王 浩 李天賜 張樂(lè)樂(lè)

(1.中國(guó)中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島，266000； 2.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044)

?

焊接技術(shù)在金屬結(jié)構(gòu)修復(fù)中的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀

王 浩1李天賜2張樂(lè)樂(lè)2

(1.中國(guó)中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島，266000； 2.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044)

焊接是現(xiàn)代制造業(yè)中最為重要的結(jié)構(gòu)修復(fù)技術(shù)之一，焊接修復(fù)技術(shù)的發(fā)展對(duì)提高金屬結(jié)構(gòu)的可靠性和使用壽命有著極為重要的意義。論述了應(yīng)用于金屬結(jié)構(gòu)修復(fù)中的釬焊、激光焊、摩擦攪拌焊等焊接修復(fù)方法的研究進(jìn)展，分析了不同工藝的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域；焊接工藝參數(shù)設(shè)計(jì)、性能檢測(cè)和過(guò)程控制技術(shù)對(duì)焊接質(zhì)量有重要影響，對(duì)應(yīng)用于焊接過(guò)程的最新技術(shù)進(jìn)行研究，為深入理解焊接過(guò)程中的復(fù)雜物理化學(xué)變化以及開(kāi)發(fā)更高質(zhì)量的焊接修復(fù)技術(shù)提供參考；系統(tǒng)梳理了焊后殘余應(yīng)力及變形的檢測(cè)、數(shù)值模擬及控制方法，展望了焊接修復(fù)方法在金屬結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用前景。

焊接工藝 結(jié)構(gòu)修復(fù) 焊接殘余應(yīng)力 數(shù)值模擬

0 序 言

金屬結(jié)構(gòu)因具有良好的物理化學(xué)特性和力學(xué)性能而廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。由于應(yīng)力腐蝕和疲勞，以及外來(lái)物的沖擊，現(xiàn)役金屬結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生裂紋和損傷。

金屬構(gòu)件的修復(fù)可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是存在的缺陷或損傷使結(jié)構(gòu)的性能降低到設(shè)計(jì)不能允許的水平，對(duì)此類(lèi)損傷結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行修復(fù)或更換；另一類(lèi)缺陷或損傷較小，其存在對(duì)結(jié)構(gòu)的性能影響程度有限，但在使用條件下，這類(lèi)缺陷或損傷可能進(jìn)一步擴(kuò)展，不能滿(mǎn)足使用要求。對(duì)此類(lèi)損傷結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行有效地監(jiān)測(cè)與控制，當(dāng)損傷發(fā)展到一定程度后，要及時(shí)進(jìn)行修復(fù)或更換。焊接是金屬結(jié)構(gòu)修復(fù)的重要手段，目前常用的焊接修復(fù)方法有焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊、釬焊、激光焊、攪拌摩擦焊等。

焊接修復(fù)工藝的好壞直接影響焊接質(zhì)量。熔滴過(guò)渡、弧焊電弧穩(wěn)定性、焊接過(guò)程控制、焊縫跟蹤及殘余應(yīng)力的檢測(cè)與控制等技術(shù)是焊接工藝研究的重難點(diǎn)，因此通過(guò)視覺(jué)傳感技術(shù)、小波分析、輪廓法等一些應(yīng)用于焊接過(guò)程以及焊后檢測(cè)的先進(jìn)技術(shù)，研究不同控制監(jiān)測(cè)方法對(duì)焊接電弧平穩(wěn)性和焊接質(zhì)量的提高、焊后殘余應(yīng)力的減小的作用，有助于對(duì)焊接修復(fù)過(guò)程的理解，可為新的修復(fù)控制方法的提出、新的焊接電源的開(kāi)發(fā)和工藝的改進(jìn)提供有效的技術(shù)參考。

1 常用的焊接修復(fù)工藝

1.1 熔焊修復(fù)

1.1.1 焊條電弧焊

電弧焊是利用焊條和工件間產(chǎn)生電弧熱，將工件和焊條加熱熔化而進(jìn)行焊接的，其優(yōu)點(diǎn)是操作靈活，待焊接頭裝配要求低、可焊金屬?gòu)V且熔敷速度較低。

2010年，石金磊等人[1]將焊條電弧焊應(yīng)用于管道修復(fù)中，系統(tǒng)研究了焊條電弧焊的工藝要點(diǎn)，焊條直徑、種類(lèi)、牌號(hào)、焊接電流、電源種類(lèi)和極性、電弧電壓、焊接速度和焊接層次等。2012年，白霞光等人[2]對(duì)焊條電弧焊在管道修復(fù)中的操作過(guò)程進(jìn)行研究，將焊接操作分為引弧、熔池保持、電弧行走及收弧四個(gè)步驟，并分別確定了各個(gè)步驟的常用方法以及焊接運(yùn)動(dòng)方式。同年，張?chǎng)蔚热薣3]分析了焊條電弧焊在管線修繕工作中的危險(xiǎn)性，認(rèn)為電弧過(guò)大侵蝕管材，使管材變薄而不能承受內(nèi)在介質(zhì)的壓力而破裂，并且通過(guò)對(duì)河南安陽(yáng)燃?xì)馓烊还艿篮蜕綎|東明石化煉油廠管線進(jìn)行維護(hù)，得出焊條電弧焊在管線修復(fù)中有較好工程效果的結(jié)論。2013年，馬國(guó)等人[4]通過(guò)對(duì)2種不同的汽車(chē)覆蓋件鑄造模具鋼材料的焊接修復(fù)工藝進(jìn)行對(duì)比，研究更能夠適用焊接接頭的母材的熱處理方案。不同的熱處理工藝表明，鑄造模具鋼材料在鑄態(tài)焊接時(shí)：焊接接頭按照母材退火工藝860 ℃保溫2 h，隨后760 ℃保溫4 h，然后爐冷，進(jìn)行退火后，不論哪種電流焊接均在原淬火區(qū)中出現(xiàn)了再熱裂紋，母材的退火工藝并不適用于焊接接頭。

大量文獻(xiàn)表明焊條電弧焊主要應(yīng)用于管道線路的修復(fù)中，其設(shè)備簡(jiǎn)單易于操作，滿(mǎn)足管線在地下或水下工作環(huán)境的需要。但焊條電弧焊生產(chǎn)效率低勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，后期開(kāi)發(fā)了在管道施工中使用的自動(dòng)焊機(jī)。

1.1.2 埋弧焊

埋弧焊相對(duì)于焊條電弧焊機(jī)械化程度及生產(chǎn)效率高,其工作原理是焊接電弧在焊絲與工件之間燃燒，電弧熱將焊絲端部及電弧附近的母材和焊劑熔化。熔渣則凝固成渣殼，覆蓋于焊縫表面。

