2023年, 第44卷, 第3期　
刊出日期：2023-03-25

  

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研究论文
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  焊接结构模态结构应力法程序开发及工程应用

  赵尚超, 王东坡, 李向伟, 方吉

  焊接学报. 2023, 44(3): 1-7. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220412002

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  主S-N曲线法作为疲劳计算的新方法在焊接结构疲劳分析中被广泛采用. 为了实现该方法在试验载荷下基于稳态动力学计算结果开展焊接结构疲劳寿命预测，首先引入台架模型作为边界条件，实现将试验载荷作为仿真分析的输入，基于模态叠加法的稳态动力学理论获得较准确的焊缝动态响应. 其次在主S-N曲线法的准静态计算流程基础上，扩展其内涵，提出基于模态结构应力叠加的动态结构应力计算方法，该方法将稳态动力学计算的模态坐标与焊缝的模态结构应力进行叠加，实现动态结构应力计算及动态等效结构应力计算，再采用主S-N曲线进行寿命评估预测. 进一步开发了焊接结构模态结构应力法疲劳评估软件，基于该软件开展了车体疲劳评估和疲劳试验对比. 结果表明，该方法比传统方法更能有效地识别出动态加载下车体的疲劳破坏部位，验证了该方法在试验动态载荷加载下开展焊接结构疲劳评估的有效性和优越性，为研究焊接结构疲劳寿命评估理论和拓展主S-N曲线法提供了技术基础.
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  316L不锈钢激光熔覆宏微观特征优化

  叶超, 侯亮, 陈云, 徐杨, 刘文志, 王振忠

  焊接学报. 2023, 44(3): 8-16. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220426001

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  为了获得高质量激光熔覆制件，针对现有研究仅以宏观几何形貌为优化目标的问题，以316L不锈钢为例，提出一种以宏微观特征为目标的工艺优化方法. 首先通过全析因设计和回归分析构建熔覆层宏观几何形貌及微观组织同主要工艺参数的经验统计模型，探讨了工艺参数对几何形貌及微观晶粒平均截距的影响规律. 然后选用几何形貌和晶粒平均截距作为评价熔覆成形质量的指标，采用复合合意性函数确定了最佳工艺参数和合适工艺窗口，最后验证了该方法可行性和有效性. 结果表明，在选择最佳工艺参数的条件下，宏微观特征的统计模型具有较高预测精度，制备的熔覆样件不仅具更高的显微硬度，还具备良好的拉伸性能：屈服强度为439 MPa，抗拉极限为751 MPa，断后伸长率为26%，实现了宏微观特征的优化.
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  压电驱动GMAW短路过渡行为控制

  肖珺, 王志浩, 陈树君, 盖胜男

  焊接学报. 2023, 44(3): 17-22. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220427001

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  文中提出了一种基于压电致动器的高动态焊丝启停控制技术，压电致动器膨胀锁止焊丝，收缩则释放焊丝. 在焊丝锁止−释放过程中，可以主动驱动熔滴与熔池短路，并利用这一动态过程产生的惯性力驱动短路液桥断裂完成一次熔滴过渡. 研究结果表明，组合压电致动器的加入对于小电流下GMAW短路过渡有显著的改善，短路开始和结束都稳定可控，避免了随机短路的发生，不再依赖大短路电流强制缩颈液桥，短路过渡频率显著提升，在DCEP 100 A焊接电流下可达130 Hz，DCEN模式下由于阴极斑点爬升导致电弧稳定性较差，但短路过渡频率也可达100 Hz.
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  功率分布对5A06铝合金激光摆动焊接熔池动态行为的影响

  庞博文, 崔江梅, 周乃迅, 柯文超, 陈龙, 敖三三, 曾志

  焊接学报. 2023, 44(3): 23-30. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220404001

