焊接技術在金屬結構修復中的應用和發展現狀

? 焊接技術在金屬結構修復中的應用和發展現狀

王 浩1 李天賜2 張樂樂2

(1.中國中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島，266000； 2.北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京 100044)

摘要：焊接是現代製造業中最為重要的結構修復技術之一，焊接修復技術的發展對提高金屬結構的可靠性和使用壽命有著極為重要的意義。論述了應用於金屬結構修復中的釺焊、激光焊、摩擦攪拌焊等焊接修復方法的研究進展，分析了不同工藝的優缺點及應用領域；焊接工藝參數設計、性能檢測和過程式控制制技術對焊接質量有重要影響，對應用於焊接過程的最新技術進行研究，為深入理解焊接過程中的複雜物理化學變化以及開發更高質量的焊接修復技術提供參考；系統梳理了焊後殘餘應力及變形的檢測、數值模擬及控制方法，展望了焊接修復方法在金屬結構中的應用前景。

關鍵詞：焊接工藝 結構修復 焊接殘餘應力 數值模擬

0 序 言

金屬結構因具有良好的物理化學特性和力學性能而廣泛應用於國民經濟的各個領域。由於應力腐蝕和疲勞，以及外來物的衝擊，現役金屬結構容易產生裂紋和損傷。

金屬構件的修復可以分為兩類：一類是存在的缺陷或損傷使結構的性能降低到設計不能允許的水平，對此類損傷結構必須進行修復或更換；另一類缺陷或損傷較小，其存在對結構的性能影響程度有限，但在使用條件下，這類缺陷或損傷可能進一步擴展，不能滿足使用要求。對此類損傷結構需要進行有效地監測與控制，當損傷發展到一定程度後，要及時進行修復或更換。焊接是金屬結構修復的重要手段，目前常用的焊接修復方法有焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊、釺焊、激光焊、攪拌摩擦焊等。

焊接修復工藝的好壞直接影響焊接質量。熔滴過渡、弧焊電弧穩定性、焊接過程式控制制、焊縫跟蹤及殘餘應力的檢測與控制等技術是焊接工藝研究的重難點，因此通過視覺感測技術、小波分析、輪廓法等一些應用於焊接過程以及焊後檢測的先進技術，研究不同控制監測方法對焊接電弧平穩性和焊接質量的提高、焊後殘餘應力的減小的作用，有助於對焊接修復過程的理解，可為新的修復控制方法的提出、新的焊接電源的開發和工藝的改進提供有效的技術參考。

1 常用的焊接修復工藝

1.1 熔焊修復

1.1.1 焊條電弧焊

電弧焊是利用焊條和工件間產生電弧熱，將工件和焊條加熱熔化而進行焊接的，其優點是操作靈活，待焊接頭裝配要求低、可焊金屬廣且熔敷速度較低。

2010年，石金磊等人[1]將焊條電弧焊應用於管道修復中，系統研究了焊條電弧焊的工藝要點，焊條直徑、種類、牌號、焊接電流、電源種類和極性、電弧電壓、焊接速度和焊接層次等。2012年，白霞光等人[2]對焊條電弧焊在管道修復中的操作過程進行研究，將焊接操作分為引弧、熔池保持、電弧行走及收弧四個步驟，並分別確定了各個步驟的常用方法以及焊接運動方式。同年，張鑫等人[3]分析了焊條電弧焊在管線修繕工作中的危險性，認為電弧過大侵蝕管材，使管材變薄而不能承受內在介質的壓力而破裂，並且通過對河南安陽燃氣天然管道和山東東明石化煉油廠管線進行維護，得出焊條電弧焊在管線修復中有較好工程效果的結論。2013年，馬國等人[4]通過對2種不同的汽車覆蓋件鑄造模具鋼材料的焊接修復工藝進行對比，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焊接時：焊接接頭按照母材退火工藝860 ℃保溫2 h，隨後760 ℃保溫4 h，然後爐冷，進行退火後，不論哪種電流焊接均在原淬火區中出現了再熱裂紋，母材的退火工藝並不適用於焊接接頭。

大量文獻表明焊條電弧焊主要應用於管道線路的修復中，其設備簡單易於操作，滿足管線在地下或水下工作環境的需要。但焊條電弧焊生產效率低勞動強度大，工作環境惡劣，後期開發了在管道施工中使用的自動焊機。

1.1.2 埋弧焊

埋弧焊相對於焊條電弧焊機械化程度及生產效率高,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，覆蓋於焊縫表面。