2006年，張羽等人采用變頻調(diào)速自動(dòng)埋弧焊技術(shù)針對(duì)冷凝管車(chē)間1 200 t臥式擠壓機(jī)主柱塞、穿孔塞進(jìn)行修復(fù)。2010年， Rupesh Kaushik[5]通過(guò)保持焊接電流、電壓、焊接速度以及其他參量恒定單一研究了助焊劑對(duì)高強(qiáng)度低合金焊縫拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、硬度、顯微結(jié)構(gòu)等影響，通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)、仿真模擬及對(duì)顯微結(jié)構(gòu)的分析，確定了焊接接頭各項(xiàng)性能較好的助焊劑。王清寶[6]針對(duì)埋弧堆焊藥芯焊絲，通過(guò)優(yōu)化 Cr5 系合金成分，改變藥芯焊絲的合金元素加入形式，研究了熔敷金屬高溫拉伸性能、熱疲勞性能和磨損性能的差異，同時(shí)研究了熔滴及熔池階段的凝固組織，焊態(tài)及熱處理態(tài)顯微組織的演變規(guī)律，對(duì)堆焊熔敷金屬力學(xué)性能的影響因素和規(guī)律進(jìn)行了分析，改善軋輥表面材料失效的問(wèn)題。另外，王元良等人[7]對(duì)汽車(chē)磨損零件裂紋進(jìn)行多電源雙(多)絲埋弧焊、單電源串并列雙絲埋弧焊焊接修復(fù)，系統(tǒng)梳理了不同焊接方式在節(jié)約電能、減少裂紋傾向、提高生產(chǎn)率、改善接頭性能、提高焊縫質(zhì)量方面的特點(diǎn)，滿(mǎn)足焊接缺陷變形和殘余應(yīng)力控制的要求。

因此，埋弧焊在修復(fù)金屬結(jié)構(gòu)方面主要用于材料表面改性，廣泛應(yīng)用于對(duì)機(jī)械、航空航天、汽車(chē)領(lǐng)域的凸輪、曲軸、活塞、汽缸、離合器等表面易磨損零部件的修復(fù)或修補(bǔ)。針對(duì)高溫環(huán)境下工作的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪、皮帶輪、油壓機(jī)柱塞等，也有很好的修復(fù)性。

1.1.3 氣體保護(hù)焊

氣體保護(hù)焊利用氣體作為電弧介質(zhì)，并且可以保護(hù)電弧和焊接區(qū)。由于CO2氣體保護(hù)焊修復(fù)對(duì)焊件表面油污不敏感，且氣體價(jià)格低廉，以CO2氣體保護(hù)焊修復(fù)受損零件為主。

早于1993年，太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司黃家鴻[8]就運(yùn)用CO2氣體保護(hù)焊對(duì)大型錘頭進(jìn)行修復(fù)。2003年，該公司王成文[9]采用CO2氣體保護(hù)焊對(duì)大型水壓機(jī)立柱進(jìn)行焊接修復(fù)，嚴(yán)格控制焊前預(yù)熱溫度以及焊后時(shí)效處理，質(zhì)量檢查合格。同時(shí)，也對(duì)大型軋機(jī)鑄軋輥進(jìn)行富氬混合氣體保護(hù)焊，經(jīng)著色探傷檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)裂紋、夾渣、剝離等缺陷，修復(fù)成功。2015年，高黨尋等人[10]對(duì)清華大學(xué)1922級(jí)噴水塔進(jìn)行修補(bǔ)，針對(duì)塔身裂縫處灰鑄鐵材料的特點(diǎn)，采取CO2氣體保護(hù)半自動(dòng)焊配合高塑性材料進(jìn)行修復(fù)。聶剛等人通過(guò)葉片裂紋補(bǔ)焊工藝試驗(yàn)，確定采用鎳基焊接材料的TIG焊接工藝，成功地補(bǔ)焊修復(fù)了大量葉片裂紋。MIG與TIG工藝類(lèi)似，MIG焊將焊炬內(nèi)的鎢電極用金屬絲代替，趙卓[11]研究了新型鑄造熱作模具鋼 MIG焊接接頭組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭組織及硬度的影響、接頭的力學(xué)性能及裂紋敏感性。通過(guò)試驗(yàn)以及對(duì)焊接接頭組織分析和硬度測(cè)試，評(píng)價(jià)焊接性能，設(shè)計(jì)并優(yōu)化出合理的焊接工藝參數(shù)以達(dá)到對(duì)失效熱作模具實(shí)用、快速、高效的修復(fù)。

氣體保護(hù)焊主要用于對(duì)高碳鋼材料及鑄鐵結(jié)構(gòu)的焊接修復(fù)。鑄鐵焊接性能差，氣體保護(hù)焊由于電弧在保護(hù)氣流的壓縮下熱量集中，焊接速度較快，熔池較小，熱影響區(qū)窄，焊件焊后變形小，因此避免了高碳鋼及鑄鐵由于塑性不足而產(chǎn)生裂紋。另外，惰性氣體保護(hù)焊(TIG,MIG)也可以焊接化學(xué)活潑性強(qiáng)和易形成高熔點(diǎn)氧化膜的鎂、鋁、鈦及其合金。其缺點(diǎn)是成本高、焊前清理要求嚴(yán)格且對(duì)環(huán)境風(fēng)力要求苛刻。如何揚(yáng)長(zhǎng)避短還有待進(jìn)一步的研究。

1.1.4 激光焊

激光焊接生產(chǎn)線大規(guī)模出現(xiàn)在汽車(chē)行業(yè)。根據(jù)汽車(chē)工業(yè)批量大、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，激光焊接設(shè)備向大功率、多路式方向發(fā)展。在激光焊接修復(fù)金屬結(jié)構(gòu)方面，海軍航空工程學(xué)院姜偉等人[12]為研究修復(fù)K418渦輪導(dǎo)向器的工藝，以CO2連續(xù)激光器為熱源，在渦輪導(dǎo)向器試驗(yàn)葉片表面熔覆自配粉末，獲得了微觀形貌和顯微硬度均優(yōu)于基體組織的熔覆層。隨后改用YAG脈沖激光器作為熱源，進(jìn)行熔覆效果對(duì)比，同時(shí)嘗試調(diào)整粉末成分，加入鈮等稀土元素，進(jìn)一步優(yōu)化材料參數(shù)和工藝參數(shù)，焊接性能較好。隨后，空軍第一航空學(xué)院代永超[13]對(duì)飛機(jī)的TC4鈦合金結(jié)構(gòu)激光焊接修復(fù)工藝進(jìn)行研究，取3個(gè)式樣進(jìn)行激光焊接參數(shù)設(shè)計(jì)及激光焊接試驗(yàn)，并對(duì)接頭進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，以接頭強(qiáng)度值為評(píng)估指標(biāo)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最后分析焊接接頭的微觀組織。近些年，激光焊在醫(yī)療器械方面應(yīng)用廣泛。清華大學(xué)的李曉莉等人[14]，研究了高溫合金K403基體上采用鎳基自熔合金和自配無(wú)硼、硅元素鎳基合金的激光同步送粉熔覆過(guò)程，分析了基體組織狀態(tài)、熔覆層材料和熔覆工藝參數(shù)對(duì)熔覆層裂紋傾向的影響，探討了激光熔覆技術(shù)強(qiáng)化和修復(fù)高溫合金葉片的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，激光熔覆時(shí)大多數(shù)裂紋是從基體形成后深人到熔覆層中，而基體組織中縮松等鑄造缺陷及晶界低熔點(diǎn)共晶的存在是熔覆層開(kāi)裂的重要原因。采用無(wú)硼、硅元素合金熔覆改善了結(jié)合區(qū)性能，與自熔合金相比，有助于改善熔覆層裂紋傾向。此外，吉林大學(xué)一些學(xué)者[15]研究了激光堆焊修復(fù)模具開(kāi)裂后的仿生耦合強(qiáng)化問(wèn)題，根據(jù)仿生耦合原理，利用激光技術(shù)在疲勞試樣表面設(shè)計(jì)并制備出具有修復(fù)和止裂功能的單元體，使單元體按生物體表強(qiáng)化單元分布規(guī)律組合，并與母體材料構(gòu)成仿生耦合表面，并考察了強(qiáng)化后試樣的抗拉強(qiáng)度和熱疲勞性能，并將此技術(shù)應(yīng)用于對(duì)熱作模具的修復(fù)上。