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  以5A06铝合金锁底对接焊缝为研究对象，在激光束摆动的基础上引入一种沿正弦摆动路径分布的激光功率(功率分布)，实现功率相对于摆动路径的动态调控. 基于FLUENT有限元软件，建立激光摆动焊接过程的流体动力学模型，研究光斑摆动与功率分布对焊缝成形的影响机制，模拟对比了施加等功率与功率分布2种工艺下的焊缝截面形貌、熔池动态行为及气孔形成过程. 结果表明，与等功率焊接相比，施加功率分布焊缝成形更优，未出现咬边和烧穿等缺陷；由于功率分布的特点，有效缓和了熔池的平均流速，熔融金属呈现更为稳定的流动行为，进一步提高了匙孔的稳定性，并获得了深宽比较小的匙孔，有效降低了焊缝的孔隙率(0.9 %).
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  焊丝成分对镍基高温合金TIG焊焊接性的影响

  王诗洋, 刘士伟, 侯星宇, 孙元, 曹楠, 石万鹏

  焊接学报. 2023, 44(3): 31-36,60. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220401001

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  解决K4951合金的熔焊修复是实现新一代航空发动机机匣研制的关键.针对K4951合金中的难熔元素含量高、可焊性较差的问题，本文根据该合金的成分特点，通过调整母材中的沉淀强化元素和固溶强化元素，设计出7种成分的焊丝，并利用扫描电镜、透射电镜、电子探针和热力学软件等研究手段分析了合金元素对焊接接头的裂纹敏感性和持久性能的影响.结果表明，在母材成分的基础上提高焊丝中B元素含量至0.04%，接头的裂纹敏感性显著增加，焊缝金属加工即断裂；提高Nb元素含量可提升晶界液膜的愈合能力，有效的降低焊缝样品的焊接敏感性，接头的持久寿命由15 h提升至41 h；降低Cr，Mo元素的含量可以在一定程度上提高的合金的裂纹敏感性，使接头的持久寿命提升；提高Al元素的含量，同时调控Nb，Cr，Mo等元素可有效抑制裂纹形成，并提升了焊缝金属的高温服役性能.研究结果可为后续沉淀强化镍基高温合金的焊接性研究提供一定的参考价值.
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  尖角磁场极性对双钨极氩弧焊电弧形态和焊缝特征的影响

  刘润涛, 朱言利, 王泽力, 刘黎明

  焊接学报. 2023, 44(3): 37-43. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220410001

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  针对双钨极氩弧焊(T-TIG)存在的电弧压力小、焊缝熔深浅等问题，引入不同极性的外加尖角磁场辅助T-TIG焊方法.分别采用高速摄像机和红外摄像仪研究不同极性的尖角磁场对电弧形态和焊缝特征的影响规律，并构建物理模型以揭示尖角磁场与电弧等离子体间的相互作用机制.结果表明，外加尖角磁场影响着T-TIG电弧形态和焊缝温度场，两种极性的尖角磁场都对其热影响区组织有细化作用.其中，在正极性的尖角磁场作用下，T-TIG电弧形态变化程度更大，焊缝温度场更加集中，焊缝熔深比未加磁场时增加37.1%，同时能量利用效率提高31.6%.
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  激光增材制造WC_p钛基复合材料界面连接机理及力学性能

  吴诚福, 李新意, 陈洪胜, 李健, 聂慧慧, 王文先

  焊接学报. 2023, 44(3): 44-53. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220425003

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  颗粒增强金属基复合结构件在航空航天、机械制造以及电子电工等领域有着广泛的应有前景. 文中选用激光增材选区熔化技术制备碳化钨(WC)颗粒增强TC4复合材料(WC/TC4)，研究了WC颗粒含量和激光功率对复合材料微观组织和力学性能的影响. 结果表明，随着WC颗粒含量的增加，复合材料宏观试样成形能力降低，在WC颗粒含量为(0% ~ 15%)时，WC颗粒分布较为均匀，未见微气孔、裂纹的出现，当颗粒含量为20%时，材料内部出现气孔和裂纹，难以成形；在WC/基体的界面处形成了一层TiC和W₂C界面层，界面结合性能良好；随着复合材料内部颗粒含量和激光功率的增加，材料的断裂强度和断后伸长率降低，断裂机理主要为WC颗粒的脆性断裂和沿WC-W₂C界面的层状撕裂.
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  超窄间隙焊接中送进焊剂片与电弧相互作用机制分析

