基于动网格技术的CMT-WAAM熔池温度场与流场数值模拟

针对基于冷金属过渡(CMT)技术的镁合金摆动电弧增材制造(WAAM)过程,采用流体体积(VOF)法和动网格(DM)技术建立了分别考虑熔滴和熔池受力情况的三维瞬态数值模型,研究了熔滴过渡和熔池流动过程中的温度场和速度场变化.结果表明,相应试验结果验证了所建立数值模型的有效性,熔池和熔滴尺寸参数模拟的误差均在10%之内.在CMT-WAAM开始阶段,基板表面和焊丝在电弧热作用下熔化分别形成熔池和熔滴.在焊丝向熔池送进过程中,熔滴不断长大,并在表面张力作用下长成球形.熔滴金属的热量主要通过热传导的形式向熔池传递,熔池最高温度随着熔滴金属的过渡而升高,熔池最高温度可达2100.0K;随着焊丝的回抽,熔池最高温度降低至1763.6K.随着焊丝向熔池送进,熔滴的最大速度从1.87 m/s逐渐减小到1.07 m/s,而熔池的最大速度仅为0.87 m/s.当熔滴金属前端与熔池发生接触后,液态金属的最大速度可达到4.21 m/s;随着焊丝的机械回抽,液态金属的最大速度在1.69~4.90 m/s范围内波动.当熔滴与熔池接触发生短路时,熔滴金属从熔池表面流向熔池底部和熔池两侧,增强了对熔池底部和熔池两侧的搅拌作用,使得熔池体积增加;当熔滴从焊丝端部脱离后,熔池中液态金属从熔池底部流向熔池表面和熔池两侧,熔池温度和流体速度随之降低,从而减缓了熔池体积的增加.此外,熔池自由表面在摆动电弧作用下呈现波浪式变形.

基于CEL方法的6005A铝合金搅拌摩擦焊数值模拟研究

目的研究6005A铝合金搅拌摩擦焊接全过程温度场及焊后残余应力的分布规律。方法基于耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)方法,应用Johnson-Cook本构模型,并采用质量缩放技术,建立搅拌摩擦焊热力耦合仿真模型,模拟分析6005A铝合金搅拌摩擦焊不同阶段的温度场变化和焊后应力分布情况。通过红外热像仪温度场试验、X射线应力场试验和宏观形貌试验,对数值模型进行验证。结果在下压与预热停留阶段,温度快速升高至545℃,且呈对称分布;在焊接阶段,焊缝区域最高温度为546℃,出现在返回侧,返回侧温度略高于前进侧温度,呈不对称分布。焊后残余应力集中在焊缝中心两侧40 mm范围内,垂直于焊缝方向的横向/纵向残余应力分布曲线呈“M”形;残余应力在焊缝两侧呈不对称分布,表现为返回侧残余应力高于前进侧残余应力,其中最大纵向残余应力为−174 MPa,最大横向残余应力为206 MPa,应力最大点均出现在返回侧。待测点实测温度与模拟温度误差不超过5%;待测点实测残余应力与仿真值吻合较好,横/纵向残余应力误差分别为16.3%、16.45%;模拟焊缝与实际焊缝宏观形貌吻合较好。结论在搅拌摩擦焊过程中,材料流动不充分使返回侧温度略高于前进侧温度,而焊接过程中不均匀的热分布导致焊后残余应力也呈返回侧数值略高于前进侧数值的不对称分布;通过将试验和模拟得出的温度场、应力场、宏观形貌进行对比分析,可知试验与仿真误差较小,数值模型能够反映真实的焊接过程,从而验证了6005A铝合金CEL数值模型的正确性。

