2022年, 第43卷, 第10期　
刊出日期：2022-11-26

  

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研究论文
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  基于响应曲面法的铝合金激光封边焊接

  成奇, 郭宁, 付云龙, 张迪, 张帅, 何金龙

  焊接学报. 2022, 43(10): 1-10. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210903001

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  采用响应曲面法对2A12铝合金激光封边焊接进行了研究，结果表明，2A12铝合金激光封边焊接焊缝几何特征的主要影响因素依次为离焦量、焊接速度和激光功率. 2A12铝合金激光封边焊缝的显微组织自熔合线向上依次呈现较粗大的胞状树枝晶、细小的胞状树枝晶和等轴晶. 在熔合线附近和过渡区域，强化相沿晶界分布；而在焊缝中心区域，还有少量强化相分布于晶粒内部. 与正离焦量相比，负离焦量时，焊缝的晶粒尺寸较大并且镁元素烧损也更加严重，使得强化相CuMgAl₂含量降低，导致强化效果减弱和焊缝硬度降低. 离焦量为 + 2 mm和−2 mm时，激光封边焊接的气密性均良好.
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  GCr15表面TiC/Fe复合层的制备及其与基体结合性能分析

  赵娜娜, 姚特立, 王子晗, 章晨曦, 王乐豪, 李淑娟

  焊接学报. 2022, 43(10): 11-16. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211126001

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  研究以GCr15和TC4为原料，采用热压扩散原位反应在GCr15表面制备TiC/Fe复合层. 利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、自动划痕仪和显微硬度仪测试表征复合层的物相组成、显微组织、复合层的界面结合性能和显微硬度的变化. 结果表明，在1000 ℃和40 MPa条件下保温2 h，4 h和6 h后，TiC/Fe复合层厚度分别为5 μm，7 μm和10 μm，复合层厚度均匀，与基体界面平整，其表面物相组成仅为TiC和α-Fe相，复合层的显微硬度最高达到2453.7 HV0.05，约为轴承钢基体的5倍. 显微划痕与拉伸试验可知1000 ℃和40 MPa条件下保温4 h所得复合层与基体界面结合的临界载荷为58.5 N，界面结合强度大于221 MPa，表明热压扩散原位制备GCr15表面TiC/Fe复合层与基体之间具有优异的结合性能，对基体保护作用良好.
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  基于解析算法与J积分法的耐候钢接头疲劳裂纹扩展分析

  李宁, 王宗正, 赵子豪, 王晖, Ekkarut Viyanit

  焊接学报. 2022, 43(10): 17-23. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220121003

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  为准确描述焊接接头疲劳裂纹在扩展中的动态过程，借助多阵元超声相控阵设备对12 mm厚耐候钢对接接头的表面裂纹扩展动态进行实时监测，得到半椭圆形裂纹深度、长度与寿命的演化关系.借助Abaqus建立有限元分析模型，将裂纹几何变化历程输入，计算裂纹尖端7个方向的能量释放率，获得裂纹尖端应力强度因子幅值.将裂纹尖端(θ = 90o)的K值与BS7910标准中推荐解析公式对比分析，其结果吻合性好.在此基础上，分别采用简化公式与两阶段扩展模型计算试样的疲劳寿命. 结果表明，两阶段裂纹扩展模型能准确地预测对接接头裂纹的疲劳寿命，且与试验结果高度吻合.
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  高镁铝合金搅拌摩擦交叉焊接头微观组织与力学性能

  林志成, 赵运强, 闫德俊, 刘莉, 董春林

  焊接学报. 2022, 43(10): 24-30. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220510001

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  为满足大型铝合金船舶壁板的制造需求，对新一代高镁铝合金进行了搅拌摩擦交叉焊接试验. 结果表明，交叉焊接头成形良好，搅拌区晶粒尺寸最小，热力影响区晶粒形态没有明显方向性，与单道搅拌摩擦焊相比，交叉焊接头搅拌区晶粒组织更细. 显微硬度测试结果表明，交叉焊接头显微硬度变化范围较小，前进侧接头软化明显；拉伸试验测试结果表明，交叉焊接头抗拉强度为340 MPa，为母材强度的87%，对比搅拌摩擦焊接头抗拉强度358 MPa略微降低，在热影响区断裂，断裂方式为45°韧性断裂；疲劳裂纹萌生于焊缝底部，在最大应力150 MPa下循环超2 × 10⁶次未断裂，疲劳性能良好，瞬断区断裂方式为韧性断裂.
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  SiO₂-BN复相陶瓷润湿性及其接头微观组织