  汤国玺, 朱亮, 张爱华, 周辉, 郭宁, 周毅

  焊接学报. 2023, 44(3): 54-60. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220429002

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  送进式焊剂片约束电弧超窄间隙焊接中，连续送进的焊剂片与电弧相互作用的关系影响着焊接过程的稳定性.采用一种快速中断电弧的方法，得到了熄弧位置处焊缝熔池形态和焊剂片瞬时熔化形貌，分析了焊剂片对电弧的作用长度与电弧受约束程度的关系.结果表明，增加焊剂片送进速度或减小电弧电压，可使焊剂片对电弧的作用长度增加，当增至一定程度时，电弧被有效约束在坡口底部对侧壁根部进行均匀加热，获得根部熔合良好的平焊缝.当焊剂片对电弧的作用长度过小时，电弧的受约束程度减弱，电弧加热区域集中在两侧壁上，很难在坡口根部形成有效熔池，最终形成孔洞焊缝.
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  钛合金激光填药芯焊丝接头组织性能

  方乃文, 黄瑞生, 武鹏博, 马一鸣, 孙徕博, 曹浩, 邹吉鹏

  焊接学报. 2023, 44(3): 61-69. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20221013001

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  通过激光填丝焊接方法并采用自主开发设计的钛合金药芯焊丝，进行TC4钛合金板的焊接，对获得的焊接接头进行850 ℃保温2 h后随炉冷却退火工艺处理，并与焊态焊接接头的组织性能进行比对分析，结果表明，热处理态焊接接头焊缝中由α_p相、α_s相集束及点状分布的残留β相构成，没有发现焊态焊缝中的α'马氏体组织；热处理态焊接接头强度降低但断后伸长率和常温冲击韧性增加；热处理态焊接接头拉伸断口由大量撕裂唇包围，韧窝深且均匀，呈微孔聚合韧性断裂.通过XRD测试发现焊态焊缝中主要由α'马氏体组成，还有少量极弱的多角度α相衍射峰，而热处理态焊缝中α相衍射峰中心角度位置与焊态焊缝中α'马氏体一致，另外还发现了较为明显且尖锐的β相(110)衍射峰.
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  基于自约束结构炸药的T2/Q345爆炸焊接及数值模拟

  李雪交, 钱敬业, 毕志雄, 张廷赵, 代弦德, 荣凯

  焊接学报. 2023, 44(3): 70-76. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220419002

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  为提高炸药能量利用效率、降低能量耗散，利用自约束结构炸药进行爆炸焊接研究. 以T2铜和Q345钢分别作为复层与基层，自约束结构炸药作为焊接炸药，借助ANSYS/AUTODYN软件模拟爆炸焊接过程，并进行T2/Q345爆炸焊接试验，对复合板试件进行拉剪性能检测和微观形貌观察分析其焊接质量. 结果表明，T2/Q345爆炸焊接的碰撞速度距起爆端100 mm后均大于临界碰撞速度345 m/s，距起爆端150 mm处碰撞速度达到最大值567 m/s. T2/Q345复合板起爆端呈直线结合，并随着传爆距离增加变为波形结合. T2/Q345复合板远离起爆端的平均剪切强度为237.0 MPa，断裂位置位于铜一侧. 试件被拉剪破坏后的铜层出现加工硬化现象，远离结合界面的显微硬度和塑性变形程度呈增强趋势. 自约束结构炸药可降低自身爆炸产物飞散，使炸药能量更多地转化为复层动能，提高能量利用率.
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  焊接时间及焊接温度对Sn35Bi0.3Ag/Cu焊接接头性能的影响

  申兵伟, 徐明玥, 杨尚荣, 刘国化, 谢明, 段云昭

  焊接学报. 2023, 44(3): 77-86. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220418001

