基于层宽控制的AZ91镁合金TIG电弧增材工艺优化

针对镁合金电弧增材制造表面成形质量控制的难题,通过Design-Expert软件对AZ91镁合金TIG电弧增材的电流、送丝速度、增材速度等工艺参数和熔覆层层宽之间进行建模,探索了各工艺参数对增材层宽的影响规律,并利用增材主要工艺参数和尺寸的数学模型优化了增材电流,根据电流优化值来控制直壁构件层宽。结果表明,对层宽影响最大的是增材电流,其次是增材速度,影响最小的是送丝速度;采用优化后的工艺增材制备的单道多层构件自上至下的层宽波动起伏小,层宽偏差值由4.54 mm减小到0.94 mm,提高了AZ91镁合金增材成形质量。

高氮钢超音频脉冲GMA增材制造熔滴过渡特性

针对高氮钢增材制造熔滴过渡过程中氮元素逸出及飞溅问题,进行超音频脉冲熔化极气体保护(Ultrasonic Frequency Pulsed Gas Metal Arc,UFP-GMA)增材制造熔滴过渡试验,研究不同超音频脉冲电流叠加模式和脉冲电流频率对高氮钢熔滴过渡稳定性的影响,获取能够实现高氮钢增材稳定熔滴过渡的工艺参数。试验结果表明:在脉冲熔化极气体保护(Pulsed Gas Metal Arc,P-GMA)增材工艺条件下可以实现一脉一滴过渡,但是过渡稳定性较差,飞溅明显;在P-GMA基值阶段或基值和峰值阶段都叠加超音频脉冲电流均不利于熔滴过渡,容易出现短路、熔滴爆炸等问题;在P-GMA峰值阶段叠加低频(20 kHz)脉冲电流时,对熔滴过渡影响较弱,叠加中频(40~60 kHz)脉冲电流能抑制高氮钢熔滴过渡中大颗粒飞溅生成,提高熔滴过渡稳定性,但是当频率超过60 kHz时在过渡中会形成许多小飞溅。

超声振动辅助电弧增材制造2219铝合金的显微组织及力学性能

在附加与焊枪同步运动的超声振动辅助条件下,采用电弧增材制造技术制备2219铝合金单道多层沉积件,并分析其显微组织与力学性能的变化。结果表明:附加超声振动后试样的晶粒明显细化,晶粒粒径在20μm以下的比例由29.32%提升至46.59%,平均粒径由36.80μm下降至30.19μm。同时,在试样的显微组织中出现了大量的亚晶区。经附加超声振动后,试样的显微硬度由79.9HV提升至93.8HV,试样在竖直方向上的拉伸性能得到了一定程度的强化,水平方向上的屈服强度也有所提升,但伸长率显著下降,这可能与拉伸件中存在的缺陷相关。

高氮不锈钢光丝同轴激光增材组织与性能研究

为研究光丝同轴激光增材技术在制备高氮不锈钢块体材料中的应用潜力,采用直径1.2 mm、氮含量为0.71 wt.%的高氮钢丝材,通过光丝同轴激光增材技术进行多道多层增材试验。利用工业CT扫描、氮含量分析、组织形貌观察、物相分析及力学性能测试等方法,对增材块体的内部质量、氮含量、微观组织及力学性能进行了系统研究。结果表明,增材块体中存在少量未熔合缺陷,主要分布在底部,且一般出现于每一层的前两道附近,等效直径主要分布于200~300μm。内部存在大量细小孔洞状低密度缺陷,其体积占比为0.073%,其中约90%的等效直径区间为1.5~7.5μm。中部和顶部的氮含量都在0.66 wt.%以上,氮损失均低于7.5%;底部氮含量降至0.58 wt.%,氮损失为19%。物相分析表明,增材块体主要为奥氏体γ-Fe相,通过SEM和EDS可发现基体材料中存在少量α-Fe枝晶和Mn的氧化物。金相观察发现,增材块体主要由细小的柱状晶和等轴晶组成。增材块体底部力学性能较好,中部各向异性较小。其增材方向上的硬度分布为315~355 HV,且底部明显高于中部和顶部。块体中部增材方向抗拉强度875 MPa,屈服强度为679 MPa,延伸率为50%;行进方向抗拉强度为908 MPa,屈服强度为685 MPa,延伸率为34%。此外,块体底部行进方向的抗拉强度为997 MPa,屈服强度为770 MPa,延伸率为43%。本研究证实了光丝同轴激光增材技术制备高氮不锈钢块体材料的可行性,为高氮不锈钢增材制造技术的开发和应用提供了重要的理论依据和技术支持。

