2022年, 第43卷, 第1期　
刊出日期：2022-01-25

  

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研究论文
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  低碳钢三丝间接电弧焊传热机制及工艺性能

  王泽力, 张天奕, 刁国宁, 徐国敏, 刘黎明

  焊接学报. 2022, 43(1): 1-6. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210627001

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  为减小低碳钢焊接热输入、优化焊接变形等缺陷，使用三丝间接电弧焊(triple-wire gas indirect arc welding, TW-GIA焊)方法，并利用红外测温系统及高速成像设备对TW-GIA焊传热机制进行了测量. 结果表明，TW-GIA焊具备显著的小热输入优势，可实现无明显焊接变形的单道焊成形，热影响区宽度小于MIG焊. 与传统电弧焊不同，随着焊接高度的增加，TW-GIA焊热输入逐渐降低，焊接高度从4 mm增至24 mm时，传热模式由电弧热对流 + 熔池热传导转变为仅熔池热传导. TW-GIA焊焊缝及热影响区晶粒尺寸细小，并消除了魏氏体的存在，焊缝区平均显微硬度可达289.8 HV，最大抗拉强度为472 MPa，断后伸长率为26.5%.
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  AlN陶瓷/Cu异质材料低温过渡液相扩散连接

  王浩然, 李源梁, 李卓霖, 宋晓国, 王健, 武晓伟

  焊接学报. 2022, 43(1): 7-15. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210824003

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  为了实现AlN陶瓷与Cu的低温连接、高温服役的目标，满足高温功率器件的服役需求，设计了一种连接方法，在350 ℃的大气环境下采用超声辅助熔焊的方式在AlN陶瓷表面熔覆了Sn-Al-Cu活性钎料层，之后将熔覆活性钎料的AlN陶瓷与Cu在保温温度300 ℃下进行过渡液相(transient liquid phase, TLP)扩散连接；利用扫描电子显微镜、能谱仪以及透射电子显微镜对显微组织及相结构进行分析；采用万能材料试验机对试样进行力学性能测试. 结果表明，熔覆时间180 s时的活性钎料与AlN陶瓷实现了良好的结合，在AlN陶瓷/活性钎料界面处观察到一层由超声作用下吸附在AlN陶瓷表面的Al被氧化，并在较大的过冷度下形成厚度约为20 nm的非晶Al₂O₃层；保温时间60 min时焊缝中的Sn全部转变为Cu₃Sn与Cu₆Sn₅；保温时间为240 min时形成焊缝全部由Cu₃Sn构成的接头. AlN陶瓷/Cu接头抗剪强度随保温时间的延长而下降，全部由Cu₃Sn构成的接头的抗剪强度约为31 MPa，断裂发生在Cu₃Sn/AlN陶瓷界面处，形成了全金属间化合物的AlN陶瓷/Cu接头.
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  焊丝成分对铝/铜激光熔钎焊接头组织和性能的影响

  邓呈敏, 程东海, 张华, 王非凡, 刘德博

  焊接学报. 2022, 43(1): 16-21. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210711001

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  通过添加Zn-Al焊丝成功实现了2A16铝合金/T2铜异种材料的激光熔钎焊连接，并采用扫描电子显微镜和能谱仪对接头的微观组织进行表征，同时，研究了Zn-2%Al，Zn-5%Al和Zn-10%Al 3种焊丝对接头成形、微观组织以及力学性能的影响.结果表明，铝/铜激光熔钎焊接头主要由CuZn相，Al₂Cu相，Al₄Cu₉相，CuZn₅相，α-Al固溶体、β-Zn固溶体以及α-Al + β-Zn共晶组织组成；随着焊丝中Zn含量的降低，熔融焊缝的润湿性能逐渐提高. 当Zn-10%Al焊丝作为填充金属时，界面元素扩散反应较为充分，界面层厚度逐渐增加至7.02 μm，界面层与焊缝组织形成“机械咬合”连接，提高了接头的力学性能，接头的抗拉强度最高可达204 MPa.铝/铜接头显微硬度从铜侧至铝合金侧呈现出先上升后下降的趋势，最高显微硬度出现在界面层处，可达330.1 HV.
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  Cu基板粗糙度对SnAgCu无铅钎料润湿性的影响