2006年，張羽等人採用變頻調速自動埋弧焊技術針對冷凝管車間1 200 t卧式擠壓機主柱塞、穿孔塞進行修復。2010年， Rupesh Kaushik[5]通過保持焊接電流、電壓、焊接速度以及其他參量恆定單一研究了助焊劑對高強度低合金焊縫拉伸強度、衝擊強度、硬度、顯微結構等影響，通過分析試驗數據、模擬模擬及對顯微結構的分析，確定了焊接接頭各項性能較好的助焊劑。王清寶[6]針對埋弧堆焊葯芯焊絲，通過優化 Cr5 系合金成分，改變葯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，同時研究了熔滴及熔池階段的凝固組織，焊態及熱處理態顯微組織的演變規律，對堆焊熔敷金屬力學性能的影響因素和規律進行了分析，改善軋輥表面材料失效的問題。另外，王元良等人[7]對汽車磨損零件裂紋進行多電源雙(多)絲埋弧焊、單電源串並列雙絲埋弧焊焊接修復，系統梳理了不同焊接方式在節約電能、減少裂紋傾向、提高生產率、改善接頭性能、提高焊縫質量方面的特點，滿足焊接缺陷變形和殘餘應力控制的要求。

因此，埋弧焊在修復金屬結構方面主要用於材料表面改性，廣泛應用於對機械、航空航天、汽車領域的凸輪、曲軸、活塞、汽缸、離合器等表面易磨損零部件的修復或修補。針對高溫環境下工作的飛機發動機渦輪、皮帶輪、油壓機柱塞等，也有很好的修復性。

1.1.3 氣體保護焊

氣體保護焊利用氣體作為電弧介質，並且可以保護電弧和焊接區。由於CO2氣體保護焊修復對焊件表面油污不敏感，且氣體價格低廉，以CO2氣體保護焊修復受損零件為主。

早於1993年，太原重型機械集團有限公司黃家鴻[8]就運用CO2氣體保護焊對大型鎚頭進行修復。2003年，該公司王成文[9]採用CO2氣體保護焊對大型水壓機立柱進行焊接修復，嚴格控制焊前預熱溫度以及焊後時效處理，質量檢查合格。同時，也對大型軋機鑄軋輥進行富氬混合氣體保護焊，經著色探傷檢測,未發現裂紋、夾渣、剝離等缺陷，修復成功。2015年，高黨尋等人[10]對清華大學1922級噴水塔進行修補，針對塔身裂縫處灰鑄鐵材料的特點，採取CO2 氣體保護半自動焊配合高塑性材料進行修復。聶剛等人通過葉片裂紋補焊工藝試驗，確定採用鎳基焊接材料的TIG焊接工藝，成功地補焊修復了大量葉片裂紋。MIG與TIG工藝類似，MIG焊將焊炬內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焊接接頭組織結構特點、焊接工藝參數對接頭組織及硬度的影響、接頭的力學性能及裂紋敏感性。通過試驗以及對焊接接頭組織分析和硬度測試，評價焊接性能，設計並優化出合理的焊接工藝參數以達到對失效熱作模具實用、快速、高效的修復。

氣體保護焊主要用於對高碳鋼材料及鑄鐵結構的焊接修復。鑄鐵焊接性能差，氣體保護焊由於電弧在保護氣流的壓縮下熱量集中，焊接速度較快，熔池較小，熱影響區窄，焊件焊後變形小，因此避免了高碳鋼及鑄鐵由於塑性不足而產生裂紋。另外，惰性氣體保護焊(TIG,MIG)也可以焊接化學活潑性強和易形成高熔點氧化膜的鎂、鋁、鈦及其合金。其缺點是成本高、焊前清理要求嚴格且對環境風力要求苛刻。如何揚長避短還有待進一步的研究。