超音频MIG辅助三丝电弧增材制造工艺研究

多丝多弧的增材技术具有更高的成形效率,但是较大的热输入会影响形貌和性能,因而引入超音频电弧以达到细化晶粒并提高熔深的目的。以316L不锈钢作为试验材料,采用MIG焊工艺,自主搭建超音频三丝电弧增材制造平台,基于单丝单道模型,进行了三丝单道单层以及三丝单道多层增材工艺试验研究。结果表明,30 kHz超音频电弧可显著细化熔敷道组织并破坏树枝状结构,横向和水平平均抗拉强度分别提高了81 MPa和23 MPa,水平平均断裂延伸率从18.5%提升到39.3%,且整体提高试件的显微硬度。但若频率过高,超声波带来的能量会过高,从而减缓冷却速度,导致晶粒粗化。

基于层宽控制的AZ91镁合金TIG电弧增材工艺优化

针对镁合金电弧增材制造表面成形质量控制的难题,通过Design-Expert软件对AZ91镁合金TIG电弧增材的电流、送丝速度、增材速度等工艺参数和熔覆层层宽之间进行建模,探索了各工艺参数对增材层宽的影响规律,并利用增材主要工艺参数和尺寸的数学模型优化了增材电流,根据电流优化值来控制直壁构件层宽。结果表明,对层宽影响最大的是增材电流,其次是增材速度,影响最小的是送丝速度;采用优化后的工艺增材制备的单道多层构件自上至下的层宽波动起伏小,层宽偏差值由4.54 mm减小到0.94 mm,提高了AZ91镁合金增材成形质量。

AZ91镁合金TIG电弧增材微观组织与力学性能

为了探索AZ91镁合金在航空航天产品壳体和轻量化结构件等领域的应用,基于TIG增材制造工艺进行了镁合金增材试验,成功制备了一个单道多层薄壁样件,并对其微观组织和力学性能进行了分析。结果表明:镁合金增材样件的底部、中部和顶部区域的显微组织基本上都是等轴状细晶组织,晶内和晶界处有第二相β-Mg_(17)Al_(12)析出。样件各区域的硬度值接近,硬度平均值为62 HV;相比于传统压铸方法,增材样件整体力学性能得到了提高,样件中部区域的抗拉强度为276 MPa,提升了20%;断后试样的伸长率为13.1%,提升了87%。

高氮钢CMT电弧增材制造多道搭接表面质量评价

针对电弧增材制造成形问题,提出基于三维表面粗糙度参数的零件表面质量评价方法.以高氮钢为例,采用CMT工艺进行多道搭接试验,通过三维扫描设备提取零件表面信息,计算表面轮廓均方根偏差Sq和轮廓偏斜度Ssk,对比计算所得数据与实际表面成形情况,并利用所提出的方法研究了增材制造过程中电弧摆宽对多道搭接表面质量的影响.结果表明,此评价方法所得数据规律与实际成形情况基本吻合,具有较好的适应性和科学性.根据数值Sq和Ssk大小可将成形表面质量由优到差分为A,B,C,D 4个等级.电弧增材制造的热输入和电弧摆宽对成形表面质量影响较大.在热输入较大时,电弧摆宽为15和10 mm时,熔敷焊道余高小、宽高比大,搭接成形更好.

退火处理对电弧增材AZ31镁合金阻尼及力学性能的影响

为了探索热处理优化电弧增材镁合金阻尼性能的方案,对TIG电弧增材AZ31镁合金进行了去应力退火和完全退火4、5 h处理,并对原始试样和退火后的试样微观组织、阻尼性能和力学性能进行了对比分析。研究表明:与原始增材试样相比,所有退火后的试样在低振幅下的阻尼性能均有所下降,当振幅超过20μm后阻尼性能有所提升;但去应力退火试样在超过20μm后的阻尼性能提升较小,完全退火4、5 h试样的阻尼性能相近,均比原始增材试样有所提升,表明退火时长对阻尼性能影响不大。在力学性能方面,去应力退火和完全退火4 h的试样的抗拉强度与原始试样相差不大,完全退火5 h的试样略有下降,去应力退火试样的伸长率与原始试样的伸长率相差不大,但是完全退火试样的伸长率均得到了提升。

焊丝成分对高氮钢CMT+P焊工艺性的影响

为提升高氮钢焊接质量和优化焊接工艺,研究焊丝氮、锰含量带来的焊接工艺稳定性。采用冷金属过渡加脉冲(Cold Metal Transfer plus Pulse,CMT+P)焊技术对5种高氮钢焊丝进行焊接试验,研究焊丝成分对电信号、熔滴过渡、飞溅率的影响。研究结果表明:氮含量的增加会引起电信号波动变大且分布离散,而锰含量的变化对电信号的影响较小,焊丝中氮含量对高氮钢CMT+P焊接稳定性影响大于锰含量的影响;随着氮含量的增加,熔滴过渡模式由一脉一滴转变为多脉一滴,熔滴形状不规律且尺寸变大,焊丝工艺性变差;当焊丝中氮、锰含量较小,分别为0.42%、7.19%时,焊接工艺稳定性较好;氮逸出、锰蒸发导致高氮钢熔滴剧烈爆炸产生大量飞溅,焊接飞溅率随着氮、锰含量的增加而不断增大。