真空电子束熔覆装备研制

围绕真空电子束熔覆装备战略需求,聚焦核心功能零部件的研制开发。研究电子束枪技术、机械运动机构及控制技术,真空定量送粉技术等关键技术。电子束熔覆装备由电子束枪系统、机械运动及控制系统、真空系统、真空送粉系统、监视系统、PLC总控系统等组成。研制等离子体空心阴极结构的电子束枪,实现电子束在低真空条件下的正常工作,阴极连续工作时间可超过50h,适合送粉式电子束熔覆及增材制造。优化电磁聚焦系统的设计,通过调整磁场分布来控制电子束的聚焦程度。通过聚焦系统保证电子束流良好的聚焦电流稳定性,聚焦电流测量值较设定值偏差≤0.5%。研究实现了五轴联动运动机构及数控系统,实现空间复杂曲面的熔覆及增材。研究了抽真空及真空送粉系统,实现连续可控送粉。通过PLC控制系统将电子枪、真空系统、运动系统等与控制系统进行集成,进行整体调试和优化。解决系统运行中可能出现的兼容性和稳定性问题。实现上述关键技术的突破,是实现电子束熔覆装备国产化集成制造的必要条件。

热输入对高锰钢模拟焊接热影响区显微组织和低温韧性的影响

作为一种新型低温用材料,高锰钢具有低成本及优异的低温力学性能等优势,在液化天然气(LNG)储罐等领域具有广阔的应用前景.然而在实际焊接过程中,高锰钢焊接热影响区中距熔合线3 mm处的特定亚区(FL+3亚区)会出现低温韧性恶化的问题.针对这一问题,采用焊接热模拟技术再现了不同热输入下的FL+3亚区,通过扫描电子显微镜、电子探针X射线显微分析仪和透射电子显微镜观察晶界比例、偏析及析出相.结果表明,模拟FL+3亚区具有较好的低温韧性,其冲击断口形貌均为大量的韧窝.然而随着热输入增加,其冲击吸收功降低,10 kJ/cm、15 kJ/cm、30 kJ/cm和45 kJ/cm不同热输入下的-196℃冲击吸收功分别为177 J、172 J、138 J和112J.FL+3亚区的显微组织为单相奥氏体组织,随着热输入增加,晶粒尺寸无明显变化,而小角度晶界比例升高.热输入增加会加剧FL+3亚区的C、Cu晶界偏析和Mn带状偏析,提高偏析区域的层错能以及临界剪切孪晶应力,使得孪生机制难以激活,进而减弱了形变孪晶的韧化作用,降低低温韧性.当热输入增大到15 kJ/cm时,FL+3亚区开始析出尺寸约为200 nm的颗粒状和块状Cr_(23)C_(6)碳化物,且析出相的尺寸和数量随着热输入增加而进一步增加.碳化物析出易引起应力集中而产生裂纹萌生,降低了FL+3亚区的低温韧性.

X80高钢级管道焊接残余应力测试研究

目的获得X80高钢级管道环焊缝焊接残余应力大小与分布模式。方法首先采用盲孔法对X80高钢级管道的环焊缝焊接残余应力进行了测试,然后将测试结果与X80管道焊接残余应力的相关文献试验数据以及国家标准《在用含缺陷压力容器安全评定》GB/T 19624—2019所规定的内容进行了对比分析,最后根据测试数据提出了X80高钢级管道环焊缝焊接残余应力σ_(R)与距焊缝中心距离x之间的函数关系式,进一步得到了X80管道环焊缝沿环向与轴向的焊接残余应力计算公式。结果X80管道环焊缝沿环向区域存在较大的残余拉应力,焊接残余应力在焊趾区域达到峰值,表现为随着距焊缝中心距离的增加,环向残余应力由拉应力小幅度增加达到峰值567 MPa后迅速转变为压应力,随后缓慢转变为拉应力并趋近于0。随着距焊缝中心距离的增加,轴向残余应力由压应力迅速转变为拉应力,其中压应力峰值为92 MPa,发生在焊缝熔合线位置,拉应力峰值为188 MPa,出现在远离熔合线16 mm位置。结论根据试验结果提出了适用于X80管道环焊缝沿环向与轴向的焊接残余应力分布模式,为含缺陷X80管道的安全评定及修复提供理论参考。

