  为了提高纯氩气下MIG焊接316L不锈钢的稳定性、改善焊缝组织以及强化耐腐蚀性能，引入1 200 W小功率激光对MIG电弧进行诱导压缩，同时在氩气中混入氮气，探索不同流量比的Ar-N₂混合气体对焊缝微观组织及其耐腐蚀性能的影响. 结果表明，激光的诱导作用能够收缩并稳定MIG电弧，随着氮气流量的增加，焊缝的熔合线逐渐平缓，内部气孔缺陷明显降低；XRD测试和显微组织分析发现，渗氮后的焊缝内部γ相含量明显增多，中下部区域均为细小均匀的γ胞状晶，中上部区域为γ树枝晶，并且一次枝晶间距逐渐减小. 当氮气流量增加到5 L/min，焊缝的显微硬度可综合提升20 HV；电化学极化测试发现，渗氮之后的焊缝表现出更强的耐腐蚀性能. 试验证实，氮气辅助激光-MIG复合焊接工艺能够改善316L不锈钢焊缝的显微组织和耐腐蚀性能，当Ar∶N₂气体流量比为20∶5时，γ相的强化效果最显著，综合耐腐蚀性能最好.
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  铝硅镀层钢激光填丝焊接接头组织和性能

  张郑辉, 王晓南, 叶硕, 孙茜, 刘珍光, 邸洪双

  焊接学报. 2021, 42(12): 18-25. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210724002

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  对铝硅镀层热成形钢进行激光填丝焊接试验，研究填充焊丝对焊接接头显微组织、力学性能及拉伸失效机制的影响. 结果表明，在激光自熔焊条件下，焊缝中平均Al元素含量为1.90%(质量分数)，显微组织为马氏体和粗大的δ铁素体，焊接接头抗拉强度和断后伸长率分别为1 340 MPa和1.80%，因δ铁素体与马氏体之间存在显著的硬度差(142 HV)，拉伸时裂纹源于δ铁素体和马氏体之间的相界面. 在激光填丝焊条件下，焊缝平均Al元素含量降低至0.96%，由于填充焊丝对铝的稀释作用使得焊缝为全马氏体组织，焊接接头抗拉强度和断后伸长率分别提升至1 510 MPa和4.4%. 因填充焊丝同时对焊缝中的碳也有稀释作用，焊缝中马氏体硬度(491 HV)低于母材中马氏体(523 HV)，拉伸时裂纹于马氏体内部萌生并扩展，最终断裂于焊缝.
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  铝合金中厚板高功率激光搅拌焊气孔缺陷工艺调控

  杨文, 耿韶宁, 蒋平, 韩楚, 顾思远

  焊接学报. 2021, 42(12): 26-33. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210528001

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  高功率激光焊接为铝合金中厚板高质高效焊接提供了有效手段，然而面临焊缝气孔多发的问题. 文中开展了铝合金中厚板高功率激光搅拌焊接气孔缺陷的工艺调控研究，阐明了搅拌振幅和搅拌频率对接头气孔率的影响，并提出了工艺参数优化方法. 结果表明，搅拌振幅主要影响光束运动轨迹横向分布和小孔开口面积；搅拌频率主要影响激光光束运动速度和对后方熔池的搅拌次数；搅拌振幅和频率越大，气孔抑制效果越明显，但焊缝熔深难以满足应用要求；通过控制光束运动轨迹和能量密度，可以实现工艺参数的设计，获得大熔深、少气孔的最佳工艺区间，最终得到熔深高达6.4 mm的少气孔焊接接头.
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  激光电弧复合焊接顺序对304不锈钢T形接头影响的模拟试验分析

  桂晓燕, 张艳喜, 游德勇, 高向东

  焊接学报. 2021, 42(12): 34-39. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210324005