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  分别在不同焊接时间和不同焊接温度下制备了Sn35Bi0.3Ag/Cu焊接接头，采用扫描电子显微镜(SEM)、万能拉伸试验机、超声波成像无损探伤检测仪等测试手段，研究了焊接时间(1 ~ 9 min)和焊接温度(210 ~ 290 ℃)对Sn35Bi0.3Ag/Cu焊接接头微观结构和力学性能的影响. 结果表明，在焊接过程中，Cu元素扩散到焊接界面处，形成了(Cu₆Sn₅, Cu₃Sn)界面层，同时发现生成的Ag₃Sn相能够抑制界面层的生长. 随着焊接时间的延长或焊接温度的升高，反应层变厚，抗剪强度先增大后减小. 对焊接接头断口形貌分析发现，焊接接头的断裂由Bi相颗粒及Cu₆Sn₅颗粒共同作用. 焊接接头的断裂发生在IMC/焊料一侧，Bi相颗粒及Cu₆Sn₅颗粒共同影响着接头的抗剪强度. 此外，当焊接时间为3 min、焊接温度为230 ℃时，接头的钎着率最大，为99.14%，抗剪强度达到最大值，为51.8 MPa.
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  Ti和Nb对铁基堆焊合金组织性能的影响

  贾华, 高明, 刘政军

  焊接学报. 2023, 44(3): 87-91. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220412001

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  改变Ti或Nb的添加量制备Fe-Cr-C-B系铁基堆焊合金. 借助扫描电镜、X射线衍射仪、洛氏硬度计和磨损试验机对堆焊合金组织性能进行测试分析. 结果表明，在含Ti或Nb的堆焊合金中，初生奥氏体晶粒细化，共晶组织呈断网状均匀分布，并分别有黑色圆形或块状TiC和菱形或三角形NbC硬质相颗粒生成，添加5%Ti的堆焊合金组织最细小. TiC或NbC硬质相颗粒在组织中呈均匀弥散分布，能够作为耐磨质点与细化的初生奥氏体和共晶组织构成耐磨骨架，共同抵抗磨粒的楔入与切削作用. 当Ti添加量为5%时，含Ti堆焊合金达到最优耐磨性，硬度为66 HRC，磨损量为0.0487 g；当Nb添加量为4%时，含Nb堆焊合金达到最优耐磨性，硬度为65 HRC，磨损量为0.0524 g. 在同等条件下，含有适量Ti的铁基堆焊合金具有更优的耐磨性.
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  大功率低纹波等离子喷涂斩波电源研制

  汪殿龙, 黄浩, 邹显鑫, 梁志敏, 吴朝军

  焊接学报. 2023, 44(3): 92-97. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220419001

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  等离子喷涂电源通常采用可控硅整流电源或逆变电源，存在效率低、输出电流纹波大等问题，难以满足等离子喷涂工艺的特殊要求. 文中提出了一种基于八相交错并联Buck变换器的大功率等离子喷涂斩波电源. 首先设计了斩波电源的电路拓扑，分析了斩波电源的工作原理和电流纹波产生机理，阐明了并联相数、占空比对电流纹波的影响规律，并进行了仿真验证. 然后，基于等离子喷涂工艺对电源特性的要求，设计出功率为40 kW的四相交错并联模块，在CAN总线协同控制下，组成80 kW的八相交错并联斩波式等离子喷涂电源. 最后，搭建了等离子喷涂斩波电源样机，进行了喷涂试验，测试了电源的输出纹波和效率. 试验结果表明，与传统的可控硅整流电源和逆变电源相比，斩波电源的电流纹波率降低50%以上，电源效率最高达到94.5%.
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  电渣堆焊高铬铸铁界面温度场及组织性能

  王皓, 胡会娥, 迟钧瀚, 陈泽, 冯子健

  焊接学报. 2023, 44(3): 98-105,113. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220418002