激光焊對(duì)于鈦及鈦合金的薄板及精密零件的焊接具有更廣泛的前景，只要工藝參數(shù)匹配合理，TC4鈦合金焊縫內(nèi)部質(zhì)量可達(dá)到GB3233—87K級(jí)焊縫要求。

1.2 固相焊修復(fù)

1.2.1 釬焊

釬焊可以采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)，低于母材熔化溫度，利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法。

1999年，潘輝等人[16]針對(duì)一級(jí)、二級(jí)鎳基高溫合金導(dǎo)向葉片的釬焊修復(fù)進(jìn)行了研究。此類(lèi)葉片修復(fù)難度較大，主要難點(diǎn)有兩方面；一是待修復(fù)裂紋表面長(zhǎng)期在高溫燃?xì)庾饔孟庐a(chǎn)生較厚的氧化膜，且由于母材中含鈦、鋁和鉻等元素，很難用簡(jiǎn)單的酸洗方法將此類(lèi)氧化膜去除；另外葉片裂紋開(kāi)敞性差、材質(zhì)硬，普通刀具及機(jī)加工方法無(wú)法加工，因此機(jī)械加工去除氧化膜也有一定的難度。二是葉片要求修復(fù)后形成的大間隙釬焊接頭，具有較高的高溫持久性能、耐蝕性能和重熔溫度。2010年，王剛等人[17]對(duì)K465鎳基高溫合金葉片進(jìn)行修復(fù)，采用自制1號(hào)釬料合金進(jìn)行了真空電子束釬焊開(kāi)非貫通槽和貫通槽葉片模擬件試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)開(kāi)貫通槽試件很少產(chǎn)生裂紋；而開(kāi)非貫通槽試件都產(chǎn)生裂紋，裂紋大多產(chǎn)生于焊縫或釬料和母材界面附近的母材，整體沿著橫向穿過(guò)釬縫。2016年，杜靜等人[18]對(duì)K24合金鑄件缺陷的真空釬焊修復(fù)工藝進(jìn)行了研究，選擇了適合K24 合金鑄件缺陷釬焊修復(fù)的高溫釬料B-24，并對(duì)B-24釬料進(jìn)行了工藝性能試驗(yàn)和釬焊接頭的力學(xué)性能試驗(yàn)。確定了K24用機(jī)械打磨和切割的方式來(lái)清理合金鑄造件缺陷處(特別是裂紋)氧化膜的方案，以及真空釬焊修復(fù)工藝及鑄件釬焊修復(fù)后變形的熱校形的方法。

釬焊不適于一般鋼結(jié)構(gòu)和重載、動(dòng)載機(jī)件的焊接修復(fù)。主要用于制造精密儀表、電氣零部件、異種金屬構(gòu)件以及復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)，如夾層構(gòu)件、蜂窩結(jié)構(gòu)等。在金屬結(jié)構(gòu)的修復(fù)中，硬釬料(如銅基、銀基、鋁基、鎳基等)具有較高的強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于修復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、高溫合金葉片、大型汽輪機(jī)末級(jí)葉片等方面。

1.2.2 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是20世紀(jì)90年代初由英國(guó)焊接研究所發(fā)明的固態(tài)焊接新技術(shù)，利用工件端面相互運(yùn)動(dòng)、相互摩擦所產(chǎn)生的熱，使端部達(dá)到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種方法。

2008年Z.Zhang[19]用兩個(gè)對(duì)比模型來(lái)研究攪拌摩擦焊中熱-力相互作用過(guò)程。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典的庫(kù)倫摩擦模型可以完美模擬攪拌摩擦焊的低角速度過(guò)程，在高角速度時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)焊頭的動(dòng)態(tài)作用，需要考慮焊頭與母材接觸表面的相互作用力受到剪切破壞的影響，因此對(duì)庫(kù)倫模型進(jìn)行修正，修正后的模型可以準(zhǔn)確描述較高角速度下的作用力。國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者也對(duì)攪拌摩擦焊進(jìn)行研究， 2016年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)周利等人[20]也針對(duì)2219 鋁合金攪拌摩擦焊接頭中出現(xiàn)的未焊透和孔洞缺陷進(jìn)行一次、二次攪拌摩擦補(bǔ)焊試驗(yàn)。結(jié)果表明：隨補(bǔ)焊次數(shù)的增加，接頭軟化區(qū)域顯著增加；含有上述兩種缺陷接頭一次補(bǔ)焊后拉伸性能顯著提高，二次補(bǔ)焊接頭相比于一次補(bǔ)焊接頭拉伸性能有所降低；含有缺陷的原始接頭拉伸時(shí)均于缺陷處起裂導(dǎo)致接頭塑性較低，補(bǔ)焊后接頭都斷裂于后退側(cè)熱影響區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)交界處，呈韌性斷裂模式。針對(duì)攪拌摩擦焊在鋁合金焊接方面存在的局限性，近年來(lái)有人提出了超聲攪拌復(fù)合焊接技術(shù)，將超聲振動(dòng)的能量導(dǎo)入到焊縫深層，能夠降低焊接流變的抵抗力，減小殘余應(yīng)力，以達(dá)到改善焊縫組織，提高焊縫強(qiáng)度的目的。

攪拌摩擦焊作為未來(lái)金屬結(jié)構(gòu)修復(fù)的新技術(shù)，想要得到廣泛推廣和應(yīng)用，還需要開(kāi)展更多的工作。首先要進(jìn)行損傷部位攪拌摩擦焊原位修理技術(shù)研究，以及焊接設(shè)備的小型化、智能化和機(jī)動(dòng)性研究。然后對(duì)適用于不同修復(fù)結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊攪拌頭展開(kāi)研究，并根據(jù)不同特種金屬材料和構(gòu)件的焊接需要實(shí)現(xiàn)攪拌頭型號(hào)的系列化。

2 焊接修復(fù)工藝最新技術(shù)

2.1 應(yīng)用于參數(shù)設(shè)計(jì)、過(guò)程控制的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

焊接過(guò)程非常復(fù)雜，大量參數(shù)難以量化，存在很多不確定性的模糊知識(shí)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)技術(shù)因能有效處理非線性問(wèn)題，廣泛應(yīng)用于焊接領(lǐng)域。

20世紀(jì)90年代初日本學(xué)者Ohshima提出將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于焊接領(lǐng)域，希望可以處理復(fù)雜的焊接熔池建模和焊縫質(zhì)量控制的問(wèn)題。隨后，清華大學(xué)的彭金宇[21]研究了國(guó)內(nèi)一些高校開(kāi)發(fā)的焊接專(zhuān)家系統(tǒng)，指出現(xiàn)有的專(zhuān)家系統(tǒng)沒(méi)有解決實(shí)用化過(guò)程的一些問(wèn)題，距工程實(shí)用還有距離，應(yīng)引入神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊推理等先進(jìn)技術(shù)完善已有系統(tǒng)，使國(guó)內(nèi)焊接專(zhuān)家系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)新水平。哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳善本[22]指出人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于焊接過(guò)程大致有三個(gè)方向：用于焊接過(guò)程建模和自校正、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專(zhuān)家系統(tǒng)結(jié)合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊推理過(guò)程結(jié)合。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逐步應(yīng)用于工程實(shí)踐中。重慶工學(xué)院羅怡等利用LabView建立了CO2氣體保護(hù)焊焊縫幾何形狀預(yù)測(cè)的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。應(yīng)用該模型對(duì)焊縫的熔寬、熔深進(jìn)行預(yù)測(cè), 模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際焊接結(jié)果具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，證明所建立模型的可靠性。表1、表2列出了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于焊接的諸多方面。