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  建立304不锈钢T形接头三维有限元模型，研究激光电弧复合焊接顺序对304不锈钢T形接头热变形及残余应力的影响. 采用高斯面热源加高斯锥形体热源组合的热源模型，模拟激光电弧复合热源，并通过304不锈钢激光电弧复合堆焊工艺试验验证数值模拟激光电弧复合焊接过程的可靠性. 结果表明，焊缝截面熔池形貌的数值仿真结果与焊接工艺试验结果吻合较好，该热源模型能有效模拟激光电弧两种热源的复合作用. 确定多种焊接顺序方案，分析不同焊接顺序下T形接头温度场、残余应力和热变形情况，激光电弧复合焊接顺序对T形接头残余应力及热变形均有影响，通过对比不同顺序下残余应力值及热变形量发现，顺序焊接能有效减小焊接残余应力，同时反向焊接产生的热变形量最小. 综合分析，不锈钢T形接头顺序反向焊接的效果最佳.
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  基于神经网络的316L不锈钢激光焊焊缝形貌预测

  孙家豪, 张超勇, 吴剑钊, 张帅坤, 祝磊

  焊接学报. 2021, 42(12): 40-47. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210526003

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  在316L不锈钢的激光焊接过程中，其焊接工艺参数直接影响焊缝的形貌，建立焊接工艺参数与焊缝几何形状之间的关系对于优化焊接工艺参数，降低焊接成本非常重要. 根据316L不锈钢焊缝二维不光滑轮廓形貌特点，采用分段函数思想，分别使用Hermite插值和最小二乘拟合的方法描述焊缝轮廓，构建广义回归神经网络焊缝二维形貌预测模型. 结果表明，采用Hermite插值的方法能够获得更准确的焊缝形貌，其平均相对误差为−3.49%. 该模型为316L不锈钢激光焊焊缝预测提供一种有效方法.
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  基于能量耗散的激光焊对接接头高周疲劳性能快速评估

  魏巍, 张运通, 刘柯, 贾昕, 杨鑫华

  焊接学报. 2021, 42(12): 48-53. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210607001

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  基于红外热像法获得对接接头疲劳自热温升数据，建立激光焊对接接头能量耗散疲劳评估模型. 借助能量耗散模型，对Q310NQL2-Q345NQR2激光焊接头高周疲劳过程的疲劳性能进行了研究. 结果表明，随着应力幅值的增加，Q310NQL2-Q345NQR2激光焊接头的能量耗散随之增加，并在疲劳极限附近出现了拐点. 结合 RVE(representative volume element)模型分析，该拐点正是材料内部从单一的可逆微结构运动到同时包括可逆和不可逆的微结构运动的转折点. 其中不可逆微结构运动相应于引起材料损伤的非弹性耗散，当损伤累积到一定程度，其相应的非弹性能量耗散也存在阀值. 以此阀值作为疲劳寿命预测参量，建立高周疲劳激光焊对接接头疲劳寿命预测模型，实现S-N曲线的快速预测.
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  小孔型等离子弧焊接条形气孔形成机理

  忻建文, 吴东升, 李芳, 张跃龙, 王欢, 华学明

  焊接学报. 2021, 42(12): 54-61,86. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210414003

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  等离子弧焊接中厚钢板时，常存在焊接工艺窗口窄问题. 在中厚不锈钢板小孔型等离子弧焊(keyhole plasma arc welding，K-PAW )中发现，离子气体流量较弱而使匙孔未打开，形成盲孔时，会在焊缝内产生平行于焊接方向的长条形气孔，形成条形气孔时，等离子弧形态发生明显变化，电弧面积增加且波动更为剧烈，出现向后的反射. 使用高速摄影装置研究了条形气孔的形成过程.结果表明，中厚板等离子弧焊中，条形气孔是在一定的焊接速度和较低的电弧能量下，熔池前壁倾角较大，等离子弧受熔池前壁反射作用冲击熔池后壁，使熔池后壁发生弯曲，并在一定的凝固条件下保留，产生平行长气孔. 对条形气孔的研究有助于为匙孔等离子弧焊接中匙孔形成条件及机制提供新认识.
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  金属粉末再压缩等离子弧焊接工艺