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  用电渣堆焊的方法在D32低合金钢表面堆焊高铬铸铁硬面层，测量了堆焊过程中热影响区的温度场，研究了热影响区、复合界面及硬面层的微观组织和力学性能. 结果表明，电渣堆焊加热和冷却速度较慢，稳定阶段时低合金钢基材温度分布均匀，在堆焊方向最大温度梯度为−21.25 ℃/mm；低合金钢基板内最大热应力为53.4 MPa，低于低合金钢的抗拉强度，有效避免了裂纹的产生；复合界面平整清晰，存在宽度约50 μm的奥氏体带状区；热影响区晶粒有所长大，为铁素体加珠光体组织；高铬铸铁硬面层由奥氏体、碳化物和少量马氏体组成，M₇C₃型碳化物细小且均匀分布于奥氏体晶界；复合界面结合强度为96 MPa；试样熔合区的冲击吸收能量(53 J)较硬面层冲击吸收能量(10.7 J)明显提高；亚共晶高铬铸铁硬面层在较大磨损载荷下发生马氏体相变，硬度提高，耐磨粒磨损性能优良.
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  一种用于窄间隙焊缝跟踪系统的多极阵列电容传感器

  李湘文, 王璐, 易出山, 吴家云, 龙志衡

  焊接学报. 2023, 44(3): 106-113. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220425001

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  焊缝跟踪系统是实现智能焊接的关键技术之一，针对窄间隙焊缝中焊缝实时跟踪困难等问题，文中设计了一种基于边缘电场技术的多极阵列电容传感器，并通过结合了小波滤波与非线性映射技术的电容信号处理技术，实现了该传感器对窄间隙焊缝坡口形貌的重构. 首先，建立了该传感器的数学模型，得到了多极阵列电容传感器的相关理论数值，并结合有限元仿真分析，优化了传感器结构. 随后，通过电容信号处理技术实现了对传感器电容信号的提取及优化，获得了焊枪偏移及焊缝偏差信号，完成了焊缝坡口形貌重构. 结果表明，多极阵列电容传感器应用于窄间隙焊缝跟踪系统是可行的，对窄间隙焊缝跟踪具有重要意义.
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  选区激光熔化316L扫描特征参数对表面形貌影响

  朱春霞, 邱渤杰

  焊接学报. 2023, 44(3): 114-121,128. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220426002

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  为研究不同扫描特征参数组合对选区激光熔化(selective laser melting, SLM)表面形貌的影响，以316L不锈钢粉末为例，进行介观尺度的单层双道数值模拟研究.基于离散元法建立单层的粉床数值模型.使用流体体积法对粉床受热部分粉末的熔化过程中的熔化、流动和凝固过程进行计算.考虑激光功率、扫描速度和扫描间距3个扫描特征参数，设计并进行正交试验，从熔道形貌特征和熔道宽度2个方面研究所选扫描特征参数对成形件表面的熔道形貌影响.依据数值模拟中的参数进行实际打印及形貌观察试验，验证数值模拟的有效性.结果表明，在313 ~ 500 J/m的线能量密度和50 ~ 90 μm的扫描间距范围内，可以得到平整连续局部缺陷少的熔道形貌，且该区间内的参数组合依次线性对应；对熔道形貌的完整性影响由大到小依次为扫描速度、扫描间距和激光功率.
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  磁场与粉煤灰联合作用下TIG焊电弧行为

  安亚君, 徐振, 陶佳美, 李一鸣, 刘昊城

  焊接学报. 2023, 44(3): 122-128. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220407002

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  为了研究活性剂与高频磁场联合作用对电弧行为影响及熔深改变机理，使用粉煤灰作为活性剂对Q235钢进行A-TIG焊，并在焊接过程中施加高频纵向磁场，实现两者的联合作用. 试验中对不同的涂覆量下A-TIG焊缝形貌进行分析，发现当涂覆量为0.3 mg/mm²时，熔深增加最为明显，在此涂覆量下引入1.5 kHz高频纵向磁场，熔深达到2.70 mm，为普通氩弧焊的1.8倍，但磁场频率继续增加，熔深则会出现下降趋势. 采集焊接过程中电弧形貌、电流密度、电弧力及电弧温度的变化数据，分析活性剂与高频纵向磁场对TIG焊的联合作用机理，发现活性剂与磁场的联合作用能够改变外部磁场在等离子体内的分布使带电粒子受到更大的洛伦兹力，导致电弧在一定范围内进一步收缩；同时，与磁控-TIG相比，能够改善高频磁场引起的“磁抽吸”现象，使电弧热量更加集中.
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  2023-3期英文摘要

  焊接学报. 2023, 44(3): 129-136.

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