關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用研究雖然取得了一些進(jìn)展，但是仍存在許多問(wèn)題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用大多停留在科研領(lǐng)域，很少實(shí)際應(yīng)用于企業(yè)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用停留在單機(jī)上，無(wú)法實(shí)現(xiàn)模型共享和分布式的計(jì)算。因此，將科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)還需要更多的研究和突破。

2.2 應(yīng)用于電弧控制的模糊-PID控制技術(shù)

模糊算法是通過(guò)模仿人腦的不確定性概念進(jìn)行判斷、推理的一種思維方式，在焊接過(guò)程自動(dòng)化控制及焊接質(zhì)量檢測(cè)中應(yīng)用非常廣泛。

表1 國(guó)內(nèi)人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在焊接中的應(yīng)用[23]

表2 國(guó)外人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在焊接中的應(yīng)用[23]

華南理工大學(xué)的吳開(kāi)源等人[24]設(shè)計(jì)了基于修正因子的電弧雙模模糊控制器，在原有雙模糊控制器的基礎(chǔ)上，對(duì)偏差E及偏差變化率EC采取不同的重視程度，即修正因子，當(dāng)峰值弧壓偏差較大時(shí)采用基于修正因子的粗調(diào)模糊控制規(guī)則，以送絲速度為控制量；而當(dāng)偏差較小時(shí)采用基于修正因子的細(xì)調(diào)模糊控制規(guī)則，以基值時(shí)間作為控制量，電弧弧長(zhǎng)穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。隨后，秦禹等人[25]在送絲系統(tǒng)中，電流偏差值在規(guī)定范圍內(nèi)采用模糊控制，超出范圍采用PID控制，并對(duì)PID控制器作用與PID-模糊控制器作用的焊接電流波形圖進(jìn)行對(duì)比，PID-模糊控制器能夠使電流更加穩(wěn)定，大大提高了焊接設(shè)備的使用壽命。中國(guó)工程物理研究院張建全[26]將模糊PID控制應(yīng)用于攪拌摩擦焊接技術(shù)中，分別利用模糊PID 和普通PID 控制理論對(duì)控制模型進(jìn)行仿真。分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：模糊PID 和普通PID 控制方法雖然都能實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸液壓系統(tǒng)的力控制，但模糊PID 控制不論是在響應(yīng)時(shí)間、控制精度還是抗干擾能力方面都優(yōu)于普通PID 控制，并且通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模糊PID 控制的可行性。

將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于焊接過(guò)程提高電弧電壓以及電流的穩(wěn)定性，數(shù)字化弧焊逆變電源的研究和開(kāi)發(fā)是目前研究的熱點(diǎn)，近幾年研究發(fā)展相當(dāng)迅速，數(shù)字化弧焊逆變電源的性能和水平有所提高，正在向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

2.3 應(yīng)用于焊縫跟蹤的視覺(jué)傳感技術(shù)

焊縫跟蹤一直是機(jī)器人焊接自動(dòng)化技術(shù)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，也是焊接界工作者致力研究的重要課題。跟蹤過(guò)程中，主要是通過(guò)焊槍與焊縫偏差的實(shí)時(shí)檢測(cè)，機(jī)器人路徑的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，來(lái)保證焊接質(zhì)量。但在實(shí)際焊接中，常常因?yàn)榇嬖谧冃?、變散熱、變間隙、變錯(cuò)邊等因數(shù)，導(dǎo)致焊縫和機(jī)器人示教軌跡有偏差，影響焊縫成形的質(zhì)量。

根據(jù)光源的不同，視覺(jué)傳感系統(tǒng)一般被分為兩種：主動(dòng)視覺(jué)以及被動(dòng)視覺(jué)。主動(dòng)視覺(jué)傳感系統(tǒng)一般采用激光等高強(qiáng)光源來(lái)照明焊縫熔池，激光光纖傳感器投射出線狀條紋在焊接工件上，通過(guò)圖像處理算法計(jì)算出反射條紋的折射位置從而推算出實(shí)際焊槍位置與焊縫的偏差，獲得熔池狀態(tài)參數(shù)。加拿大以及英國(guó)的機(jī)器人公司已經(jīng)設(shè)計(jì)出基于視覺(jué)傳感系統(tǒng)對(duì)焊接初始位置進(jìn)行定位，以及焊接過(guò)程中的焊縫跟蹤的技術(shù)。清華大學(xué)陳武柱等人[27]成功研制了基于特殊功能鍍膜的分光鏡、綜合濾光系統(tǒng)和 CCD 攝像機(jī)的 CO2激光焊同軸視覺(jué)系統(tǒng)，可以清晰的顯示熔透狀態(tài)下的俯視小孔，并獲得焊接中焊縫狀態(tài)由未熔透轉(zhuǎn)化為完全熔透時(shí)的視覺(jué)信息變化特征，為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的熔透控制奠定了理論基礎(chǔ)。華中科技大學(xué)朱玉瓊等人[28]通過(guò)可聽(tīng)聲信號(hào)、超聲信號(hào)以及紅外信號(hào)的統(tǒng)計(jì)量算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光拼焊等離子體焊接過(guò)程熔透狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 因此，主動(dòng)視覺(jué)傳感技術(shù)準(zhǔn)確性較高，但由于激光設(shè)備價(jià)格較高，對(duì)工作環(huán)境要求很高，對(duì)于某些工況還無(wú)法完成監(jiān)控。

另一種視覺(jué)采集系統(tǒng)被稱(chēng)為被動(dòng)視覺(jué)傳感技術(shù)，模仿焊工在焊接狀態(tài)時(shí)的視覺(jué)采集模式，采用焊接電弧的弧光和液態(tài)焊縫金屬發(fā)出的微光來(lái)觀察焊接區(qū)域，同樣也能獲得許多詳細(xì)的視覺(jué)信息。關(guān)于被動(dòng)視覺(jué)傳感系統(tǒng)的研究也進(jìn)行了許多年，主要的問(wèn)題在于沒(méi)有設(shè)計(jì)出能夠遮擋住較強(qiáng)的弧光結(jié)構(gòu)較好的傳感器，上海交通大學(xué)的學(xué)者陳波[29]針對(duì)鋁合金熔池的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了雙目視覺(jué)傳感系統(tǒng)可以用來(lái)進(jìn)行焊前的焊縫糾偏以及焊接過(guò)程的熔池形態(tài)的觀察，并通過(guò)正面信息建立對(duì)背面焊縫寬度的預(yù)測(cè)模型。同時(shí)，考慮到背面熔寬信息對(duì)于熔透實(shí)時(shí)監(jiān)控的重要性，還設(shè)計(jì)了三光路的視覺(jué)傳感系統(tǒng)，不但可以獲得正面熔池的幾何形態(tài)，還可以采集到背面的熔透形態(tài)，對(duì)于焊接過(guò)程熔透狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控奠定了基礎(chǔ)?？紤]到圖像信息一般反應(yīng)的是平面二維的熔池信息，為了獲得三維的動(dòng)態(tài)熔池信息，哈工大張?jiān)Ｃ鱗30]也提出了陰影恢復(fù)的圖像算法思路用來(lái)對(duì)三維熔池進(jìn)行建模，主要是通過(guò)熔池的灰度信息對(duì)于熔池高度變化的反映來(lái)對(duì)熔池狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)和判斷。

