航空发动机叶片MPAW修复传热建模及冷却方法

热源参数和冷却速度是影响钛合金叶片焊接修复质量的关键因素.基于脉冲热源叠加原理和高斯分布特性,建立了焊接热源的数学模型,根据夹具实体结构建立了焊接修复有限元模型,通过COMSOL进行传热过程建模,并通过试验对热源模型进行了验证.根据传热仿真结果分析了夹具的传热特性,设计了夹具的冷却结构和流体参数.通过建立典型位置的参数化表面,对比分析了采用冷却方法之后最高温度变化情况并进行了焊接试验.结果表明,热源模型与实际吻合度较好,采用的换热方法可有效提升焊接修复效果.

基于弧压反馈的叶片微束等离子焊接修复弧长跟踪控制

在损伤航空发动机涡轮叶片微束等离子增材修复过程中,多层堆焊后熔覆层面不平整导致凸起形貌产生,使得待修复表面与熔覆层上表面一致性差。提出一种基于弧压反馈的弧长跟踪控制方法,提高弧长稳定性,以解决上述问题。利用电弧电压信号间接表征电弧弧长,并提出变分模态分解与中位值平均滤波融合算法以去除噪声信号。在此基础上,设计一种变论域模糊PID与PID并联的控制器,调节焊枪的高度以实现弧压稳定,并进行仿真优化。最后搭建弧压采集与弧长控制平台,进行弧压信号去噪实验和表面凸起试片焊接实验。结果表明,此方法能显著提高弧长稳定性,且凸起表面与熔覆层上表面一致性好。

超薄Inconel 718镍基合金板焊接凝固过程中微观组织变化的预测

以不同的占空比、基值电流、峰值电流和脉冲频率对0.1 mm厚Inconel 718合金板进行了脉冲微束等离子弧焊(pulse microplasma arc welding,P-MPAW)。对焊接凝固过程中超薄版的微观组织的变化进行了数值模拟。采用Fluent软件对焊接过程中超薄板的温度场变化进行了模拟,并与采用MATLAB软件建立的微观组织变化模型进行耦合,以预测超薄Inconel 718合金板在脉冲微束等离子弧焊接凝固过程的微观组织变化。结果表明:占空比对焊缝边缘柱状晶二次枝晶和焊缝中心等轴晶一次枝晶的生长均有明显影响;脉冲频率和基值电流均影响柱状晶和等轴晶晶粒的平均尺寸;模拟的和试验获得的柱状晶和等轴晶晶粒平均尺寸相接近,说明采用该模型分析P-MPAW焊接超薄Inconel 718合金板时在凝固过程中微观组织的变化是可行的。

旁路耦合等离子弧钛合金增材制造组织与性能的研究

利用旁路耦合等离子弧焊试验平台,对TC4钛合金进行等离子弧增材制造。观测堆垛样的组织及显微硬度,结合增材制造过程中所测的热循环曲线,分析旁路电流、堆垛顺序对TC4钛合金堆垛样组织和性能的影响。结果显示,在旁路耦合电弧焊TC4钛合金增材制造过程中,旁路电流的引入会使堆垛样组织的枝晶变粗、间距减小,对堆垛层产生较大深度的强化效果;显微硬度沿着堆积高度方向呈增大趋势;堆垛顺序使堆垛层的硬度有一定的提升,导致晶枝生长发生改变。

基于FLUENT的超薄板微束等离子弧焊熔池行为研究

焊接熔池的特征信息与焊缝的成形质量具有直接的对应关系,为了获得高质量的焊缝,课题组对超薄板微束等离子弧焊的熔池进行研究。通过FLUENT软件采用Solidification&Melting模型与SIMPLEC算法对直流和脉冲微束等离子弧焊熔池进行数值研究,并设计了焊接熔池视觉检测系统;通过实验采集熔池的几何特征对数值分析的结果进行了验证。结果表明:在平均电流相同的情况下,直流状态下熔池的温度和宽度大于脉冲电流时熔池的温度和宽度;但是直流时熔池中液态金属的流速与熔池的振幅都小于脉冲电流状时熔池中液态金属的流速和熔池的振幅。通过实验发现使用数值模拟的方法可以获得一定的熔池特征信息。

超薄板脉冲微束等离子弧焊熔池振荡频率特征

脉冲微束等离子弧焊熔池振荡特征频率与焊件成形质量具有重要联系。传统的检测方法用于超薄板P-MPAW焊接熔池振荡频率实时检测时存在较大误差,因此课题组应用了一种基于激光反射的熔池振荡特征频率检测方法。课题组搭建的熔池振荡实时检测平台实现了超薄板P-MPAW熔池振荡特征信息的采集,并成功提取出熔池振荡特征频率,探讨了脉冲参数对于熔池振荡的影响机制。结果表明:熔池振荡频率随脉冲频率增大呈对数增长,随基值电流和峰值电流差异减小而减小,使用对数增长模型可对熔池振荡特征频率进行合理预测。

脉冲微束等离子弧焊参数对丝网焊点组织与性能的影响

为了获得具有良好性能的不锈钢丝网焊点,课题组采用脉冲微束等离子弧焊(P-MPAW)的方法,对丝径为0.35mm,孔隙为1.25 mm的方孔状丝网进行脉冲电流对接焊。利用超景深显微镜、显微硬度计和微拉伸机研究不同脉冲频率、占空比和基值电流对丝网焊点显微组织和力学性能的影响,以获得最佳的工艺参数组合。结果表明:在脉冲频率为100 Hz、占空比为50%、基值电流为1.2 A时,焊点处形成的晶粒最为细致且具有802 MPa的最高抗拉强度;当基值电流和占空比不变时,焊点晶粒随脉冲频率的增大而逐渐细化;当频率超过100 Hz时,焊点由细小等轴晶向粗大骨骼状晶转变。当脉冲频率和基值电流不变时,焊点晶粒随占空比的增大先细化后粗大,焊点力学性能先升高后下降;当脉冲频率和占空比不变时,焊点晶粒随基值电流的增大逐渐粗化,力学性能逐渐下降。