1.1.4 激光焊

激光焊接生產線大規模出現在汽車行業。根據汽車工業批量大、自動化程度高的特點，激光焊接設備向大功率、多路式方向發展。在激光焊接修復金屬結構方面，海軍航空工程學院姜偉等人[12]為研究修復K418渦輪導向器的工藝，以CO2連續激光器為熱源，在渦輪導向器試驗葉片表面熔覆自配粉末，獲得了微觀形貌和顯微硬度均優於基體組織的熔覆層。隨後改用YAG脈衝激光器作為熱源，進行熔覆效果對比，同時嘗試調整粉末成分，加入鈮等稀土元素，進一步優化材料參數和工藝參數，焊接性能較好。隨後，空軍第一航空學院代永超[13]對飛機的TC4鈦合金結構激光焊接修復工藝進行研究，取3個式樣進行激光焊接參數設計及激光焊接試驗，並對接頭進行力學性能測試，以接頭強度值為評估指標對工藝參數進行優化，最後分析焊接接頭的微觀組織。近些年，激光焊在醫療器械方面應用廣泛。清華大學的李曉莉等人[14]，研究了高溫合金K403基體上採用鎳基自熔合金和自配無硼、硅元素鎳基合金的激光同步送粉熔覆過程，分析了基體組織狀態、熔覆層材料和熔覆工藝參數對熔覆層裂紋傾向的影響，探討了激光熔覆技術強化和修復高溫合金葉片的可行性。研究發現，激光熔覆時大多數裂紋是從基體形成後深人到熔覆層中，而基體組織中縮松等鑄造缺陷及晶界低熔點共晶的存在是熔覆層開裂的重要原因。採用無硼、硅元素合金熔覆改善了結合區性能，與自熔合金相比，有助於改善熔覆層裂紋傾向。此外，吉林大學一些學者[15]研究了激光堆焊修復模具開裂後的仿生耦合強化問題，根據仿生耦合原理，利用激光技術在疲勞試樣表面設計並製備出具有修復和止裂功能的單元體，使單元體按生物體表強化單元分布規律組合，並與母體材料構成仿生耦合表面，並考察了強化後試樣的抗拉強度和熱疲勞性能，並將此技術應用於對熱作模具的修復上。

激光焊對於鈦及鈦合金的薄板及精密零件的焊接具有更廣泛的前景，只要工藝參數匹配合理，TC4鈦合金焊縫內部質量可達到GB3233—87K級焊縫要求。

1.2 固相焊修復

1.2.1 釺焊

釺焊可以採用比母材熔點低的金屬材料作釺料，將焊件和釺料加熱到高於釺料熔點，低於母材熔化溫度，利用液態釺料潤濕母材，填充接頭間隙並與母材相互擴散實現連接焊件的方法。

1999年，潘輝等人[16]針對一級、二級鎳基高溫合金導向葉片的釺焊修復進行了研究。此類葉片修復難度較大，主要難點有兩方面；一是待修復裂紋表面長期在高溫燃氣作用下產生較厚的氧化膜，且由於母材中含鈦、鋁和鉻等元素，很難用簡單的酸洗方法將此類氧化膜去除；另外葉片裂紋開敞性差、材質硬，普通刀具及機加工方法無法加工，因此機械加工去除氧化膜也有一定的難度。二是葉片要求修復後形成的大間隙釺焊接頭，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K465鎳基高溫合金葉片進行修復，採用自製1號釺料合金進行了真空電子束釺焊開非貫通槽和貫通槽葉片模擬件試驗。發現開貫通槽試件很少產生裂紋；而開非貫通槽試件都產生裂紋，裂紋大多產生於焊縫或釺料和母材界面附近的母材，整體沿著橫向穿過釺縫。2016年，杜靜等人[18]對K24合金鑄件缺陷的真空釺焊修復工藝進行了研究，選擇了適合K24 合金鑄件缺陷釺焊修復的高溫釺料B-24，並對B-24釺料進行了工藝性能試驗和釺焊接頭的力學性能試驗。確定了K24用機械打磨和切割的方式來清理合金鑄造件缺陷處(特別是裂紋)氧化膜的方案，以及真空釺焊修復工藝及鑄件釺焊修復後變形的熱校形的方法。

釺焊不適於一般鋼結構和重載、動載機件的焊接修復。主要用於製造精密儀錶、電氣零部件、異種金屬構件以及複雜薄板結構，如夾層構件、蜂窩結構等。在金屬結構的修復中，硬釺料(如銅基、銀基、鋁基、鎳基等)具有較高的強度，廣泛應用於修複發動機渦輪葉片、高溫合金葉片、大型汽輪機末級葉片等方面。

1.2.2 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是20世紀90年代初由英國焊接研究所發明的固態焊接新技術，利用工件端面相互運動、相互摩擦所產生的熱，使端部達到熱塑性狀態，然後迅速頂鍛，完成焊接的一種方法。

2008年Z.Zhang[19]用兩個對比模型來研究攪拌摩擦焊中熱-力相互作用過程。通過對比發現，經典的庫倫摩擦模型可以完美模擬攪拌摩擦焊的低角速度過程，在高角速度時，由於旋轉焊頭的動態作用，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，因此對庫倫模型進行修正，修正後的模型可以準確描述較高角速度下的作用力。國內專家學者也對攪拌摩擦焊進行研究， 2016年，哈爾濱工業大學周利等人[20]也針對2219 鋁合金攪拌摩擦焊接頭中出現的未焊透和孔洞缺陷進行一次、二次攪拌摩擦補焊試驗。結果表明：隨補焊次數的增加，接頭軟化區域顯著增加；含有上述兩種缺陷接頭一次補焊後拉伸性能顯著提高，二次補焊接頭相比於一次補焊接頭拉伸性能有所降低；含有缺陷的原始接頭拉伸時均於缺陷處起裂導致接頭塑性較低，補焊後接頭都斷裂於後退側熱影響區與熱機影響區交界處，呈韌性斷裂模式。針對攪拌摩擦焊在鋁合金焊接方面存在的局限性，近年來有人提出了超聲攪拌複合焊接技術，將超聲振動的能量導入到焊縫深層，能夠降低焊接流變的抵抗力，減小殘餘應力，以達到改善焊縫組織，提高焊縫強度的目的。