  张知航, 杨健, 杨震, 黄继华, 陈树海

  焊接学报. 2022, 43(1): 22-28. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210609002

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  在微电子封装软钎焊领域，钎料的润湿性直接决定焊接接头的性能.文中以不加入外来元素为前提，以SAC305/Cu钎焊体系为研究对象，完成了SAC305钎料在不同粗糙度Cu基板上的润湿铺展试验，研究了Cu基板粗糙度对SnAgCu钎料润湿性及SnAgCu/Cu界面化合物形貌与分布的影响.结果表明， SnAgCu钎料在Cu基板上的润湿角随着基板粗糙度的减小而增大，而当基板粗糙度降低到一定的程度后，润湿角不再随基板粗糙度的变化而改变.SnAgCu钎料与Cu基板之间反应生成金属间化合物Cu₆Sn₅，Cu₆Sn₅垂直于基体表面呈扇贝状从基体向钎料方向生长，Cu₆Sn₅层的厚度会随着粗糙度的降低呈现先上升后下降的趋势，且Cu₆Sn₅层会与基体和钎料层发生互扩散现象.
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  基于Ti中间层的B₄C复合陶瓷扩散连接接头界面微观组织与力学性能

  陶拥, 王睿, 宋奎晶, 刘大双, 钟志宏, 吴玉程

  焊接学报. 2022, 43(1): 29-35. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210802001

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  碳化硼(B₄C)复合陶瓷以其高硬度、高熔点、良好的耐磨性以及吸收中子能力的特性，广泛应用于制造防弹装甲材料，原子反应堆控制以及耐磨耐高温结构材料等领域.文中采用中间层Ti箔对碳化硼复合陶瓷(B₄C-SiC-TiB₂)进行扩散连接，研究了连接温度对连接界面组织及接头力学性能的影响.结果表明，在连接温度1300 ~ 1450 ℃下成功扩散连接了B₄C-SiC-TiB₂复合陶瓷，Ti与B₄C反应生成TiB₂和TiC.随着连接温度的升高，反应层变厚，而过厚的反应层会对接头的性能造成不利影响.在连接温度1300 ℃时，反应层的平均厚度约为5 μm，此时获得较高的接头抗剪强度100 MPa；在连接温度1450 ℃时连接层基本为TiB₂和TiC陶瓷相，此时扩散连接接头可以获得较高硬度(25.4 GPa).
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  轴肩辅助加热6082铝合金摩擦塞补焊接头组织及力学性能

  李德福, 王希靖, 赵早龙, 徐秋苹

  焊接学报. 2022, 43(1): 36-41. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210325002

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  为了解决搅拌摩擦焊匙孔类体积型缺陷修复问题，在填充式搅拌摩擦焊基础上，采用轴肩与母材摩擦辅助加热的方法对同种材料铝合金匙孔类缺陷进行摩擦塞补焊，在不同的塞棒转速下得到了成形良好的塞补焊接头. 结果表明，由于热输入和材料形变作用，接头不同区域组织发生了明显变化. 不同塞棒转速下接头组织及分布状态相似. 一个完整的塞补焊接头可分为焊核区、填充区、结合面区、轴肩影响区、热力影响区和热影响区6个部分. 焊核区和轴肩影响区为细小的等轴晶，填充区保留了原始塞棒组织，结合面区为母材与塞棒过渡区，热力影响区晶粒变形明显，热影响区晶粒有所长大. 接头显微硬度高于母材，抗拉强度最高达260 MPa，为母材的83.9%，断后伸长率为6.5%，断口韧性特征明显.
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  镍铝青铜过渡层对钛合金/不锈钢异种材料激光焊接头组织与力学性能的影响