电场辅助焊接过程电热耦合场仿真

【目的】电场辅助也即脉冲电流辅助焊接(简称SPS焊接),是一种集电阻加热、等离子活化、电致扩散、热压为一体的多物理场高度耦合的连接方法,具有焊接时间短、温度低、变形小、连接质量优异等特点,应用潜力巨大。旨在研究焊接材料导电性、高温性能、接触界面电阻、模具形状、装样顺序等各方面影响因素对焊接产热、电流分布的影响规律。【方法】文中采用MSC.MARC软件,探索SPS焊接电热耦合场有限元模拟算法,定量、动态分析了SPS焊接系统电场、温度场分布及焊件热循环,阐明了SPS焊接工艺机理,将数值预测结果与5A06铝合金SPS焊接工艺曲线进行了对比,验证了模型的准确性和计算精度。同时,研究了材料导电性、焊接装配对焊接系统电场和温度场的影响。【结果】结果表明,电流优先从易导电通道流过,焊件界面接触电阻越大,流经其电流越小,电场和温度场存在耦合作用,主要产热位置变化引起焊件和模具温度不均匀性变化。当焊接材料导电性差异较大时,电场和温度场相对于焊接界面不再呈上下对称分布。【结论】SPS焊接时,应从电场和温度场两个角度选择焊件装配方式。当系统整体电流密度更大,焊接界面温度更高,且高熔点材料温度比低熔点材料温度更高的状态同时达到时,是优先推荐的焊件装配方式。

医用钛合金激光表面改性抗菌涂层的研究进展

激光作为一种高效、清洁热源,在材料表面改性中占有重要地位。激光表面处理可以调控材料表面组织结构和合金成分,改善材料的耐磨、耐腐蚀和抗菌等性能。钛及钛合金具有优异的力学性能、生物相容性和耐腐蚀性能,是人体硬组织的主要替代产品之一,在生物医用材料领域得到广泛应用。但钛及钛合金不具有抗菌性能,在植入过程中易发生细菌感染而造成植入手术失败,是目前钛合金骨科植入手术中亟待解决的问题。该文针对钛合金抗菌性差的问题,采用激光表面处理工艺,综述了激光表面合金化、激光表面织构和激光熔覆等激光表面改性技术改善钛合金抗菌性能的研究现状,阐明其抗菌机理,并对发展趋势进行展望,为激光技术提高钛合金抗菌性能的深入研究及应用提供理论基础及技术支撑。

金属封装管壳随机振动失效分析及抗振优化

混合集成电路(HIC)在服役过程中,壳体长边焊缝内侧区域容易出现裂纹导致失效.本文针对这一问题对失效现象进行振动研究,通过仿真软件ABAQUS对大尺寸混合集成电路封装管壳进行模态和随机振动实验与仿真,确定器件的薄弱位置,通过有限元仿真和实验结合的方法确定随机激励作用下盖板的危险位置和危险共振频率.针对薄弱位置设计不同载荷下的正弦振动实验,通过振动实验和仿真相结合的方式拟合得到材料的S-N曲线.分析危险位置的失效原因为由于随机振动的应力集中现象导致的振动疲劳失效,并针对失效原因设计减振方案对原模块进行结构优化设计,对危险位置进行减振加固,提升器件的抗振性能.

熔滴过渡模式对药芯焊丝与实心焊丝焊接烟尘的影响研究

在熔化极气体保护焊焊接过程中,不同的熔滴过渡模式会导致焊接烟尘产生的冶金机制发生改变。系统研究了采用实心焊丝和药芯焊丝的熔化极气体保护焊熔滴过渡模式与焊接烟尘之间的相关性。利用熔滴过渡采集系统拍摄了两种焊丝在不同工艺下的熔滴过渡模式,并采用烟尘采集装置和激光粒度分析仪分析了不同熔滴过渡模式下的焊接烟尘发尘量和烟尘粒径分布规律。结果表明,实心焊丝在短路过渡和射滴过渡模式下,烟尘发尘量与熔滴过渡频率成正比,而大滴过渡模式下则呈现出反比规律;药芯焊丝的烟尘发尘量与熔滴过渡频率成正比关系;实心焊丝的烟尘颗粒粒径分布范围为0.1~10μm之间且大尺寸颗粒主要分布在短路过渡区间;而药芯焊丝的烟尘粒径主要分布在0.1~100μm之间,大尺寸颗粒主要分布在短路和大滴过渡区间。