2.4 應(yīng)用于質(zhì)量監(jiān)測(cè)的小波分析技術(shù)

小波分析技術(shù)是在傅里葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種時(shí)頻分析方法，精髓是通過(guò)變換，大范圍觀察變化平緩的信息(對(duì)應(yīng)低頻信息)，小范圍觀察變化快的信息(對(duì)應(yīng)高頻信息)。

小波理論在焊接缺陷檢測(cè)中有著廣泛的應(yīng)用，南昌航空工業(yè)學(xué)院盧超等人[31]研究多尺度小波分析方法在粗晶材料超聲缺陷信號(hào)增強(qiáng)中的應(yīng)用，并在分析晶粒噪聲和缺陷信號(hào)頻譜布的基礎(chǔ)上，提出一種基于小波變換系數(shù)軟閉值處理再重構(gòu)的方法來(lái)提高信噪比，增強(qiáng)了缺陷的檢出率。同濟(jì)大學(xué)張海燕等人[32]基于金屬超聲檢測(cè)中的缺陷脈沖回波為非穩(wěn)態(tài)信號(hào)的特點(diǎn)，提出了一種對(duì)缺陷定性分類(lèi)方法，由于缺陷信號(hào)特征值的提取是模式識(shí)別的關(guān)鍵，因此用小波變換提取特征值，然后用模式識(shí)別的方法對(duì)小波變換的特征值提取結(jié)果進(jìn)行定性分類(lèi)，從而確定缺陷類(lèi)型。盧超等人[33]后續(xù)研究了連續(xù)小波變換方法在焊接結(jié)構(gòu)超聲無(wú)損檢測(cè)信號(hào)處理中的應(yīng)用，以壓力容器的三種焊接缺陷為對(duì)象，對(duì)缺陷回波信號(hào)作連續(xù)小波變換，再對(duì)小波變換尺度圖采用與時(shí)間—尺度平面相似的網(wǎng)格做區(qū)域平均特征提取，并對(duì)提取出的特征利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和分類(lèi)。

在質(zhì)量監(jiān)測(cè)與控制方面，南昌工程學(xué)院張麗玲等人[34]利用小波分析儀采集焊接過(guò)程中的電壓、電流信號(hào)并進(jìn)行濾波處理，通過(guò)高速攝影儀采集的焊接圖像可以對(duì)熔滴過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行細(xì)微研究，對(duì)比自行研制的電信號(hào)和圖像采集信號(hào)，為改進(jìn)熔滴過(guò)程提供數(shù)據(jù)支持。沈陽(yáng)理工大學(xué)張娜等人[35]采用小波分析方法對(duì)白車(chē)身裝焊過(guò)程中三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)( CMM) 測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，用分離后的趨勢(shì)項(xiàng)進(jìn)行相關(guān)分析并對(duì)白車(chē)身裝焊故障進(jìn)行診斷。通過(guò)實(shí)際例子的應(yīng)用分析，驗(yàn)證了小波濾波后趨勢(shì)項(xiàng)相關(guān)后對(duì)白車(chē)身裝焊故障診斷的有效性。廣東工業(yè)大學(xué)蔡念等人[36]提出一種基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)算法。首先對(duì)焊點(diǎn)圖像進(jìn)行預(yù)處理，然后提出采用形態(tài)因子和曲率作為焊點(diǎn)圖像特征，最后建立焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

基于小波理論的信號(hào)及圖像處理方面，算法已比較成熟，可用于提取更為精確的有用信息，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)圖像、語(yǔ)言信號(hào)等領(lǐng)域。利用小波技術(shù)來(lái)檢測(cè)焊接質(zhì)量，是近些年研究的熱點(diǎn)。

3 焊接修復(fù)殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬、測(cè)量與控制

3.1 焊接修復(fù)殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬

焊接過(guò)程中對(duì)焊接應(yīng)力應(yīng)變的準(zhǔn)確分析非常重要。但由于焊接過(guò)程本身的復(fù)雜性，數(shù)值模擬中的建立模型與數(shù)值求解都面臨許多需要解決的問(wèn)題。焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：數(shù)值求解困難、嚴(yán)重的材料非線性導(dǎo)致求解過(guò)程收斂困難及材料高溫性能參數(shù)的缺失。

目前專(zhuān)家學(xué)者都在嘗試不同的方式來(lái)解決這一難題，研究焦點(diǎn)和方向集中在網(wǎng)格劃分技術(shù)和相似理論在焊接過(guò)程模擬中的運(yùn)用等方面。

網(wǎng)格劃分技術(shù)一直是有限元技術(shù)的重要問(wèn)題。H.Runnemalm 等人[37]對(duì)不同的網(wǎng)格劃分判據(jù)進(jìn)行研究，發(fā)展出綜合優(yōu)化判據(jù)，使網(wǎng)格劃分更加合理。大連鐵道學(xué)院李志敏[38]開(kāi)發(fā)了適用于焊接的網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，采用通過(guò)溫度梯度來(lái)控制網(wǎng)格的疏密，但網(wǎng)格加密后不能復(fù)原。另外一種應(yīng)用較為廣泛的方法是將網(wǎng)格細(xì)分的界限設(shè)置成移動(dòng)的盒子，假設(shè)有一尺寸為a×b×c的盒子以相同的速度隨著焊接熱源移動(dòng)，在每一個(gè)時(shí)間步所有落入盒子內(nèi)的單元均被自動(dòng)細(xì)分，細(xì)分的級(jí)數(shù)可以控制。例如采用兩級(jí)細(xì)分的網(wǎng)格，被細(xì)分的體單元會(huì)每邊均勻分成兩份，原有的體單元被分成8個(gè)，原來(lái)單元上施加的全部邊界條件轉(zhuǎn)加到新生成的單元上。

相似理論的提出可以運(yùn)用相似的結(jié)構(gòu)和熱源來(lái)模擬實(shí)際的焊接修復(fù)問(wèn)題。為了能夠仍然準(zhǔn)確描述溫度場(chǎng)，對(duì)結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格劃分也必須相應(yīng)密集，則最終有限元網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)與原結(jié)構(gòu)一致，在數(shù)值模擬中花費(fèi)的時(shí)間也一致。因此，該相似關(guān)系雖然減小了結(jié)構(gòu)的尺寸，數(shù)值模擬的溫度、位移和應(yīng)力結(jié)果也完全吻合，但并未達(dá)到減少計(jì)算時(shí)間的目的，因而還有待進(jìn)一步進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化。