  牛小男, 崔丽, 王鹏, 贺定勇, 曹庆

  焊接学报. 2022, 43(1): 42-47. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210722002

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  对3 mm厚TC4钛合金/15-5PH不锈钢异种材料进行了添加镍铝青铜(nickel aluminum bronze，NAB)过渡层的激光填充材料焊接，研究了NAB过渡层对接头成形、微观组织与力学性能的影响. 结果表明，添加NAB过渡层的TC4钛合金/15-5PH不锈钢异种材料激光焊接获得了良好成形的全熔透接头，接头抗拉强度达290 MPa，接头钛合金侧界面层硬度为547.8 HV. 接头钛合金侧界面由3种不同形态的金属间化合物层组成，其中脆性较小的Cu-Ti，Ni-Ti相的数量显著增多，而脆性高的Ti-Fe相数量明显减少，表明添加NAB过渡层抑制了接头钛合金侧界面脆性高的Ti-Fe相的形成.
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  集磁器结构对磁脉冲辅助半固态钎焊接头组织和性能的影响

  邓凌波, 黄尚宇, 杨梅, 钱东升, 冯珂, 欧冰

  焊接学报. 2022, 43(1): 48-54. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210513001

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  采用电磁-结构-流场耦合的多物理场耦合模拟方法，对比分析了等内径和带锥角两种集磁器条件下Cu/Al管的磁脉冲辅助半固态钎焊过程，考察了外管的变形行为和半固态钎料的剪切流变行为.结果表明，采用等内径集磁器时，钎料所受的剪切应力和相应的剪切流变速率在端部最高，底部次之，中部最弱，导致搭接区域内去膜效果存在差异，甚至影响界面冶金结合；而带锥角集磁器能更为合理地满足无钎剂钎焊对外管变形与钎料剪切流变的协调性需求，有效改善钎料流变行为，使剪切应力、剪切流变速率及去膜效果在整个搭接区域相对均匀，有利于提高界面连接质量.基于分析结果设计制造了改进的集磁器，进行了钎焊试验及相关测试分析.结果表明，相较于等内径集磁器，带锥角集磁器能有效改善Cu/Al接头的界面连接质量，细化搭接区域中部纤缝组织，并最终提高钎焊接头的抗剪强度.
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  基于功率信号动态特征的钛合金电阻点焊熔核直径预测

  赵大伟, 王元勋, 梁东杰, Yuriy Bezgans

  焊接学报. 2022, 43(1): 55-59. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210828001

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  为了实时预测0.4 mm厚度的TC2钛合金电阻点焊焊接接头熔核直径，采用罗氏线圈获取焊接过程中的焊接电流的变化情况，利用上、下电极间导线测量焊接过程中电压曲线，在此基础上获取电阻点焊过程中的焊接功率曲线. 分析焊接功率曲线在焊接过程中的变化情况，并从曲线中提取表征焊接质量的特征值. 结果表明，焊接功率曲线不仅与动态电阻曲线的变化相一致，而且与焊接热输入的大小更为相关. 利用焊接功率曲线提取的更为精确的焊接热输入与熔核直径之间的相关系数高达0.9. 通过克里金算法强大的非线性映射能力可以得到用动态功率曲线特征值预测熔核直径的数学模型. 该模型的预测值与实际值之间的最大相对误差约为8.7%，能有效地预测0.4 mm厚度的TC2电阻点焊焊接质量.
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  基于改进Voronoi图法的焊接接头微观组织建模

  刘小刚, 申顺, 朱阳阳

  焊接学报. 2022, 43(1): 60-66. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210515002