基于视觉传感的铆焊点处焊缝识别方法

针对组合件自动焊接时铆焊点对焊缝识别造成严重的干扰问题,提出一种基于视觉传感的薄板焊缝识别方法。首先利用CCD工业相机采集带有激光条带的焊缝图像,再用中值滤波平滑噪声,OTSU自适应阈值分割图像,骨架提取细化激光条纹,概率Hough变换拟合直线,采用基于二值矩阵的方法在ROI区域去除铆焊点对焊缝识别的干扰,最后利用直线拟合得到的端点坐标找到焊缝中心点。试验结果表明,该方法误差小于0.6 mm,能够快速提取焊缝特征点,满足焊接要求。

超音频脉冲电流叠加对高氮钢GMA增材制造组织性能的影响

针对高氮钢增材过程中氮损失及力学性能降低等问题,采用常规脉冲熔化极气保电弧(Pulsed Gas Metal Arc,P-GMA)及在脉冲电流峰值阶段叠加超音频脉冲电流的P-GMA对高氮钢进行电弧增材制造实验,分别制备不同工艺参数下的单道多层高氮钢直壁体,研究超音频脉冲电流叠加对高氮钢电弧增材制造凝固方式、显微组织演变及力学性能的影响规律。研究结果表明:由于高氮钢在电弧增材过程中存在氮损失现象,不同增材模式下高氮钢金属熔池的凝固模式均由单相奥氏体凝固(A模式)转变为铁素体为先析出相、奥氏体依附铁素体界面析出(FA模式);相比于常规P-GMA,叠加超音频脉冲电流后P-GMA产生的高频超声效应能够提高氮元素的扩散,促进奥氏体相变,限制铁素体枝晶生长;经过对比分析,超音频脉冲电流对铁素体树枝晶Y轴方向的影响大于Z轴方向,对Y轴方向力学性能的影响也大于Z轴方向,当频率为60 kHz时Y轴方向抗拉强度提高了9.9%,屈服强度提高了15.9%。

2Cr13马氏体不锈钢扫描激光-电弧复合焊接接头元素分布及组织性能研究

2Cr13马氏体不锈钢力学性能优异、耐蚀性适中且价格低廉,具有较好的利润空间,一直以来是钢铁企业尝试发展的焦点.先前研究表明激光-电弧复合工艺有望通过焊丝材料的合理选择,借助合金化的作用实现2Cr13不锈钢的高质高效焊接,但存在合金元素分布不均的问题.为此,本文在2Cr13马氏体不锈钢激光-电弧复合焊接中引入激光束扫描,依靠其对熔池的强烈搅拌效应调控合金元素分布,改善熔池冶金行为,细化晶粒,从而增强焊缝韧性.本文着重探讨了激光束扫描频率对焊缝中合金元素分布特征、焊缝组织和力学性能的影响规律.结果表明,扫描激光束对熔池的高频搅拌效应加强了熔池对流,驱动Ni元素由电弧作用区域向激光作用区域转移,焊缝中Ni元素分布不均匀程度减弱.在扫描半径0.4 mm情况下优化的扫描频率为20 Hz,此时焊缝中激光作用区域Ni元素含量由不引入激光束扫描时的1.52%提高至2.03%,对应的奥氏体相含量由4.7%增加至10.1%.同时,激光束扫描行为降低了熔池温度梯度,有利于改善焊缝成形,热影响区粗晶区平均晶粒尺寸由4.92μm降为3.95μm,焊缝杯突测试中断裂位置由熔合线转向母材,且杯突值由4.82 mm提升至5.89 mm,提升幅度达22%.相关研究将对以后马氏体不锈钢焊接研究提供一定的理论指导,对扩大马氏体不锈钢的应用领域具有重要的推动作用.