攪拌摩擦焊作為未來金屬結構修復的新技術，想要得到廣泛推廣和應用，還需要開展更多的工作。首先要進行損傷部位攪拌摩擦焊原位修理技術研究，以及焊接設備的小型化、智能化和機動性研究。然後對適用於不同修復結構的攪拌摩擦焊攪拌頭展開研究，並根據不同特種金屬材料和構件的焊接需要實現攪拌頭型號的系列化。

2 焊接修復工藝最新技術

2.1 應用於參數設計、過程式控制制的人工神經網路技術

焊接過程非常複雜，大量參數難以量化，存在很多不確定性的模糊知識，人工神經網路(ANN)技術因能有效處理非線性問題，廣泛應用於焊接領域。

20世紀90年代初日本學者Ohshima提出將神經網路技術應用於焊接領域，希望可以處理複雜的焊接熔池建模和焊縫質量控制的問題。隨後，清華大學的彭金宇[21]研究了國內一些高校開發的焊接專家系統，指出現有的專家系統沒有解決實用化過程的一些問題，距工程實用還有距離，應引入神經元網路、模糊推理等先進技術完善已有系統，使國內焊接專家系統達到一個新水平。哈爾濱工業大學陳善本[22]指出人工神經網路用於焊接過程大致有三個方向：用於焊接過程建模和自校正、神經網路與專家系統結合、神經網路與模糊推理過程結合。隨著技術的不斷發展和成熟，人工神經網路逐步應用於工程實踐中。重慶工學院羅怡等利用LabView建立了CO2 氣體保護焊焊縫幾何形狀預測的BP人工神經網路模型。應用該模型對焊縫的熔寬、熔深進行預測, 模型預測結果與實際焊接結果具有較好的對應關係，證明所建立模型的可靠性。表1、表2列出了神經元網路應用於焊接的諸多方面。

關於神經網路在焊接領域的應用研究雖然取得了一些進展，但是仍存在許多問題。神經網路的應用大多停留在科研領域，很少實際應用於企業；神經網路的應用停留在單機上，無法實現模型共享和分散式的計算。因此，將科學轉變為技術還需要更多的研究和突破。

2.2 應用於電弧控制的模糊-PID控制技術

模糊演算法是通過模仿人腦的不確定性概念進行判斷、推理的一種思維方式，在焊接過程自動化控制及焊接質量檢測中應用非常廣泛。

表1 國內人工神經元網路在焊接中的應用[23]

研究內容研究單位類型基於人工神經元網路的焊接質量控制的主成分分析上海交通大學質量檢測基於神經元網路的焊接缺陷智能化超聲模式識別與診斷哈爾濱工業大學質量檢測船體分段鋼結構焊接過程模擬大連理工大學過程式控制制GTAW神經元網路-模糊控制技術的研究華南理工大學過程式控制制基於BP的機器人擺動焊接視覺跟蹤模糊控制天津大學過程式控制制基於神經元網路的攪拌摩擦焊接頭質量預測系統西北工業大學質量預測基於神經元網路方法的焊接接頭力學性能預測蘭州理工大學質量預測合金鋼計算機輔助焊接工藝評定哈爾濱工業大學質量預測鋁合金焊接工藝設計及接頭熱裂紋預測系統哈爾濱工業大學質量預測焊接工藝參數網路模型清華大學參數選擇基於神經元網路的點焊工藝參數選擇吉林工業大學參數選擇

表2 國外人工神經元網路在焊接中的應用[23]

研究內容研究單位/個人國家合金鋼的屈服應力及拉伸應力模型UniversityofCambridge英國基於神經元網路的模糊邏輯控制NanyangTechnologicalUniversity新加坡焊接參數對焊接成本及性能的影響A.R.Hunter澳大利亞熱處理參數與鈦合金性能關係模型TheQueen』sUniversity北愛爾蘭基於神經元網路的材料診斷和壽命評估OsakaUniversity日本釺焊搭接接頭的生產效果模擬N.A.TechnologiesCompany美國焊縫形狀預測模型D.S.Nagesh印度熔池表面幾何形狀預測模型J.I.Lee韓國