316L不锈钢超薄板激光焊接头微观组织及力学性能研究

为了探索316L不锈钢超薄板在换热器、金属极板等领域的应用,采用脉冲激光器对0.15 mm厚316L不锈钢板进行激光焊接工艺实验,并对焊接接头的微观组织和力学性能进行了分析。结果表明:当激光功率为90W、焊接速度为25 mm/s、脉冲频率为90 Hz、激光焦距为-1.5 mm时,能够得到单面焊双面成型、表面光滑无缺陷的焊接接头。焊缝区由细小的等轴晶组成,硬度高于母材区的,焊接接头的抗拉强度约为539.5 MPa,达到母材的86.8%,断后伸长率约为30.5%,达到母材的75.7%。

Q235钢薄板激光焊接头微观组织与力学性能

为了探索光纤激光在焊接薄板低碳钢中的应用前景,文中采用光纤激光焊接系统分别对0.5 mm和1 mm厚Q235钢板进行了激光焊工艺试验,并对所得到的焊接接头的微观组织和力学性能进行了分析。通过调节激光功率、摆动频率等工艺参数,2种厚度的Q235钢板均可获得单面焊双面成形、无明显缺陷的焊接接头。厚0.5 mm板焊缝区主要由板条马氏体组成,硬度和抗拉强度均高于母材的,断后伸长率为33.1%,约为母材的79%;厚1 mm板焊缝区呈胞状树枝晶组织,主要由铁素体、珠光体和贝氏体组成,硬度和抗拉强度均高于母材的,断后伸长率为34.5%,约为母材的75%。

5A01铝合金薄板激光摆动焊接接头微观组织与力学性能

传统弧焊焊接铝合金时易造成焊缝区晶粒粗大、产生气孔等缺陷。因此采用激光摆动焊对1.0 mm厚5A01铝合金薄板进行试验研究,并对接头微观组织及力学性能进行分析。结果表明,在表面聚焦条件下,当焊接速度40 mm/s,激光功率1600 W,脉冲频率5000 Hz,摆动频率110 Hz,摆动幅值0.5 mm时,能够获得成形良好、表面无缺陷的焊接接头;接头熔合区附近的晶体形态呈柱状晶,焊缝中心部位晶体生长为细小的等轴枝晶;从母材区向焊缝区硬度逐渐降低,接头抗拉强度约为母材的66%,断后伸长率约为母材的41%,断裂形式主要为韧窝断裂。接头力学性能明显下降,主要是由于气孔处易产生应力集中,且激光焊能量集中,导致薄板受热不均产生较大内应力。

高氮不锈钢与675高强钢焊接接头微观组织与力学性能

根据低强匹配原则,采用ER307Mo不锈钢焊丝对13.5 mm厚高氮不锈钢和675高强钢进行了脉冲MIG焊接试验。结果表明,当焊接速度为5 mm/s、送丝速度为5.5~6.0 m/min、焊接电流为155~166 A、电弧电压为19.6~20.3 V时,可以得到成形良好、性能较佳的焊接接头。焊缝组织主要由奥氏体与铁素体组成,其中铁素体从奥氏体晶界中析出;高氮不锈钢侧热影响区组织主要为块状奥氏体,而675高强钢侧热影响区主要为马氏体组织。焊接接头抗拉强度约为730 MPa,达到高氮不锈钢母材强度的71%,接头的断裂形式为韧性断裂,未发现明显的解理断裂特征。

3003铝合金激光焊接组织和力学性能

为了探索3003铝合金在动力电池外壳等领域的应用,采用激光摆动方式对1.5 mm厚3003铝合金薄板开展了焊接工艺试验,并对焊接接头的微观组织和力学性能进行了分析。结果表明,在表面聚焦条件下,当焊接速度40 mm/s,激光功率1350 W,脉冲频率5000 Hz,摆动频率100 Hz,摆动直径0.3 mm时,能够获得成形良好的焊接接头。焊接接头熔合线处和焊缝中心区存在细晶区,熔合线向焊缝中心过渡区域由柱状晶组成,接头整体微观组织得到细化。焊接接头各区硬度均高于母材,抗拉强度约为母材的91%,断后伸长率约为母材的65%,接头断裂形式为韧性与准解理混合型断裂。