  杨景红, 刘甲坤, 付曦, 魏文庆, 叶超超, 刘永胜, 张丽霞

  焊接学报. 2022, 43(10): 31-36. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210908002

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  采用座滴法开展Ag-21Cu-4.5Ti合金钎料对SiO₂-BN复相陶瓷润湿与铺展行为研究. 利用SEM、XRD分析润湿界面微观组织以及形成机理. 通过调控SiO₂-BN复相陶瓷中BN含量，研究Ag-21Cu-4.5Ti/SiO₂-BN复相陶瓷润湿体系的润湿模型. 结果表明，Ag-21Cu-4.5Ti/SiO₂-BN复相陶瓷润湿体系的典型界面反应产物为TiN和TiB₂，随着体系BN含量的增加，润湿性逐渐变好. 对SiO₂-BN复相陶瓷与Nb进行钎焊试验，典型界面组织为SiO₂-BN复相陶瓷/TiN + TiB₂/Ti₂Cu + (Ag,Cu)/(βTi,Nb)/Nb. 接头抗剪强度随着钎焊时间升高先增大后减小，当钎焊温度为880 ℃，保温时间10 min时，钎焊接头抗剪强度最高，到达39 MPa.
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  超声辅助激光连接金属与塑料试验分析

  陈玉娇, 刘全军

  焊接学报. 2022, 43(10): 37-42. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211004001

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  采用响应曲面设计方法RSM (Response Surface Methodology)对超声辅助激光焊接钛和聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的参数进行优化，主要研究了激光功率、超声振幅和间歇性超声作用时间对接头强度，气泡缺陷及焊接过渡层厚度的影响. 并利用X射线光电子能谱仪(XPS)分析了超声波作用时间和振幅对连接界面有益化学键形成的影响. 结果表明，激光功率、超声振幅和超声作用时间对焊接强度的影响规律是相同的，即在达到最大值之后，随着参数值的增加而减小. 当激光功率为60 W时，超声波作用时间或超声波振幅的增大都会促进Ti-C键的生成，使焊接过渡层厚度增加. 试验还表明，当激光功率小于65 W时，辅助超声波的引入可以引起气泡流动，有效减小气泡缺陷.
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  基于生成对抗网络的小样本激光焊接缺陷数据集生成

  肖思哲, 刘振国, 闫志鸿, 李敏, 黄及远

  焊接学报. 2022, 43(10): 43-48. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220429003

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  为了提升深度学习模型在不均衡小样本激光焊接表面缺陷数据集上的性能，优化了小样本数据量输入下的对抗生成网络(Generative Adversarial Network, GAN)模型. 通过对比激光焊接缺陷和其他用于测试对抗生成网络的公共数据集在特征复杂度上的区别，设计了一种全新的OCM (one class mixup)模块，并将其引入至针对有限样本的stylegan2-ada中，以提升GAN的性能，加快其收敛. 试验结果表明，在分类模型上，通过OCM-stylegan2-ada生成的数据集，比原始数据集性能提升40%，比使用mixup和stylegan2-ada增强后的数据集性能上提升20%，同时生成的焊接缺陷图片质量大幅提升.
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  选区激光熔化制备多孔结构的成形偏差及力学性能与压缩失效分析

  徐榕蔚, 张振杰, 刘清原, 张光辉, 龙芋宏

  焊接学报. 2022, 43(10): 49-56. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211005001

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  因多孔结构轻质高强度、力学性能可调节的特点，被广泛用于骨骼医疗、航空航天等领域. 为了探索多孔结构选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)成形误差与压缩失效性能，以钻石型晶格和六孔开口球形两种多孔结构为例，采用理论预测与试验测试研究SLM制造多孔结构的压缩力学行为，使用ANSYS软件对所研究的多孔结构进行准静态压缩模拟，并对SLM成形的多孔结构进行单轴压缩试验，最后结合仿真和试验，观测和分析它们的变形过程和失效机制. 对比后发现数值设计的多孔结构尺寸与最终制造的结构存在偏差，导致力学性能理论值与试验值存在一定差异，但应力应变场变化规律一致. 试验结果表明，在孔隙率50% ~ 80%时，钻石型晶格结构屈服强度为31.85 ~ 182.13 MPa，弹性模量为1.45 ~ 2.30 GPa；六孔开口球形结构屈服强度为35.19 ~ 130.64 MPa，弹性模量为1.59 ~ 2.90 GPa，不同多孔结构随孔隙率的增大，力学性能变化趋势不一致.
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  薄板TC4钛合金TIG电弧和激光焊接接头晶粒尺寸与微观组织