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  为了从微观尺度研究焊接接头的疲劳裂纹萌生过程，对传统的Voronoi图法进行改进，建立了焊接接头焊缝区柱状晶及细、粗等轴晶混合晶区的微观组织模型. 首先依据金相试验结果将焊缝区划分不同微观区域，通过控制不同微区种子点的密度和位置生成等轴晶及柱状晶微观组织模型，再通过布尔运算合并微区，建立焊缝区混合晶区微观组织模型. 结果表明，该方法建立的焊接接头微观组织模型与真实组织有较高的相似性，将该模型应用于GH4169电子束焊接头疲劳裂纹萌生过程模拟，取得了较好的效果.
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  液态Ga在石英玻璃表面的声致铺展行为

  张茗瑄, 马志鹏, 于海洋, 夏法锋, 王德胜

  焊接学报. 2022, 43(1): 67-72. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210608002

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  研究超声波工具头作用于液态Ga表面时，液态Ga在石英玻璃表面的铺展行为，并通过Comsol Multiphysics软件对液态Ga的流动过程和压力变化情况进行模拟分析. 结果表明，液态Ga在铺展过程中初始阶段铺展缓慢，超声波作用时间为24 ms时液态Ga的铺展面积为2.754 cm²；超声波作用时间为72 ms时液态Ga的铺展面积迅速增大至5.459 cm²；超声波作用时间84 ms时达到平衡状态，铺展面积为5.508 cm². 铺展过程中，液态Ga表面可以观察到明显的空化泡和涟漪状波纹. 施加超声波后，液态Ga内部压力在一个周期内发生变化，液态Ga顶部以负压为主，并且沿半径向圆心方向压力递增至正压，在超声波作用时间为1.7 ms时液态Ga内部压力以正压为主. 在超声波作用下，液态Ga表面所受压力幅值自上而下逐渐减小，同时液态Ga在内部压力偏移量、Laplace压强差和“坍塌效应”的共同作用下铺展，最终形貌发生显著变化.
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  金线焊接差异对信号传输的影响分析与建模

  王紫任, 高锦春, 宋凯旋, 田露, 原义栋

  焊接学报. 2022, 43(1): 73-78,97. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210902001

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  在超声热键合的过程中，平行键合线的间距变化常常被忽略.间距变化对高频信号传输会产生较大影响，不容忽视.文中从建模分析和试验测试两个角度研究了平行键合线距离对电路信号传输的影响.基于电路的尺寸参数和材料参数，分别建立了不同间距平行键合线的电磁场数值计算模型和等效电路模型，计算和分析了两连接点间等效电感和电阻随间距和信号频率的变化关系，研究了平行键合线距离对电路信号完整性的影响. 模型仿真和试验测试结果表明，键合线之间的互感随着键合线间距增加而下降，从而导致两连接点之间的等效电感下降，电路信号完整性提升.
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  基于边缘AI的焊缝X射线图像缺陷检测

  王睿, 胡云雷, 刘卫朋, 李海涛

  焊接学报. 2022, 43(1): 79-84. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210516001

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  为了提高深度学习在X射线焊缝缺陷检测中的实用性，降低缺陷检测任务的硬件需求，提出模型参数量仅为3.6 M的YOLO-M网络. 通过在网络中引入轻量级的倒残差结构，减少网络计算量；采用多尺度预测机制，网络分层预测不同缺陷特征；跨网格扩增图片正样本信息，加快网络训练过程中的收敛速度. 结果表明，YOLO-M网络不仅应用于传统计算机，而且成功试验于超低功耗边缘人工智能芯片勘智K210中. 所提方法在嵌入式端的检测准确度为93.5%，检测速度为11帧/s. 该方法具有良好的检测准确度，极大降低了缺陷检测的成本.
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  基于量子多目标优化算法的回焊炉炉温设计

  周文婷, 司玉鹏, 何宏舟, 王荣杰

  焊接学报. 2022, 43(1): 85-91. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210508001