  李天庆, 张宇, 王凯, 韩振扬, 雷玉成

  焊接学报. 2021, 42(12): 62-66,90. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210321002

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  提高电弧穿透能力是等离子弧焊接领域的重要课题.自主设计并搭建了金属粉末再压缩等离子弧焊接新工艺试验平台，采集焊接过程电信号、视觉信号、弧光光谱信号等，并从焊缝成形、电弧电压、熔融金属过渡、弧光光谱等方面对金属粉末再压缩等离子弧焊接过程进行了初步的研究.在相同焊接电流195 A条件下，与常规等离子弧焊接工艺相比，金属粉末再压缩等离子弧焊接焊缝熔深增加1.29 mm、熔宽减少1.65 mm、电弧电压升高0.63 V.在波长为230 ~ 270 nm范围内，与常规等离子弧焊接相比，金属粉末再压缩等离子弧焊接中Fe和Cr元素的特征谱线明显增多. 结果表明，在相同电流条件下，与常规等离子弧焊接相比，金属粉末再压缩等离子弧焊接电弧穿透能力增强.
研究论文
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  铝微粉对大气环境感应钎涂金刚石涂层性能影响

  龙伟民, 刘大双, 王博, 吴爱萍, 王德成

  焊接学报. 2021, 42(12): 67-71. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210917002

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  金刚石钎涂是材料表面修形提性的重要技术手段，由于金刚石的超硬特性使得钎涂涂层中金刚石与钎料的性能难以匹配. 在镍基钎料中加入铝微粉，研究Al对涂层组织及耐磨性的影响. 结果表明，Al的添加降低了金刚石钎涂层孔隙率，同时钎涂过程中在基体内原位生成Al₂O₃相，提高了金刚石钎涂层的耐磨性. 阐明了Al脱氧消减气孔及其脱氧产物Al₂O₃作为原位生成硬质相增强涂层硬度及耐磨性的机制.进一步揭示了原位生成Al₂O₃可细化、强化钎料组织，优化涂层形态、增加涂层厚度的机理.明确了感应钎涂中活性微粉的脱氧作用和原位生成氧化物陶瓷的耐磨作用.
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  铝-钢堆焊-搅拌摩擦复合焊接头特性分析

  苗玉刚, 赵羽扬, 刘吉, 尹晨豪, 吕磊

  焊接学报. 2021, 42(12): 72-77. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210816002

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  针对铝-钢异种金属焊接缺陷多、效率低等问题，提出一种堆焊-搅拌摩擦复合焊接方法，即采用旁路分流电弧焊先在钢板上堆敷铝合金，再采用搅拌摩擦焊进行铝合金堆敷层和铝合金母材的搭接焊，得到在铝-铝界面呈现典型搅拌摩擦焊“洋葱圆环”状结合的铝-铝-钢复合过渡接头. 针对典型焊缝进行铝-钢异种金属接头的组织结构分析.结果表明，搅拌摩擦焊可以有效消除铝合金堆敷层中存在的气孔等缺陷，并实现金属界面层的减薄. 对铝钢结合界面进行EDS扫描，在堆敷铝合金侧可以观察到呈树枝状的Fe相扩散和呈网状的不均匀Si相扩散，结合XRD(X-ray diffraction)分析其主要成分为Al₅Fe₂Zn_0.4和Al₇Fe₃Si_0.3. 对接头试样进行拉伸试验，拉伸接头断裂在铝合金母材处，达到铝合金母材强度的100%，符合接头应用的力学指标.
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  镀锌钢GMAW焊缝成形特征与焊枪方向同步实时检测

  肖文波, 何银水, 袁海涛, 马国红

  焊接学报. 2021, 42(12): 78-82. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201021001

