智能金屬結(jié)構(gòu)熔焊成型技術(shù)研究.pdf

1、智能結(jié)構(gòu)在軍事、航空航天、汽車和醫(yī)學等領(lǐng)域得到了廣闊應用，使其越來越成為研究熱點。智能結(jié)構(gòu)在復合材料零件的設(shè)計與制造中已取得了令人矚目的成果，但由于金屬結(jié)構(gòu)制備和傳感器埋入等技術(shù)尚未解決，金屬智能結(jié)構(gòu)的設(shè)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(jié)構(gòu)內(nèi)部的方法來實現(xiàn)智能金屬結(jié)構(gòu)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(shù)的特點和光纖智能金屬結(jié)構(gòu)的制造要求，對熔焊成型工藝，熔焊熱過程進行了研究。實現(xiàn)了熔焊過程的實時控制，并采用電弧釬焊技術(shù)，將保護后的FBG傳感器在熔焊成型過程中埋入金屬結(jié)構(gòu)中，本文完成的主要工作如下：
　　 (1)建立了智能金屬結(jié)構(gòu)熔焊快速成型系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取焊槍在成型過程中的位置，根據(jù)熔焊成型的要求對焊接工藝參數(shù)進行自動調(diào)整。成型過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)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(chǔ)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(zhuǎn)設(shè)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(guān)系模型，并分析了這三個參數(shù)對零件幾何尺寸的影響。對一般的金屬結(jié)構(gòu)件進行解構(gòu)，得到了單道多層、單層多道和傾角三種基本結(jié)構(gòu)，采用實驗與建模相結(jié)合的方法，找到了相關(guān)的控制參數(shù)，實現(xiàn)了

4、基本結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行金相分析，得到了在金屬結(jié)構(gòu)不同位置的金相組織。發(fā)現(xiàn)在熔焊金屬結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)內(nèi)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(jié)構(gòu)表面的硬度要高于金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jié)構(gòu)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(guān)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(shù)關(guān)系。設(shè)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(diào)整焊接參數(shù)以達到控制焊縫尺寸的目的。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r調(diào)整焊接參數(shù)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(shù)，將熱加工與冷加工結(jié)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(shù)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(jié)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(jié)構(gòu)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