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  电路板焊接中心点的温度走势间接地反映了焊接质量，炉温曲线的优化设计对提高电路板焊接质量有着举足轻重的作用.文中运用傅里叶定律和集总参数法，建立反映电路板焊接中心温度变化的非稳态导热模型，并在满足制程界限和工艺要求的约束条件下，以传送带过炉速度最优和加热因子最小为目标，采用量子多目标粒子群算法(quantum multi-objective particle swarm optimization，QMOPSO)进行优化求解，获得了各温区的最优温度和电路板的最大过炉速度，并得到了最优炉温曲线.结果表明，优化后的电路板过炉速度为95.55 cm/min，接近速度上限，加热因子最小值为1753.04，炉温曲线整体呈现先上升后下降的趋势，峰值温度为240.01 ℃，接近温度制程界限下限，该结果为电路板等电子器件焊接工艺的实际工程应用和提高焊接质量提供参考.
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  低活化钢双壁管的热等静压扩散连接

  黄伶明, 王万景, 王纪超, 刘松林, 雷明准, 罗广南

  焊接学报. 2022, 43(1): 92-97. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210810001

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  双壁管可控制裂纹扩展路径，防止裂纹沿管径向扩展，显著提高了管的使用安全性，被认为是聚变堆包层增殖区冷却管的理想选择.针对双壁管复合焊接难题，从钢/铜/钢和钢/镍/钢平板复合结构开展了工艺优化试验. 结果表明，热等静压温度高于1 100 ℃时，钢/铜/钢复合界面处发生晶界扩散，焊接接头室温抗拉强度达601 MPa，界面纳米压痕硬度1.37 GPa；钢/镍/钢复合界面处产生了更宽的元素固溶扩散，室温抗拉强度可达630 MPa，界面处纳米压痕硬度2.05 GPa.采用优化后的热等静压参数制备了连接质量良好的多折弯双壁冷却管原型件.
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  基于动态权重的自适应PSO-BP神经网络焊接缺陷成因诊断

  高昶霖, 宋燕利, 左洪洲, 章诚

  焊接学报. 2022, 43(1): 98-106. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210515001

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  焊接缺陷产生原因复杂，影响因素众多，基于人工智能的缺陷成因诊断算法成为焊接智能化的发展方向. 将PSO-BP神经网络应用于焊接缺陷成因诊断，利用神经网络的连接学习机制代替传统专家系统的规则推理机制，并对PSO算法进行自适应调整，引入动态权重因子，搭建自适应PSO-BP神经网络模型. 结果表明，与传统PSO-BP神经网络模型相比，改进的PSO-BP神经网络模型训练所需要的迭代次数减少13.1%，诊断结果准确率从93.3%提高至96.7%，精确率从91.3%提高至98.3%，综合能力指标从91.7%提高至96.9%. 改进算法能够明显提升焊接缺陷成因诊断的效率和精度，具有较好的工程应用价值.
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  高强度奥氏体焊丝脉冲GMAW熔滴爆炸现象分析

  霍光瑞, 薛钢, 贺智涛, 牛继承

  焊接学报. 2022, 43(1): 107-112. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210616001

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  针对镍铬系高强度奥氏体焊丝脉冲GMAW工艺熔滴爆炸现象，利用高速摄影技术对不同碳、氮含量焊丝的熔滴过渡行为进行了细致观察. 结果表明，熔滴在脉冲峰值电流期间容易发生爆炸，熔滴爆炸程度与焊丝中氮含量密切相关，而与碳含量没有对应关系，焊丝中氮含量越高熔滴爆炸越严重. 同时发现，熔敷金属中氮的过渡系数随着焊丝中氮含量的增加而降低，氮的损失程度与熔滴爆炸程度一致. 计算结果显示，试验焊丝中氮的溶解度随着温度升高而降低. 综合分析表明，脉冲峰值电流期间，在电弧剧烈高温作用下熔滴中固溶氮因溶解度的降低而瞬间达到过饱和，进而形成气体快速逸出导致熔滴发生爆炸. 该合金系奥氏体焊丝熔滴发生爆炸的临界氮含量为0.22%，为避免熔滴爆炸发生，应限制焊丝中的氮含量在0.22%以下.
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  2022-1期英文摘要

  焊接学报. 2022, 43(1): 113-120.

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