華南理工大學的吳開源等人[24]設計了基於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上，對偏差E及偏差變化率EC採取不同的重視程度，即修正因子，當峰值弧壓偏差較大時採用基於修正因子的粗調模糊控制規則，以送絲速度為控制量；而當偏差較小時採用基於修正因子的細調模糊控制規則，以基值時間作為控制量，電弧弧長穩定性好，抗干擾能力強。隨後，秦禹等人[25]在送絲系統中，電流偏差值在規定範圍內採用模糊控制，超出範圍採用PID控制，並對PID控制器作用與PID-模糊控制器作用的焊接電流波形圖進行對比，PID-模糊控制器能夠使電流更加穩定，大大提高了焊接設備的使用壽命。中國工程物理研究院張建全[26]將模糊PID控制應用於攪拌摩擦焊接技術中，分別利用模糊PID 和普通PID 控制理論對控制模型進行模擬。分析模擬結果發現：模糊PID 和普通PID 控制方法雖然都能實現對主軸液壓系統的力控制，但模糊PID 控制不論是在響應時間、控制精度還是抗干擾能力方面都優於普通PID 控制，並且通過試驗驗證了模糊PID 控制的可行性。

將模糊控制技術應用於焊接過程提高電弧電壓以及電流的穩定性，數字化弧焊逆變電源的研究和開發是目前研究的熱點，近幾年研究發展相當迅速，數字化弧焊逆變電源的性能和水平有所提高，正在向產業化發展。

2.3 應用於焊縫跟蹤的視覺感測技術

焊縫跟蹤一直是機器人焊接自動化技術研究的熱點和難點，也是焊接界工作者致力研究的重要課題。跟蹤過程中，主要是通過焊槍與焊縫偏差的實時檢測，機器人路徑的實時調節，來保證焊接質量。但在實際焊接中，常常因為存在變形、變散熱、變間隙、變錯邊等因數，導致焊縫和機器人示教軌跡有偏差，影響焊縫成形的質量。

根據光源的不同，視覺感測系統一般被分為兩種：主動視覺以及被動視覺。主動視覺感測系統一般採用激光等高強光源來照明焊縫熔池，激光光纖感測器投射出線狀條紋在焊接工件上，通過圖像處理演算法計算出反射條紋的折射位置從而推算出實際焊槍位置與焊縫的偏差，獲得熔池狀態參數。加拿大以及英國的機器人公司已經設計出基於視覺感測系統對焊接初始位置進行定位，以及焊接過程中的焊縫跟蹤的技術。清華大學陳武柱等人[27]成功研製了基於特殊功能鍍膜的分光鏡、綜合濾光系統和 CCD 攝像機的 CO2激光焊同軸視覺系統，可以清晰的顯示熔透狀態下的俯視小孔，並獲得焊接中焊縫狀態由未熔透轉化為完全熔透時的視覺信息變化特徵，為實現閉環的熔透控制奠定了理論基礎。華中科技大學朱玉瓊等人[28]通過可聽聲信號、超聲信號以及紅外信號的統計量演算法實現了對激光拼焊等離子體焊接過程熔透狀態的實時監控。 因此，主動視覺感測技術準確性較高，但由於激光設備價格較高，對工作環境要求很高，對於某些工況還無法完成監控。

另一種視覺採集系統被稱為被動視覺感測技術，模仿焊工在焊接狀態時的視覺採集模式，採用焊接電弧的弧光和液態焊縫金屬發出的微光來觀察焊接區域，同樣也能獲得許多詳細的視覺信息。關於被動視覺感測系統的研究也進行了許多年，主要的問題在於沒有設計出能夠遮擋住較強的弧光結構較好的感測器，上海交通大學的學者陳波[29]針對鋁合金熔池的特點，設計了雙目視覺感測系統可以用來進行焊前的焊縫糾偏以及焊接過程的熔池形態的觀察，並通過正面信息建立對背面焊縫寬度的預測模型。同時，考慮到背面熔寬信息對於熔透實時監控的重要性，還設計了三光路的視覺感測系統，不但可以獲得正面熔池的幾何形態，還可以採集到背面的熔透形態，對於焊接過程熔透狀態的實時監控奠定了基礎。考慮到圖像信息一般反應的是平面二維的熔池信息，為了獲得三維的動態熔池信息，哈工大張裕明[30]也提出了陰影恢復的圖像演算法思路用來對三維熔池進行建模，主要是通過熔池的灰度信息對於熔池高度變化的反映來對熔池狀態進行預測和判斷。

