碳纤维增强复合材料与钛合金激光连接仿真

为了研究不同工艺参数对TC4钛合金与连续编织碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料(CFPEEK)的激光焊接接头的影响规律,并对焊接工艺窗口进行预测,使用ABAQUS软件建立基于热传导的有限元仿真模型,计算TC4钛合金/CFPEEK激光焊接接头的温度场分布。针对CFPEEK中连续编织碳纤维的实际铺层情况,在建模时对复合材料进行分层处理,将碳纤维层视为正交性质的材料。在此基础上探究了激光功率、焊接速度、光斑尺寸对焊缝熔化深度及宽度的影响规律,计算结果与实际试验结果吻合度较高,激光功率、焊接速度、光斑尺寸等工艺参数均对接头结合处的温度有较大影响。经过多组参数的计算,得到了TC4钛合金/连续编织CFPEEK激光连接的预测工艺窗口。结果表明,所建立的有限元模型能够有效模拟连续编织CFPEEK与TC4钛合金激光连接的温度场分布,对实际试验有一定指导意义,可降低试验成本。

GH3230高温合金绿光飞秒激光的刻蚀特性

飞秒激光以其超窄脉宽和超高光强等特性被广泛应用于各种金属材料的加工。本课题组采用波长为515 nm的绿光飞秒激光器对GH3230镍基高温合金进行刻蚀试验,研究了GH3230高温合金的绿光飞秒激光刻蚀阈值、刻蚀率和极限刻蚀深度。结果表明:相比于红外飞秒激光,绿光飞秒激光的刻蚀阈值明显降低,刻蚀率显著提高;与红外飞秒激光刻蚀类似,随着刻蚀次数增加,刻蚀深度增大,但当刻蚀次数增加到一定值后,刻蚀深度出现饱和现象;激光能量密度越高,极限刻蚀深度越大;改变扫描策略进行双道刻蚀时,通过增加刻缝宽度可以增大刻蚀深度;激光诱导等离子体是影响刻蚀深度的主要因素。

高功率光纤激光深熔焊接飞溅特性以及离焦量对飞溅的影响

飞溅是激光深熔焊接中最严重的缺陷之一。本文通过熔池原位光学观察和板材质量亏损计算,研究了高功率光纤激光深熔焊接过程中的飞溅行为以及离焦量对飞溅的影响。结果表明:飞溅的形成可分为三步,熔池凸起→凸起部位拉长形成液体柱→液体柱克服表面张力断裂形成飞溅;飞溅的直径主要分布在>50~100μm之间;随着离焦量增加,飞溅数量、板材质量亏损和熔宽均逐渐增加,熔深则逐渐减小。进一步分析结果表明:飞溅的喷发与小孔前壁倾斜角、小孔前壁激光致蒸发蒸气的冲击力、熔池表面张力有关;增加离焦量会减小前壁的倾斜角和熔池表面张力,同时增加前壁的激光致蒸发蒸气对小孔后壁上沿的冲击效果,使飞溅更易于产生。

光纤激光GH3128搭接接头高温力学性能研究

基于侧吹保护条件下的光纤激光非穿透深熔焊接工艺,模拟了构件的服役环境,对GH3128搭接接头进行了不同循环次数的900℃真空热处理,并对接头组织和显微硬度、室温与高温拉伸及蠕变拉伸性能进行了分析测试,通过分析组织与断口,对GH3128搭接接头的高温力学性能进行了评估。研究结果表明,与无热处理接头相比,热处理后的接头的室温与高温拉伸性能分别提升了35%和20%,蠕变性能大幅提高。接头组织分析结果表明:热处理后的接头枝状组织消熔,晶粒呈粗大等轴晶状态;各断口均呈现出“抛物线”状韧窝,开口方向与拉伸力方向一致,呈韧性断裂特征,且无显微裂纹产生;热处理次数对接头显微硬度、室温及高温拉伸性能的影响不大;随着热处理次数的增加,接头蠕变性能呈减小趋势。

主动热防护结构光纤激光焊接侧吹保护试验研究

主动热防护构件作为航空航天领域的重要结构,光纤激光焊接是该类结构的优选制造工艺。苛刻的服役环境对焊缝成形、表面保护及气孔缺陷提出了很高的综合要求。基于侧吹保护的光纤激光非穿透深熔焊接工艺试验,采用超景深显微镜、数字RT检测及灰度处理等设备及方法,系统分析光气间距、气体输送角度、保护气输出长度及气体流量等参数对焊缝成形、焊缝保护效果及气孔的影响规律。结果表明,保护气流量及光气间距对焊缝形貌及气孔率影响较大,正值光气间距参数下焊缝气孔率较低,气孔率同保护气流量正相关。基于优化的气体保护参数,优化了喷嘴结构,实现了主动热防护凹槽三维构件的激光焊接制造,并通过台架测试。

Ta-10W难熔合金光纤激光焊接工艺研究

采用6 kW多模光纤激光器进行了Ta-10W难熔合金的光纤激光焊接工艺研究。利用高速摄像机、光学显微镜、扫描电镜、显微硬度仪及拉伸试验机对焊缝成形、熔池形态、飞溅物形态、显微组织、显微硬度、接头强度及断口形貌进行分析。研究结果表明,在焦点位于板材表面且焦点直径为0.3 mm的聚焦参数下,当焊接速度为2~3 m/min,激光功率为1.5~2.0 kW时,焊接模式由热导焊转变为深熔焊。Ta-10W深熔焊时焊缝成形良好,焊接飞溅大且飞溅物不易附着于板材,焊缝呈钉头形。3 mm厚对接接头的焊缝组织主要为柱状晶,在焊缝靠上的位置,主要为垂直于板厚方向的细长晶粒;在焊缝中部与下部,形成的则是细等轴晶粒。拉伸试验结果显示,接头的室温拉伸强度为506.5 MPa,约为母材的92.1%;1500℃高温拉伸强度约为140.9 MPa,接头断裂在母材处。