智能金屬結構熔焊成型技術研究.pdf

1、智能結構在軍事、航空航天、汽車和醫(yī)學等領域得到了廣闊應用，使其越來越成為研究熱點。智能結構在復合材料零件的設計與制造中已取得了令人矚目的成果，但由于金屬結構制備和傳感器埋入等技術尚未解決，金屬智能結構的設計與制造一直沒有突破性進展。本文采用一種將光纖傳感器在熔焊成型過程中埋入金屬結構內部的方法來實現智能金屬結構的制造。
　　 熔焊成型金屬零件由全焊縫組成，其致密度高，滿足金屬零件的強度和性能要求，而且以焊絲作為熔焊成型的材料，成

2、本低。本文針對GTAW熔焊成型技術的特點和光纖智能金屬結構的制造要求，對熔焊成型工藝，熔焊熱過程進行了研究。實現了熔焊過程的實時控制，并采用電弧釬焊技術，將保護后的FBG傳感器在熔焊成型過程中埋入金屬結構中，本文完成的主要工作如下：
　　 (1)建立了智能金屬結構熔焊快速成型系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實時獲取焊槍在成型過程中的位置，根據熔焊成型的要求對焊接工藝參數進行自動調整。成型過程中，能夠實現焊機的起弧、熄弧以及送絲機的送絲、停絲的自

3、動控制。同時還可以對光纖傳感器的進行保護。
　　 (2)在分析金屬熔焊成型過程的基礎上，對影響熔焊成型的因素進行分析，將焊接電流，焊接速度，送絲速度作為可控的影響因素。采用二次回歸旋轉設計，建立了焊接電流、焊接速度、送絲速度這三個因素與成型零件幾何尺寸的關系模型，并分析了這三個參數對零件幾何尺寸的影響。對一般的金屬結構件進行解構，得到了單道多層、單層多道和傾角三種基本結構，采用實驗與建模相結合的方法，找到了相關的控制參數，實現了

4、基本結構的可控成型。
　　 (3)采用有限元方法模擬了熔焊成型熱過程，得到了熔焊成型中的溫度分布情況，分析了采用不同的成型軌跡對溫度場分布的影響。對得到的金屬結構進行金相分析，得到了在金屬結構不同位置的金相組織。發(fā)現在熔焊金屬結構表面組織為快冷的針狀馬氏體、貝氏體混合組織，而在金屬結構內部為類似于正火組織的等軸晶組織，也是因為該原因，在金屬結構表面的硬度要高于金屬結構內部的硬度。通過拉伸試驗可知，采用熔焊成型方法制備的金屬結構力

5、學性能達到或者超過焊絲熔敷金屬的力學性能，并且在沿焊縫方向可以承受更大的載荷。
　　 (4)研究了焊接電壓與焊接電流、電弧長度之間的關系，得出了在焊接電壓、焊接電流和電弧長度三者之間的函數關系。設計了基于焊接電壓反饋的熔焊快速成型尺寸模糊控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過采集焊接電壓來間接測量焊縫高度，并以此焊接電壓作為反饋量，通過模糊控制器來實時調整焊接參數以達到控制焊縫尺寸的目的。試驗結果表明，該系統(tǒng)能夠實時調整焊接參數并對焊縫尺寸進行控

6、制。明顯提高成型精度。
　　 (5)提出了一種分段成型-銑削的金屬成型技術，將熱加工與冷加工結合起來，克服了熔焊直接成型零件尺寸精度不高，表面粗糙度大的缺點，與傳統(tǒng)的去除成型技術相比又具有較少的加工余量，使用該方法進行了多種金屬零件的制備。獲得了較滿意的結果。
　　 (6)采用實驗和模擬的方法分析了光纖傳感器在埋入金屬結構過程中的受熱與受力情況，確定埋入位置應與熔池距離為5mm。將電鍍后的光纖傳感器采用感應釬焊的方法封裝