2.4 應用於質量監測的小波分析技術

小波分析技術是在傅里葉變換的基礎上發展起來的一種時頻分析方法，精髓是通過變換，大範圍觀察變化平緩的信息(對應低頻信息)，小範圍觀察變化快的信息(對應高頻信息)。

小波理論在焊接缺陷檢測中有著廣泛的應用，南昌航空工業學院盧超等人[31]研究多尺度小波分析方法在粗晶材料超聲缺陷信號增強中的應用，並在分析晶粒雜訊和缺陷信號頻譜布的基礎上，提出一種基於小波變換係數軟閉值處理再重構的方法來提高信噪比，增強了缺陷的檢出率。同濟大學張海燕等人[32]基於金屬超聲檢測中的缺陷脈衝回波為非穩態信號的特點，提出了一種對缺陷定性分類方法，由於缺陷信號特徵值的提取是模式識別的關鍵，因此用小波變換提取特徵值，然後用模式識別的方法對小波變換的特徵值提取結果進行定性分類，從而確定缺陷類型。盧超等人[33]後續研究了連續小波變換方法在焊接結構超聲無損檢測信號處理中的應用，以壓力容器的三種焊接缺陷為對象，對缺陷回波信號作連續小波變換，再對小波變換尺度圖採用與時間—尺度平面相似的網格做區域平均特徵提取，並對提取出的特徵利用BP神經網路進行訓練和分類。

在質量監測與控制方面，南昌工程學院張麗玲等人[34]利用小波分析儀採集焊接過程中的電壓、電流信號並進行濾波處理，通過高速攝影儀採集的焊接圖像可以對熔滴過渡過程進行細微研究，對比自行研製的電信號和圖像採集信號，為改進熔滴過程提供數據支持。瀋陽理工大學張娜等人[35]採用小波分析方法對白車身裝焊過程中三坐標測量機( CMM) 測量的數據進行濾波處理，用分離後的趨勢項進行相關分析並對白車身裝焊故障進行診斷。通過實際例子的應用分析，驗證了小波濾波後趨勢項相關後對白車身裝焊故障診斷的有效性。廣東工業大學蔡念等人[36]提出一種基於小波神經網路的焊點質量檢測演算法。首先對焊點圖像進行預處理，然後提出採用形態因子和曲率作為焊點圖像特徵，最後建立焊點質量檢測的小波神經網路模型。

基於小波理論的信號及圖像處理方面，演算法已比較成熟，可用於提取更為精確的有用信息，廣泛應用於雷達圖像、語言信號等領域。利用小波技術來檢測焊接質量，是近些年研究的熱點。

3 焊接修復殘餘應力的數值模擬、測量與控制

3.1 焊接修復殘餘應力的數值模擬

焊接過程中對焊接應力應變的準確分析非常重要。但由於焊接過程本身的複雜性，數值模擬中的建立模型與數值求解都面臨許多需要解決的問題。焊接殘餘應力數值模擬的難點主要體現在：數值求解困難、嚴重的材料非線性導致求解過程收斂困難及材料高溫性能參數的缺失。

目前專家學者都在嘗試不同的方式來解決這一難題，研究焦點和方向集中在網格劃分技術和相似理論在焊接過程模擬中的運用等方面。

網格劃分技術一直是有限元技術的重要問題。H.Runnemalm 等人[37]對不同的網格劃分判據進行研究，發展出綜合優化判據，使網格劃分更加合理。大連鐵道學院李志敏[38]開發了適用於焊接的網格自適應技術，採用通過溫度梯度來控制網格的疏密，但網格加密後不能復原。另外一種應用較為廣泛的方法是將網格細分的界限設置成移動的盒子，假設有一尺寸為a×b×c的盒子以相同的速度隨著焊接熱源移動，在每一個時間步所有落入盒子內的單元均被自動細分，細分的級數可以控制。例如採用兩級細分的網格，被細分的體單元會每邊均勻分成兩份，原有的體單元被分成8個，原來單元上施加的全部邊界條件轉加到新生成的單元上。

相似理論的提出可以運用相似的結構和熱源來模擬實際的焊接修復問題。為了能夠仍然準確描述溫度場，對結構的有限元網格劃分也必須相應密集，則最終有限元網格中的節點數和單元數與原結構一致，在數值模擬中花費的時間也一致。因此，該相似關係雖然減小了結構的尺寸，數值模擬的溫度、位移和應力結果也完全吻合，但並未達到減少計算時間的目的，因而還有待進一步進行相應的簡化。