高氮奥氏体不锈钢与603马氏体高强钢焊接接头组织及性能

高氮奥氏体不锈钢与603马氏体高强钢因优越的力学性能在装甲防护领域具有广阔的应用前景。根据“低强匹配”原则,采用ER307Mo奥氏体不锈钢焊丝对30 mm厚的高氮奥氏体不锈钢和603马氏体高强钢脉冲熔化极惰性气体保护焊对接焊接,并分析焊接接头微观组织及力学性能。研究结果表明:试验得到了表面成形良好、内部无裂纹、未熔合等缺陷的焊接接头;焊缝组织主要为奥氏体以及被奥氏体基体包围的铁素体树枝晶,高氮奥氏体不锈钢熔合线附近组织主要为奥氏体,603钢熔合线附近组织主要为条片状马氏体、贝氏体以及回火马氏体;接头的断裂形式以韧性断裂为主,存在少量的解理断裂特征,能谱仪点扫描结果表明,韧窝中心的第2相粒子为富Fe的碳化物;焊接接头的平均抗拉强度达722 MPa,平均断后延伸率达20.2%;焊缝金属的动态屈服强度为913 MPa,最大工程应力为2045 MPa,抗冲击性能优于603钢母材。

排列角度对高氮钢双丝GMAW熔滴过渡行为及成形特性的影响

为了实现高效稳定的高氮钢熔化极气体保护焊接(Gas metal arc welding,GMAW),着重研究双丝排列角度对高氮钢熔滴过渡行为、电信号特征及焊缝成形特性的影响。结果表明:随着双丝排列角的减小,熔池的铺展性变差,熔池重叠部分的高度增加,熔滴过渡的不稳定性增加;当排列角度不小于45°,熔池铺展性好,双丝的熔滴过渡相互作用影响减小。双丝焊接电流和电弧电压的峰值随排列角度的增加由相互重叠变为错峰出现,双丝熔滴过渡平稳;单丝焊接相比,双丝焊接在送丝总量相同条件下双丝飞溅小、成形更好。在双丝共熔池条件下,随着排列角度的增大,焊缝成形变好。

基于NSGA-Ⅱ的离体皮肤组织激光融合工艺参数的多目标优化

以激光功率、激光脉冲频率、扫描速度为优化变量,建立了激光离体皮肤组织融合工艺参数的多目标优化模型。基于MATLAB软件,应用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)寻求帕累托最优解集,得到了最优工艺参数,分析了优化目标对工艺参数变化的响应灵敏度。在优化的工艺参数下,测试了切口黏结强度,分析了微观组织。结果表明:切口黏结强度对激光工艺参数具有更高的灵敏度,激光功率对切口黏结强度、组织峰值温度的影响比较显著;所提优化工艺可以实现离体皮肤组织的全层融合,在组织峰值温度降低的情况下,离体皮肤组织切口的黏结强度比单目标优化结果提高了5.6%。

选区激光熔化成形高氮不锈钢组织与力学性能研究

采用选区激光熔化(SLM)技术制备高氮钢构件,研究了激光体积能量密度对氮含量、致密度、物相组成、拉伸性能的影响,探索了高氮钢强韧化机制。研究表明:在体积能量密度从190.5 J·mm^(-3)增大到285.7 J·mm^(-3)的过程中,增材件致密度与拉伸性能呈先升高后降低的变化趋势。当激光扫描功率为200 W、扫描速度为400 mm/s、体积能量密度为238.1 J·mm^(-3)时,试样的氮含量(质量分数)为0.76%,致密度为99.8%,抗拉强度为1275.0 MPa,延伸率为14.7%,力学性能最佳。合适的激光能量密度有助于提高材料的致密度,增加氮在材料中的溶解度,过饱和的氮在奥氏体晶格中起到固溶强化的作用,进而提升增材构件的抗拉强度及延伸率。变形过程中的形变诱导铁素体相变(DIFT)效应使部分奥氏体向铁素体转变,对材料的强度及韧性均有提升作用。

激光工艺参数对离体皮肤显微组织特征的影响

将数字图像处理技术中的纹理特征分析方法引入到激光生物焊接中,深入分析激光焊接离体皮肤显微组织的变化,以基于灰度共生矩阵计算所得的二阶统计特征量作为表征离体皮肤显微组织特征的主要量化指标,通过响应面法分析得到了各激光参数以及它们之间的交互作用对激光焊接离体皮肤显微组织纹理特征的影响规律。研究结果表明:激光扫描速度是影响离体皮肤焊后显微组织的主要因素,且对角二阶矩、相关性、熵、对比度这4个纹理特征参数都有显著影响;激光功率及其与扫描速度的交互作用对角二阶矩、相关性、熵有显著影响。