核电站乏燃料水池水下ACFM焊缝缺陷检测系统研究

目的针对核电站乏燃料水池钢覆面焊缝缺陷的水下检测需求,开发一种基于交流电磁场检测(ACFM)技术的水下缺陷检测系统,以检测和识别焊缝中的微小漏点,进而确保乏燃料水池的结构完整性和运行安全。方法采用有限元模拟结合实验验证的研究方法。首先,采用三代核电乏燃料水池钢覆面的主要材料S32101双向不锈钢作为研究对象,利用COMSOL Multiphysics软件建立ACFM的缺陷检测模型,并对激励频率、激励电流进行优化分析。其次,研制了适用于核电水下环境的ACFM缺陷检测设备,并通过水压、电磁干扰、辐照试验来验证设备的可靠性。结果当激励频率为1~5 kHz并采用较大的激励电流时,可以获得最佳的检测效果;试验结果表明,系统在辐照水下环境中具有良好的适用性,能够有效检测并识别出直径为0.1 mm的微孔贯穿缺陷及3 mm×0.2 mm×0.5 mm的浅表缺陷。结论综合仿真分析、设备研制和实验验证的结果可知,所开发的水下ACFM缺陷检测系统能够满足核电站乏燃料水池钢覆面焊缝缺陷的水下检测需求,为核设施水下缺陷的早期预警和漏点判定提供了有效的技术手段。

直写成型金属微粒悬浮液流变特性及动力粘度研究

为制备出符合直写成型技术要求的金属微粒悬浮液,对金属微粒悬浮液的流变特性及动力粘度进行了研究。制备了具有不同动力粘度的金属微粒悬浮液,在室温下进行了动力粘度测试,依据内摩擦力理论对其流变特性及动力粘度进行了研究,分析了微粒体积分数及粒径对其流变特性及动力粘度的影响。结果表明,PVA溶液作为液相的金属微粒悬浮液具有直写成型技术要求的流变特性;调节微粒体积分数及粒径可以调控金属微粒悬浮液的动力粘度;通过Williamson模型及牛顿插值法量化了微粒体积分数与动力粘度之间的关系,提供了预测悬浮液动力粘度的方法。

活性剂对A-TIG接头熔深、电弧形貌及组织性能的影响

选用10 mm厚1Cr21Ni5Ti不锈钢为研究对象,通过优化活性剂配比及工艺参数获得具有最大熔深的焊缝,并研究了活性剂对活性剂钨极惰性气体保护焊(A-TIG)电弧形貌及接头组织性能的影响。与传统钨极惰性气体保护焊(TIG)所得接头相比,A-TIG所得接头熔深增大了122%,电弧发生明显的收缩,焊缝组织细化,奥氏体含量增多,热影响区明显变窄。采用A-TIG所得接头抗拉强度高达702 MPa,比TIG焊接头强度提高了53.9%,相当于母材的96.8%,其接头断裂在焊缝中心处,主要是氧化物活性剂的加入而形成夹渣所致,断裂模式表现为韧性断裂。

GH4065A高温合金塑性连接过程中界面组织演变行为

为了解GH4065A合金在塑性连接过程中界面组织的演变规律,在1050~1110℃,20~40 MPa和20~35 min的条件下,开展GH4065A合金塑性连接实验。通过OM,SEM,EBSD表征接头中连接区与未连接区之间的特殊位置,深入研究连接温度、保载时间、连接压力对界面微观组织的影响规律,重点关注塑性连接时界面上再结晶晶粒的形成以及原始界面的愈合过程。结果表明:提高连接温度、压力,延长保载时间有利于实现界面愈合,但与此同时也会促进接头晶粒的粗化,在1080℃,30 MPa,30 min的参数下所得的塑性连接接头组织均匀且无明显缺陷,具有良好的冶金结合效果。在界面冶金结合形成的过程中,发生晶界弓出形核为主的非连续性动态再结晶,存在亚晶渐进性转动形核的连续性动态再结晶。随着塑性连接的持续进行,再结晶晶粒形核并向原始界面生长,从而促进界面的消除。塑性连接致冶金结合形成主要经历初始接触、形核与晶粒长大、接头形成三个阶段。