常用的方法還有生死單元法模擬焊縫金屬填充。合肥工業大學汪迎春等人[39]運用ANSYS軟體，通過移動熱源載入，採用熱-應力間接偶合法，對小口徑壁T92鋼管多層多道焊接過程的動態應力場進行了模擬，運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行了接頭的熱分析與應力分析，隨後採用小孔釋放法對實際街頭的殘餘應力進行檢測與驗證，對比兩種方法可得，採用逐步激活法得到的殘餘應力值更接近實際值。

3.2 焊接修復殘餘應力的測量

無損、快速地測量出焊接結構內部殘餘應力分布，對焊接結構可靠性評估具有重要意義。

X 射線衍射技術是目前最可靠的應力測量方法之一，國內外均有相應的測量標準。Kouadri A 等人[40]應用 X 射線法對 AZ91 型鎂合金的激光焊件進行了殘餘應力的測量，結果發現激光焊導致構件在不同區域的微觀結構以及材料性能出現異同。H.J.Stone[41]為測定電子束焊板的殘餘應力，採用了裂紋柔度法、盲孔法以及 X 射線法分別對焊接試樣進行殘餘應力的測量，通過試驗測量出該焊接工藝下試樣的殘餘應力分布情況。清華大學趙海燕[42]應用 X 射線法對殘餘應力進行測量，結合測量到的殘餘應力值和有限元計算，獲得大厚度構件電子束焊接殘餘應力分布特徵。

輪廓法是近些年來被關注的一種殘餘應力測量新方法。P. Pagliaro和M.B. Prime[43]改進了傳統的輪廓法，將輪廓法擴展到通過多重切割測量獲得多個殘餘應力的分量，並將此理論應用於316L不鏽鋼試驗測試中，測量由塑性縮進盤的中心部分引起的殘餘應力。多重切割輪廓法的結果與由中子衍射得出結果、有限元模擬結果很好的吻合。M.E.Fitzpatrick和M.B.Toparli[44]將輪廓法用於測量2.0 mm厚的Al2024-T351試樣中殘餘應力，通過將一個連接塊連接到薄板樣品上，除去了表面附近絲放電加工(EDM)切割所測量的殘餘應力偽影的效果，並將結果與X射線衍射和層去除技術結果比對，作者認為由於樣件厚度較小，數據對適用樣條參數非常敏感，導致結果波動，所以輪廓法用於合金薄板時應進行試驗驗證。與普通輪廓法應用有限元模型通過位移直接計算殘餘應力不同，多軸輪廓法應用位移計算結構的本徵分布，再通過本徵分布計算殘餘應力。新的方法可以測量多個殘餘應力的分量，克服了傳統方法只能測單個的局限性。

工程上廣為應用的是小孔測量焊接殘餘應力法。國內許多學者針對影響盲孔法測量精度的諸多因素進行了大量的研究工作。王政、劉萍等人[45]提出釋放係數A,B不是與應力無關的常數，盲孔法適用於殘餘應力值大於1/4σs的場合，標定A,B時載入的力如果在(1/4～1/3) σs範圍內，得到的測量精度較高。華中科技大學張盈彬[46]採用盲孔測量法和逐層銑削法兩種測量手段，對焊接結構中殘餘應力的分布狀態進行了測量，同時應用機器視覺法測量了焊接試樣的變形參數，從而為驗證數值模擬模擬方法的合理性提供了準確的測量結果。昆明理工大學陳會麗[47]給出了影響孔口塑性應變的因素，認為塑性應變由鑽孔的加工過程和孔邊應力集中引起的，提出了消除鑽孔附加應變的方法，並給出了孔邊應力集中引發塑性應變大小的計算公式。西安交通大學斐怡[48]給出了單向和雙嚮應力狀態下的塑性修正公式，在雙嚮應力狀態下，孔邊應力集中的影響導致的塑性應變比單嚮應力狀態下要複雜得多，除與主應力σ1,σ2有關外，還與主應力σ1,σ2的比值及其主方向角有關。

3.3 焊接殘餘應力的控制方法

常用的降低殘餘應力的方法有：合理的安排焊接順序和選擇焊接方向、高溫回火法、振動時效法等。

鄧德安[49]採用試驗手段和數值模擬方法研究了不鏽鋼厚板多道焊的殘餘應力分布特徵，結果表明一條焊道2段焊中，先焊焊道的應力值較低，而後焊焊道的應力值較高。戴晴華[50]的研究表明，寬度不同的兩板對接焊時，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生的橫向和縱向殘餘應力峰值最小，底層的幾道焊縫的焊接順序對焊縫底部和頂部沿焊縫方向所產生的橫向和縱向殘餘應力影響不大。