常用的方法還有生死單元法模擬焊縫金屬填充。合肥工業(yè)大學(xué)汪迎春等人[39]運(yùn)用ANSYS軟件，通過(guò)移動(dòng)熱源加載，采用熱-應(yīng)力間接偶合法，對(duì)小口徑壁T92鋼管多層多道焊接過(guò)程的動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了模擬，運(yùn)用逐步激活焊縫單元和逐層激活焊縫單元的兩種不同生死單元法進(jìn)行了接頭的熱分析與應(yīng)力分析，隨后采用小孔釋放法對(duì)實(shí)際街頭的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)與驗(yàn)證，對(duì)比兩種方法可得，采用逐步激活法得到的殘余應(yīng)力值更接近實(shí)際值。

3.2 焊接修復(fù)殘余應(yīng)力的測(cè)量

無(wú)損、快速地測(cè)量出焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力分布，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估具有重要意義。

X 射線衍射技術(shù)是目前最可靠的應(yīng)力測(cè)量方法之一，國(guó)內(nèi)外均有相應(yīng)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。Kouadri A 等人[40]應(yīng)用 X 射線法對(duì) AZ91 型鎂合金的激光焊件進(jìn)行了殘余應(yīng)力的測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)激光焊導(dǎo)致構(gòu)件在不同區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)以及材料性能出現(xiàn)異同。H.J.Stone[41]為測(cè)定電子束焊板的殘余應(yīng)力，采用了裂紋柔度法、盲孔法以及 X 射線法分別對(duì)焊接試樣進(jìn)行殘余應(yīng)力的測(cè)量，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量出該焊接工藝下試樣的殘余應(yīng)力分布情況。清華大學(xué)趙海燕[42]應(yīng)用 X 射線法對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合測(cè)量到的殘余應(yīng)力值和有限元計(jì)算，獲得大厚度構(gòu)件電子束焊接殘余應(yīng)力分布特征。

輪廓法是近些年來(lái)被關(guān)注的一種殘余應(yīng)力測(cè)量新方法。P. Pagliaro和M.B. Prime[43]改進(jìn)了傳統(tǒng)的輪廓法，將輪廓法擴(kuò)展到通過(guò)多重切割測(cè)量獲得多個(gè)殘余應(yīng)力的分量，并將此理論應(yīng)用于316L不銹鋼試驗(yàn)測(cè)試中，測(cè)量由塑性縮進(jìn)盤(pán)的中心部分引起的殘余應(yīng)力。多重切割輪廓法的結(jié)果與由中子衍射得出結(jié)果、有限元仿真結(jié)果很好的吻合。M.E.Fitzpatrick和M.B.Toparli[44]將輪廓法用于測(cè)量2.0 mm厚的Al2024-T351試樣中殘余應(yīng)力，通過(guò)將一個(gè)連接塊連接到薄板樣品上，除去了表面附近絲放電加工(EDM)切割所測(cè)量的殘余應(yīng)力偽影的效果，并將結(jié)果與X射線衍射和層去除技術(shù)結(jié)果比對(duì)，作者認(rèn)為由于樣件厚度較小，數(shù)據(jù)對(duì)適用樣條參數(shù)非常敏感，導(dǎo)致結(jié)果波動(dòng)，所以輪廓法用于合金薄板時(shí)應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。與普通輪廓法應(yīng)用有限元模型通過(guò)位移直接計(jì)算殘余應(yīng)力不同，多軸輪廓法應(yīng)用位移計(jì)算結(jié)構(gòu)的本征分布，再通過(guò)本征分布計(jì)算殘余應(yīng)力。新的方法可以測(cè)量多個(gè)殘余應(yīng)力的分量，克服了傳統(tǒng)方法只能測(cè)單個(gè)的局限性。

工程上廣為應(yīng)用的是小孔測(cè)量焊接殘余應(yīng)力法。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)影響盲孔法測(cè)量精度的諸多因素進(jìn)行了大量的研究工作。王政、劉萍等人[45]提出釋放系數(shù)A,B不是與應(yīng)力無(wú)關(guān)的常數(shù)，盲孔法適用于殘余應(yīng)力值大于1/4σs的場(chǎng)合，標(biāo)定A,B時(shí)加載的力如果在(1/4～1/3)σs范圍內(nèi)，得到的測(cè)量精度較高。華中科技大學(xué)張盈彬[46]采用盲孔測(cè)量法和逐層銑削法兩種測(cè)量手段，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)量，同時(shí)應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)法測(cè)量了焊接試樣的變形參數(shù)，從而為驗(yàn)證數(shù)值模擬仿真方法的合理性提供了準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。昆明理工大學(xué)陳會(huì)麗[47]給出了影響孔口塑性應(yīng)變的因素，認(rèn)為塑性應(yīng)變由鉆孔的加工過(guò)程和孔邊應(yīng)力集中引起的，提出了消除鉆孔附加應(yīng)變的方法，并給出了孔邊應(yīng)力集中引發(fā)塑性應(yīng)變大小的計(jì)算公式。西安交通大學(xué)斐怡[48]給出了單向和雙向應(yīng)力狀態(tài)下的塑性修正公式，在雙向應(yīng)力狀態(tài)下，孔邊應(yīng)力集中的影響導(dǎo)致的塑性應(yīng)變比單向應(yīng)力狀態(tài)下要復(fù)雜得多，除與主應(yīng)力σ1,σ2有關(guān)外，還與主應(yīng)力σ1,σ2的比值及其主方向角有關(guān)。

3.3 焊接殘余應(yīng)力的控制方法

常用的降低殘余應(yīng)力的方法有：合理的安排焊接順序和選擇焊接方向、高溫回火法、振動(dòng)時(shí)效法等。

鄧德安[49]采用試驗(yàn)手段和數(shù)值模擬方法研究了不銹鋼厚板多道焊的殘余應(yīng)力分布特征，結(jié)果表明一條焊道2段焊中，先焊焊道的應(yīng)力值較低，而后焊焊道的應(yīng)力值較高。戴晴華[50]的研究表明，寬度不同的兩板對(duì)接焊時(shí)，先焊幾何尺寸較小的一邊，再焊尺寸較大的一邊，沿焊縫方向底部和頂部產(chǎn)生的橫向和縱向殘余應(yīng)力峰值最小，底層的幾道焊縫的焊接順序?qū)缚p底部和頂部沿焊縫方向所產(chǎn)生的橫向和縱向殘余應(yīng)力影響不大。

特定焊接工藝參數(shù)下的回火焊道能夠起到降低特定位置殘余應(yīng)力的作用。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張利國(guó)[51]研究表明，對(duì)于分段焊，若先焊兩端焊縫再焊中間焊縫，可以使整個(gè)焊縫的低殘余應(yīng)力區(qū)域增加，而且能夠有效地降低先焊焊段的殘余應(yīng)力，降低效果與先焊焊段上的點(diǎn)到后焊焊段端部的距離有關(guān)。北京工業(yè)大學(xué)的X.Shi和Y.L.Zhang[52]采用回火焊接工藝使T形板在焊縫處的殘余應(yīng)力比普通焊接工藝試樣降低了 46%，且對(duì)Q345鋼板對(duì)接焊后的殘余應(yīng)力研究表明，采用回火焊道技術(shù)能降低殘余應(yīng)力，且將余高打磨后，殘余應(yīng)力降低了25%。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張學(xué)秋等人[53]研究發(fā)現(xiàn)，多層焊后焊層對(duì)已焊層有熱作用，但當(dāng)熱輸入過(guò)大時(shí)，己焊層又會(huì)成為焊縫金屬與后焊層溶合，焊后殘余應(yīng)力不會(huì)降低，維持在屈服強(qiáng)度的水平,也就是說(shuō)能否起到降低的作用受板的厚度和后焊層的焊接熱輸入影響。