不锈钢薄壁洁净管氩弧焊自熔焊接工艺探究

在工业技术日益进步的大环境中,不锈钢薄壁洁净管由于具有耐腐蚀性强,清洁特性等优点被广泛地应用于各个领域。本课题研究目的是探索不锈钢薄壁洁净管氩弧焊自熔焊接技术,促进焊接质量提高和生产成本下降。采用文献综述及实验研究方法比较分析了不同焊接参数的焊接质量效应,运用多变量回归分析方法揭示了焊接电流及速度与焊接质量之间的关系。结果 显示:优化焊接参数、引进先进的焊接技术可显著改善焊接接头的强度、洁净度并减少缺陷率。研究对不锈钢薄壁洁净管焊接工艺具有理论指导与实践参考作用。

高强钢冷金属过渡电弧增材制造单焊道形貌研究

通过试验系统性研究了冷金属过渡电弧增材制造时焊接速度与送丝速度对高强钢焊道几何轮廓的影响规律,利用光学显微镜表征不同工艺条件时焊道几何尺寸及截面轮廓特征。建立焊接速度、送丝速度与焊道轮廓间的关联关系,确定合适的工艺参数窗口。基于MATLAB软件平台编写包含图像处理、轮廓提取与曲线拟合等功能在内的成套程序,将焊道轮廓测量结果与抛物线、椭圆、圆与余弦函数等拟合模型进行比较。结果表明,相比焊接速度,送丝速度对焊道轮廓的影响更大。随着送丝速度的增加,焊道轮廓由窄高状变为扁平状。抛物线对于窄高状焊道拟合效果最佳,而当焊道截面呈扁平状时,椭圆模型与试验数据吻合程度最高,为后续电弧增材制造部件控形提供支持。

7075/6061铝合金TIG焊搭接接头疲劳性能评估

对7075/6061铝合金TIG角焊缝搭接试件进行恒幅疲劳测试,根据热点应力法与临界距离法细节分别建立有限元应力应变分析模型,在模型中提取最大主应力变化范围进行分析。基于有限元应力应变分析结果并结合IIW推荐的S-N曲线估算不同载荷下焊缝接头的疲劳寿命。结果表明:试件主要在7075侧焊趾处断裂,而有限元模型中最大应力应变集中部位均位于7075侧焊趾,两者基本一致。预测寿命与实际寿命对比可知,在低周疲劳范围内热点应力法在进行板厚修正的基础上可较好地预测TIG焊件的疲劳寿命,且预测结果误差均在2个因子范围内。临界距离法中点法和线法均能对热点应力进行预测,其中点法预测精度更高,线法预测精度稍差。

基于融入注意力机制的改进U-Net鲁棒焊缝识别算法

针对复杂焊接环境下大量弧光噪声造成焊缝激光条纹分割精度低的问题,提出一种融入注意力机制的改进U-Net鲁棒焊缝识别算法。首先,在模型的特征融合过程中使用超强通道注意力机制实现特征的加权融合。然后,在编码器结构之后,加入特征分类结构,使其可以输出焊缝对应类型名称。最后,由于网络训练中正负样本失衡会对识别结果产生影响,在模型的损失函数中添加Dice Loss和Focal Loss来进行修正,以提高模型的鲁棒性和泛化性。另外,在模型训练的过程中提出了一种像素位置信息和图像种类信息融合的方式,以增强焊缝识别的鲁棒性。实验表明,在具有弧光、烟雾噪声等干扰环境下,所提方法得到了较好的实验结果,能够满足检测对精度和实时性的需求,在具有弧光、烟雾等干扰的实际焊接现场中具有一定的应用前景。