特定焊接工藝參數下的回火焊道能夠起到降低特定位置殘餘應力的作用。哈爾濱工業大學的張利國[51]研究表明，對於分段焊，若先焊兩端焊縫再焊中間焊縫，可以使整個焊縫的低殘餘應力區域增加，而且能夠有效地降低先焊焊段的殘餘應力，降低效果與先焊焊段上的點到後焊焊段端部的距離有關。北京工業大學的X.Shi和Y.L.Zhang[52]採用回火焊接工藝使T形板在焊縫處的殘餘應力比普通焊接工藝試樣降低了 46%，且對Q345鋼板對接焊後的殘餘應力研究表明，採用回火焊道技術能降低殘餘應力，且將余高打磨後，殘餘應力降低了25%。哈爾濱工業大學的張學秋等人[53]研究發現，多層焊後焊層對已焊層有熱作用，但當熱輸入過大時，己焊層又會成為焊縫金屬與後焊層溶合，焊後殘餘應力不會降低，維持在屈服強度的水平,也就是說能否起到降低的作用受板的厚度和後焊層的焊接熱輸入影響。

在熱作用消除焊接殘餘應力的機理研究方面一種觀點由中國科學院金屬研究所的王者昌等人指出，消除殘餘應力的機理是通過外界因素(加力、加熱等)在焊縫和近焊縫區產生的拉伸塑性應變將此處的拉伸彈性應變抵消。另一種由上海交通大學的汪建華等人[54]指出，只有當拉伸塑性應變完全抵消收縮的殘留固有應變時，將殘餘應力的生成源去除，才能完全消除殘餘應力。彈性應變轉變成塑性應變的過程只是降低應力，但並不能從根本上消除。現有兩種機理定性地解釋了殘餘應力降低的原因，並通過模擬計算典型接頭單道焊的焊接應力動態變化過程證明各自的論點，但是沒有定量地給出多道焊實現特定位置殘餘應力降低的條件。若能夠揭示多道焊降低殘餘應力的機理，則有助於實現通過多道焊的後焊焊道降低先焊焊道焊趾附近殘餘應力，甚至將其轉變到壓縮殘餘應力的目的，從而有利於提高接頭的疲勞壽命。

4 結 論

(1)焊條電弧焊由於其操作的靈活性主要應用於管道線路的修復中；埋弧焊在修復金屬結構方面主要用於材料表面改性；氣體保護焊主要用於對高碳鋼及鑄鐵結構的焊接修復，對強度低、無塑性、有冷裂特性的材料修復效果較好；釺焊不適於一般重載、鋼結構、動載機件的焊接修復，主要用於製造精密儀錶、電氣零部件、異種金屬構件以及複雜薄板結構等的維修。

(2)攪拌摩擦焊、激光焊和釺焊等先進焊接技術可用於修復金屬結構的鋁合金、鋁鋰合金、鈦合金、不鏽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適合於熔化焊接性差的鋁合金和鋁鋰合金等材料的焊接修理；對於薄板合金材料結構，激光焊修復的焊縫性能較好；攪拌摩擦焊作為固態焊接新技術，焊縫有良好的力學性能，要實現廣泛應用，焊接參數還有待於進一步研究。

(3)焊接修復過程焊縫質量的保證主要在於建立穩定的熔池模型並進行跟蹤，因此需要精確控制焊接電壓、電流、焊接速度等參數。模糊-PID技術提高了電流的穩定性，通過視覺感測與圖像處理技術對焊縫進行跟蹤，克服焊接過程中不確定性因素對焊接件質量的影響，應用人工神經網路技術實現較好的過程式控制制和質量檢測， 並應用小波技術提升缺陷的檢出率，可以獲得結構較好的焊接修復性能。

(4)自適應網格和生死單元簡化了數值分析計算過程，在提高精確度的同時提高效率。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於焊接結構的殘餘應力，並可運用多條焊縫優化等方法，有效減小殘餘應力。

(5)現代修復技術從技術上需要考慮結構失效部位是否修復完全、修復過程中的焊接缺陷以及修復後的性能是否能夠達到工作要求等問題，因此應當將焊接修復的完整性評定作為修復系統工程的一部分進行配套解決。儘管國內目前關於修復部件使用壽命評定還沒有系統、可靠的修復技術標準和規範，但是根據國外已經比較成熟的技術標準，金屬結構焊接修復完整性評定工作應當包含失效分析、斷裂性能測試和壽命預測等方面。

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收稿日期：2016-06-21

中圖分類號：TG47

作者簡介：王 浩，1971年出生，高級工程師。主要研究方向為時速380公里的高速綜合檢測列車、CRH380A型動車組冷卻系統的研製。

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