在熱作用消除焊接殘余應(yīng)力的機(jī)理研究方面一種觀點(diǎn)由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的王者昌等人指出，消除殘余應(yīng)力的機(jī)理是通過(guò)外界因素(加力、加熱等)在焊縫和近焊縫區(qū)產(chǎn)生的拉伸塑性應(yīng)變將此處的拉伸彈性應(yīng)變抵消。另一種由上海交通大學(xué)的汪建華等人[54]指出，只有當(dāng)拉伸塑性應(yīng)變完全抵消收縮的殘留固有應(yīng)變時(shí)，將殘余應(yīng)力的生成源去除，才能完全消除殘余應(yīng)力。彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)變成塑性應(yīng)變的過(guò)程只是降低應(yīng)力，但并不能從根本上消除。現(xiàn)有兩種機(jī)理定性地解釋了殘余應(yīng)力降低的原因，并通過(guò)模擬計(jì)算典型接頭單道焊的焊接應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化過(guò)程證明各自的論點(diǎn)，但是沒(méi)有定量地給出多道焊實(shí)現(xiàn)特定位置殘余應(yīng)力降低的條件。若能夠揭示多道焊降低殘余應(yīng)力的機(jī)理，則有助于實(shí)現(xiàn)通過(guò)多道焊的后焊焊道降低先焊焊道焊趾附近殘余應(yīng)力，甚至將其轉(zhuǎn)變到壓縮殘余應(yīng)力的目的，從而有利于提高接頭的疲勞壽命。

4 結(jié) 論

(1)焊條電弧焊由于其操作的靈活性主要應(yīng)用于管道線路的修復(fù)中；埋弧焊在修復(fù)金屬結(jié)構(gòu)方面主要用于材料表面改性；氣體保護(hù)焊主要用于對(duì)高碳鋼及鑄鐵結(jié)構(gòu)的焊接修復(fù)，對(duì)強(qiáng)度低、無(wú)塑性、有冷裂特性的材料修復(fù)效果較好；釬焊不適于一般重載、鋼結(jié)構(gòu)、動(dòng)載機(jī)件的焊接修復(fù)，主要用于制造精密儀表、電氣零部件、異種金屬構(gòu)件以及復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)等的維修。

(2)攪拌摩擦焊、激光焊和釬焊等先進(jìn)焊接技術(shù)可用于修復(fù)金屬結(jié)構(gòu)的鋁合金、鋁鋰合金、鈦合金、不銹鋼等多種典型合金材料。攪拌摩擦焊作為一種固相焊接技術(shù)適合于熔化焊接性差的鋁合金和鋁鋰合金等材料的焊接修理；對(duì)于薄板合金材料結(jié)構(gòu)，激光焊修復(fù)的焊縫性能較好；攪拌摩擦焊作為固態(tài)焊接新技術(shù)，焊縫有良好的力學(xué)性能，要實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，焊接參數(shù)還有待于進(jìn)一步研究。

(3)焊接修復(fù)過(guò)程焊縫質(zhì)量的保證主要在于建立穩(wěn)定的熔池模型并進(jìn)行跟蹤，因此需要精確控制焊接電壓、電流、焊接速度等參數(shù)。模糊-PID技術(shù)提高了電流的穩(wěn)定性，通過(guò)視覺(jué)傳感與圖像處理技術(shù)對(duì)焊縫進(jìn)行跟蹤，克服焊接過(guò)程中不確定性因素對(duì)焊接件質(zhì)量的影響，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)較好的過(guò)程控制和質(zhì)量檢測(cè)， 并應(yīng)用小波技術(shù)提升缺陷的檢出率，可以獲得結(jié)構(gòu)較好的焊接修復(fù)性能。

(4)自適應(yīng)網(wǎng)格和生死單元簡(jiǎn)化了數(shù)值分析計(jì)算過(guò)程，在提高精確度的同時(shí)提高效率。X射線衍射法、輪廓法及多軸輪廓法、小孔釋放法可以較為有限的獲取普遍存在于焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力，并可運(yùn)用多條焊縫優(yōu)化等方法，有效減小殘余應(yīng)力。

(5)現(xiàn)代修復(fù)技術(shù)從技術(shù)上需要考慮結(jié)構(gòu)失效部位是否修復(fù)完全、修復(fù)過(guò)程中的焊接缺陷以及修復(fù)后的性能是否能夠達(dá)到工作要求等問(wèn)題，因此應(yīng)當(dāng)將焊接修復(fù)的完整性評(píng)定作為修復(fù)系統(tǒng)工程的一部分進(jìn)行配套解決。盡管?chē)?guó)內(nèi)目前關(guān)于修復(fù)部件使用壽命評(píng)定還沒(méi)有系統(tǒng)、可靠的修復(fù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，但是根據(jù)國(guó)外已經(jīng)比較成熟的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，金屬結(jié)構(gòu)焊接修復(fù)完整性評(píng)定工作應(yīng)當(dāng)包含失效分析、斷裂性能測(cè)試和壽命預(yù)測(cè)等方面。

[1] 石金磊,陳偉杰.焊條電弧焊管道修復(fù)技術(shù)應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2010(16):117-118.

[2] 白霞光.焊條電弧焊管道修復(fù)技術(shù)應(yīng)用[J].科技風(fēng),2012(15):59.

[3] 張 鑫,張 磊,張立峰,等.管線修繕工程中焊條電弧焊的應(yīng)用[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2012,32(6):101.

[4] 馬 國(guó).鑄造模具鋼焊接修復(fù)工藝研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,2013.

[5] Rupesh Kaushik. Development of fluxes for submerged arc welding of high strength low alloy steel[D]. Department of mechanical engineering, Thapar University,India,2010.

[6] 王清寶.合金元素加入方式對(duì)Cr5系藥芯焊絲埋弧堆焊熔敷金屬微觀組織與力學(xué)性能影響的研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文,2014.

[7] 王元良,陳 輝,周友龍,等.汽車(chē)結(jié)構(gòu)及零件的再制造工程[J].電焊機(jī),2004,34(6):16-21.

[8] 黃家鴻，李維惠，朱晉生. 大型錘頭的CO氣體保護(hù)焊修復(fù)[J].焊接,1993(3):20-21.

[9] 王成文.面向21世紀(jì)的我國(guó)焊接預(yù)保護(hù)和修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].機(jī)械工人(熱加工),2003(1):19-24.

[10] 高黨尋,眺啟明,李而立,等. CO氣體保護(hù)焊修復(fù)1922級(jí)噴水塔工藝[J].電焊機(jī),2015,45(2):57-59.

[11] 趙 卓.新型鑄造熱作模具鋼MIG焊接接頭組織及性能的研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.

[12] 姜 偉,胡芳友,戴京濤,等. CO激光熔覆修復(fù)渦輪導(dǎo)向器工藝初探[J].表面技術(shù),2008,37(2):56-58.

[13] 代永超,王東鋒,楊玉光,等.飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)激光焊接修復(fù)工藝[J].航空制造技術(shù),2010(10):92-94.

[14] 李曉莉,劉文今,鐘敏霖,等.高溫合金K403的激光熔覆研究[J].應(yīng)用激光,2002,22(3):283-286.

[15] 楊苗強(qiáng).熱作模具激光仿生耦合修復(fù)及強(qiáng)化研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,2015.