  李军兆, 孙清洁, 于航, 张鹏程, 刘一搏, 曾宪山

  焊接学报. 2022, 43(10): 57-62,70. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211015001

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  对薄板TC4钛合金进行TIG电弧和激光焊接技术研究，重点分析了TIG焊接电流、焊接速度和激光输出功率对TC4钛合金焊接接头晶粒尺寸、微观组织和显微硬度的影响规律. 试验结果表明，在实现薄板TC4钛合金完全熔透的条件下，激光焊接具有更小热输入，接头焊缝区和热影响区宽度也显著降低. TIG焊接接头晶粒尺寸随热输入增加，呈现增加趋势. 随距焊缝中心位置增加，焊接接头晶粒尺寸均逐渐降低. TC4钛合金激光焊接接头焊缝区呈现魏氏组织特征，针状α'马氏体细小. 近缝热影响区组织为网篮状α'马氏体，而近母材热影响区为未转变α相和针状α'马氏体的双相组织. 随距焊缝中心位置增加，马氏体生成量逐渐减少，焊缝显微硬度值呈现降低趋势；同时相比于TIG焊接，TC4激光焊接接头具有更高的显微硬度.
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  焊前热处理对440C不锈钢电子束焊接接头组织与性能的影响

  代一博, 房卫萍, 彭翰林, 胡永俊, 易耀勇, 易朋

  焊接学报. 2022, 43(10): 63-70. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211020001

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  研究了焊前退火和调质2种热处理工艺对440C不锈钢电子束焊接接头的组织和力学性能的影响，分析了2种状态下的组织演变规律、接头拉伸力学性能和硬度分布特点. 结果表明：2种热处理状态的板材经过电子束焊接后，焊缝成形良好，焊缝区域均为马氏体和残留奥氏体组织，呈现出非平衡凝固组织，碳及合金元素以固溶形式存在于马氏体及残余奥氏体中，焊缝区域硬度达到398 HV. 焊前经调质热处理后，母材基体由铁素体转变成回火马氏体和残余奥氏体混合组织，同时部分碳化物固溶在基体组织中，使基体组织硬度提高了60％. 与焊前退火态相比，焊前调质热处理板材经电子束焊接后，可使焊接接头抗拉强度提高20％，焊接热影响区硬度提高35％，但接头的塑性变形能力有所下降，断裂均发生在热影响区.
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  基于激光熔覆再制造PDC钻头的机器人仿真分析

  祖海英, 卢兴宇, 宋玉杰, 李大奇

  焊接学报. 2022, 43(10): 71-76. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211008001

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  为了降低PDC钻头维修成本以及钻井周期，基于激光熔覆再制造技术，提出用机器人实现对钻头的再制造. 基于逆向工程，对PDC钻头进行数据采集，再对获取的钻头点云数据进行数据处理、三维重构，构造出与实体PDC钻头相同的三维模型. 利用软件Geomagic布尔运算得出工件缺损部位，在软件NX1899中利用等距平面族Γ与钻头修复部位相交，实现对曲面零件的路径规划. 对机器人末端焊枪修复PDC钻头轨迹进行仿真模拟，利用软件PQart模拟工作环境中工件相对于机器人的位置，实现对机器人的轨迹优化. 调整机器人末端焊枪位姿，提高修复后PDC钻头的表面性能. 验证了所述方法的可行性，为激光熔覆再制造技术修复复杂曲面提供了参考.
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  基于组合神经网络的钨极氩弧焊环境负荷预测

  蒋伟琪, 黄海鸿, 刘赟, 李磊, 刘志峰

  焊接学报. 2022, 43(10): 77-85. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211104002

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  以钨极氩弧焊为例，搭建焊接环境负荷定量预测模型.通过正交试验法确定GTAW环境负荷排放的关键影响因素为焊接电流、喷嘴高度和焊接时间；建立基于RBF-BP(Radial Basis Function-Back Propagation)组合神经网络的GTAW环境负荷排放模型，对不同焊接参数下的环境负荷进行预测.结果表明，RBF-BP组合神经网络模型的预测结果(平均误差6.63%)与实际值拟合程度高；焊接电流、喷嘴高度、焊接时间与各环境负荷产生量均呈正相关趋势.建立的预测模型可为降低焊接环境负荷排放和制定合理焊接工艺路线提供数据支持.
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  X70管线钢在役焊接损伤演化模型与数值模拟