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  针对基于激光视觉传感的镀锌钢薄板搭接GMAW特点，提出了一种搭接接头焊缝成形全位置特征与焊枪方向同步实时检测方法. 该方法利用激光视觉系统同步检测焊缝与焊丝信息，采用尺度不变特征变换与方向特征检测算法，同步实时获取焊缝轮廓与焊丝方向；采用Harris角点检测算法实现焊缝轮廓特征点识别；针对接头焊缝面积偏小的特点，采用线性插值方法实现了焊缝高度与宽度的全位置、焊缝面积的亚像素级测量，并基于零、一阶矩实现了焊缝重心检测. 结果表明，该算法适应性强、测精度高，为基于焊枪姿态和焊接过程参数优化在线控制焊缝成形提供了依据.
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  各向异性对焊接凝固裂纹影响规律的相场法模拟

  王磊, 李赫, 黄勇, 王克鸿, 周琦

  焊接学报. 2021, 42(12): 83-86. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210309001

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  采用相场法模拟研究了各向异性对合金焊接凝固裂纹敏感性的影响规律. 结果表明，随着各向异性强度的增加，枝晶尖端变得更加稳定，不易形成侧枝，枝晶间不易形成桥接，容易形成较长的液相通道. 当各向异性强度较大时，金属熔体难以通过长的液相通道对受拉位置进行补给，因此容易形成裂纹. 基于相场模拟结果，计算了凝固裂纹敏感性指数$\left|{\rm{d}}T/{\rm{d}}{\left({f}_{{\rm{s}}}\right)}^{1/2}\right|$，发现各向异性强度较大时，$\left|{\rm{d}}T/{\rm{d}}{\left({f}_{{\rm{s}}}\right)}^{1/2}\right|$的数值也较大，具有较大的凝固裂纹敏感性. 综上，当合金各向异性强度越大时，具有较高的凝固裂纹敏感性.
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  铝合金非熔化极直流正接氦弧焊氧化膜撕裂机理

  付娟, 赵勇, 邹家生, 贾占君, 贺宇翔

  焊接学报. 2021, 42(12): 87-90. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201120001

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  采用高速摄影观察了不同气体流量下铝合金非熔化极直流正接氦弧焊焊接过程中电弧的形态及氧化膜撕裂过程. 观察测量结果表明，在试验参数范围内氦气流量的增加减弱了氧化膜的撕裂程度，但提升了焊缝深宽比及电弧能量效率. 氦弧焊阳极产热功率的提升削弱了氧化膜之间的化学键强度，产生了氧化膜撕裂现象. 在静力学平衡方程基础上推导得出了熔池液面与电极所在平面交线的微分方程，解释了熔池液面下凹程度随氦气流量增加而增加的原因，同时熔池中心指向熔池边缘表面张力也随气体流量增加而减小，两种因素共同作用使氧化膜撕裂程度随气体流量增加而减弱.
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  A-UIT处理对7075铝合金焊接应力影响的数值模拟

  杨帆, 陈芙蓉

  焊接学报. 2021, 42(12): 91-96. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210308001

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  利用ABAQUS有限元分析软件，建立了7075铝合金激光焊的热-力耦合模型；随后利用数值传递法，建立了焊接及超声冲击处理耦合模型；在此基础上引入时效处理的热-力耦合模型，建立焊后A-UIT处理模型，分析了不同处理方法下残余应力分布情况及特点，旨在研究不同处理方法对7075铝合金焊接残余应力场的影响. 结果表明，A-UIT处理能够显著改善焊缝及附近区域的残余应力分布，焊缝中心位置表面纵向残余应力由焊后的180.21 MPa转变为−150.26 MPa，转变率高达183.4%，且相较于单超声冲击处理，A-UIT处理可以缓解超声冲击直接作用区附近的残余拉应力集中问题.
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  2021-12 期英文摘要

  焊接学报. 2021, 42(12): 97-102.

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