[16] 潘 輝,孫繼生,劉效方.渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片釬焊修復(fù)研究[J].材料科學(xué)與工藝,1999(7):109-212.

[17] 王 剛,陳國(guó)慶,張秉剛,等.電子束釬焊修復(fù)K465鎳基高溫合金葉片[J].焊接學(xué)報(bào),2010,31(9):85-88.

[18] 杜 靜,張磊先,孔慶吉,等.K24合金鑄件缺陷的真空釬焊修復(fù)工藝[J].焊接學(xué)報(bào)，2016(2):54-72.

[19] Zhang Z. Comparison of two contact models in the simulation of friction stir welding process[J]. Journal of Materials Science, 2008, 43(17):5867-5877.

[20] 周 利,韓 柯,劉朝磊,等.2219鋁合金攪拌摩擦焊接頭缺陷補(bǔ)焊[J].航空材料學(xué)報(bào),2016(1):26-32.

[21] 彭金宇,陳炳森.焊接專(zhuān)家系統(tǒng)在我國(guó)的發(fā)展[J].焊接,1993(11):2-7.

[22] 陳善本,吳 林,王其隆.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其在焊接過(guò)程控制中的應(yīng)用展望[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1994,26(1):80-84.

[23] 黃家華. 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)低合金鋼焊接接頭力學(xué)性能預(yù)測(cè)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005.

[24] 吳開(kāi)源,黃石生,蒙永民,等.脈沖MIG焊電弧雙模模糊控制[J].控制理論與應(yīng)用,2006,23(1):74-78.

[25] 秦 禹.凸輪分割式旋轉(zhuǎn)壓曲機(jī)的設(shè)計(jì)與傳動(dòng)系統(tǒng)的研究[D].太原：太原理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2015.

[26] 張建全, 于 今, 蔣春梅. 攪拌摩擦焊主軸力控制液壓伺服仿真與分析[J]. 機(jī)床與液壓, 2016(2):97-100.

[27] 陳武柱, 賈 雷, 張旭東,等. CO激光焊同軸視覺(jué)系統(tǒng)及熔透狀態(tài)檢測(cè)的研究[J]. 應(yīng)用激光,2004, 24(3): 130-134.

[28] 朱瓊玉, 王春明, 吳松坪. CO激光拼焊熔透性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[J]. 電焊機(jī), 2006, 36(7): 56-60.

[29] 陳 波.GTAW 焊接過(guò)程數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制器研制[M]，上海，上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

[30] 張?jiān)Ｃ鳎瑓?林.TIG 焊熔透正面檢測(cè)量的確定[J]，焊接學(xué)報(bào)，1991, 12(1)，39-45.

[31] 盧 超,李 堅(jiān),張 維,等.粗晶材料超聲檢測(cè)信號(hào)的小波變換去噪方法[J],南昌航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002, 16(1):82-85.

[32] 張海燕,吳 森,孫 智,等.小波變換和模糊模式識(shí)別技術(shù)在金屬超聲檢測(cè)缺陷分類(lèi)中的應(yīng)用[J].無(wú)損檢測(cè),2000,22(2):51-54.

[33] 盧 超,于潤(rùn)橋,彭應(yīng)秋,等.連續(xù)小波變換在焊接缺陷超聲檢測(cè)中的應(yīng)用[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版),2002,24(2):17-21.

[34] 張麗玲,彭 祺,張莉琴,等.CO2焊接過(guò)程的高速攝影與電信號(hào)分析[J].電焊機(jī),2008,38(3):30-33.

[35] 張 娜,王靈犀.基于小波分析的白車(chē)身裝焊誤差故障診斷[J].沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,27(5) : 11-13.

[36] 蔡 念,陳堅(jiān)生,戴青云,等.焊點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)新方法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2010,46(24):243-245.

[37] Runnemalm H, Hyun S. Three-dimensional welding analysis using an adaptive mesh scheme[J]. Computer Methods in Applied Mechanics & Engineering, 2000, 189(2):515-523.

[38] 李志敏.提速貨車(chē)焊接構(gòu)架殘余應(yīng)力與變形的仿真研究[D].大連：大連鐵道學(xué)院碩士學(xué)位論文,2003.

[39] 汪迎春,李萌盛,劉文明,等.兩種生死單元法對(duì)T92接頭焊接殘余應(yīng)力的影響[C].合肥：機(jī)械工程分年會(huì)論文集,2011：166-169.

[40] Kouadri A, Barrallier L. Study of mechanical properties of AZ91 magnesium alloy welded by laser process taking into account the anisotropy microhardness and residual stresses by X-ray diffraction[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2011, 42(7):1815-1826.

[41] Stone H J, Withers P J, Roberts S M, et al. Comparison of three different techniques for measuring the residual stresses in an electron beam-welded plate of WASPALOY[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 1999, 30(7):1797-1808.

[42] 趙海燕,王 鵬,鞏水利,等.大厚度構(gòu)件電子束焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量及計(jì)算[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013, 53(10):1402-1406.

[43] Pagliaro P, Prime M B, Swenson H, et al. Measuring multiple residual-stress components using the contour method and multiple cuts[J]. Experimental Mechanics, 2010, 50(2):187-194.

[44] Toparli M B, Fitzpatrick M E. Development and application of the contour method to determine the residual stresses in thin laser-peened aluminium alloy plates[J]. Experimental Mechanics, 2016, 56(2):323-330.

[45] 王 政, 劉 萍, 高玉階. A,B標(biāo)定值對(duì)盲孔法測(cè)定焊接殘余應(yīng)力精度的影響[J].甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1987, 13(3): 19-25.

[46] 張盈彬.中厚板焊接殘余應(yīng)力與焊接變形的測(cè)量試驗(yàn)研究[D].華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012.

[47] 陳會(huì)麗.焊接爆炸復(fù)合板界面殘余應(yīng)力的研究[D].昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004.

[48] 斐 怡,包亞峰,唐慕堯,等.盲孔法測(cè)量精度的研究一邊界及孔間距的影響[J].焊接學(xué)報(bào),1994,15(3):191-196.

[49] 鄧德安,清島樣一.焊接順序?qū)癜搴附託堄鄳?yīng)力分布的影響[J].焊接學(xué)報(bào),2011,33 (12): 55-58.

[50] 戴晴華,季 鵬,殷晨波,等.焊接順序?qū)χ泻癜鍖?duì)接焊殘余應(yīng)力的影響[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011(7): 64-66.

[51] 張利國(guó),姬書(shū)得,方洪淵,等.焊接順序?qū)形接頭焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2007,43(2): 234-237.

[52] Shi X, Zhang Y L, Zhao J P,et al. Evaluation of welding residual stress based on temper beadwelding technique[J]. Advanced Materials Research, 2012,418-420:1208-1212.

[53] 張學(xué)秋,史慧云,孫麗麗,等.中厚板多層焊后焊層對(duì)焊縫縱向殘余應(yīng)力影響的數(shù)值分析 [J].焊接,2008(4): 30-33.

[54] 汪建華,倪純珍.厚板對(duì)接多道焊溫度場(chǎng)的三維數(shù)值模擬[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006,40(10):1687-1690.

2016-06-21

TG47

王 浩，1971年出生，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)闀r(shí)速380公里的高速綜合檢測(cè)列車(chē)、CRH380A型動(dòng)車(chē)組冷卻系統(tǒng)的研制。