  谷世伟, 徐良, 杨海锋, 张洪杰, 韩涛

  焊接学报. 2022, 43(10): 86-92,100. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220307001

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  以X70管线钢为研究对象，进行了不同温度和应变速率下的高温拉伸试验，获得了初始损伤阈值应变、临界损伤断裂应变、临界损伤值等损伤模型参数，建立了基于BONARO模型的损伤演化方程；模拟在役焊接损伤演化过程，并与在役焊接试验结果对比，研究介质压力、壁厚对在役焊接损伤演化行为的影响规律，研究发现在役焊接过程中，熔池下方内壁处最大熔深处后方1 ~ 2 mm区域为失效高风险区，损伤值在壁厚方向上由熔合线向内壁递减，管内介质压力的减小、壁厚的增大都会在一定程度上减小在役焊接过程中熔池下方的损伤值，从而减小烧穿失效的风险.
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  95W-5Ta激光粉末床熔融应力场演变及变形控制

  薛凌峰, 周博康, 李俊峰, 魏正英

  焊接学报. 2022, 43(10): 93-100. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211011001

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  以95W-5Ta混合粉末研究对象，针对95W-5Ta激光粉末床熔融工艺成形过程中存在的热应力较大和变形严重的问题，基于有限元方法对成形中应力场演变过程进行数值模拟. 模拟结果表明，应力变化是一个多重循环过程，增大激光功率和降低扫描速度都会导致热应力增大，分区扫描策略能使热应力均匀分布，避免在零件的敏感区域出现应力集中. 通过开展工艺实验分析影响变形量的因素，发现变形程度对激光功率更加敏感，同时与扫描线长度、层间交错角和扫描策略有关. 试验表明，采用较短的扫描线、67°层间交错角和较小的分区扫描能获得较小的变形量.
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  高匹配搭接角焊缝力学性能及应用效果分析

  许彦, 刘迎来, 聂向晖, 丰振军, 李亮, 杨锋平

  焊接学报. 2022, 43(10): 101-105. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211021001

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  采用等匹配和高匹配焊材完成了高钢级B型套筒修复高钢级管道的试验研究. 结果表明，等匹配焊接和高匹配焊接的角焊缝焊接接头都具有良好的拉伸强度和冲击韧性，高匹配焊接接头熔覆金属的冲击韧性略低于等匹配，其焊接接头延展性略差；施焊后等匹配搭接角焊缝未发现焊接缺陷，焊接接头维氏硬度最大值为293 HV10，出现在角焊缝外表面与套筒搭接焊缝处；高匹配搭接角焊缝出现了起源于角焊缝外表面层的横向裂纹，且该焊接接头硬度整体偏高，最大值出现在外表面中心位置焊缝处，为403 HV10，与裂纹起裂位置对应，其产生原因与焊接过程中不同部位熔池金属冷却速率有关，尤其是外表面盖面焊处冷却速度较快，外壁层硬度值异常偏高，萌生裂纹.因此建议搭接角焊缝焊接焊材选择时，在不影响密封和承载前提下，可尝试降低焊缝匹配强度等级.
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  高碳钢片对铝硅镀层热成形钢激光焊接接头组织性能的影响

  叶硕, 邸洪双, 张郑辉, 张进, 王晓南

  焊接学报. 2022, 43(10): 106-112. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211027004

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  以45号碳钢薄片为夹层，利用CWX3000光纤激光器对1.5 mm厚的铝硅镀层热成形钢进行激光焊接试验，研究焊缝碳含量对焊接接头显微组织和力学性能的影响. 试验结果表明，碳钢薄片的加入使焊缝碳含量增加，奥氏体相区扩大，焊缝δ铁素体的体积分数由17.3%降低至4.5%，焊缝平均硬度由425 HV增加至557 HV，焊接接头的抗拉强度由980 MPa增加至1 280 MPa，杯突值由1.7 mm增加至3.2 mm，抗拉强度及成形性能均有所提升.
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  2022-10期英文摘要

  焊接学报. 2022, 43(10): 113-120.

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