复杂载荷、极端环境下焊接结构疲劳寿命预测研究综述

焊接接头易出现缺陷和应力集中,在疲劳载荷作用下将成为疲劳裂纹萌生和扩展的薄弱区域。与均质材料相比,接头各区域微观组织及应力局部化使得焊接结构疲劳问题进一步复杂化。区别于理想实验条件,实际焊接结构服役环境复杂,疲劳寿命预测须考虑环境因素与焊接结构耦合特性。为此,对影响焊接结构的内在因素进行总结分析,从复杂载荷和极端服役环境两方面对现有焊接结构寿命预测模型进行综述,结合最新研究进展对改进焊接结构疲劳寿命评估方法提出建议。

火箭贮箱结构材料应用及发展现状

火箭贮箱是运载火箭的重要组成部件,但服役环境相对恶劣,在储存液体推进剂的同时还承担着复杂的结构载荷。结构材料是贮箱制造发展的根本,也是航天运载器变革的关键。本文主要介绍国内外运载火箭贮箱结构材料的应用及其发展现状,对铝合金、不锈钢、钛合金等金属材料以及复合材料贮箱进行了综述,系统性地总结了贮箱材料的变革历程和应用情况,并对未来贮箱材料的发展方向提出新的见解与展望。

薄壁舱体构件电子束焊接变形模拟分析与优化

大型、多焊缝的薄壁类航天舱体构件在电子束焊接后,存在焊后变形校正难的问题,模拟计算可以预测变形趋势并优化焊接工艺以获得最小变形量。该文对铝合金航天用舱体结构进行了焊接过程的数值模拟,采用平板结构进行了有限元模型的建立与校核,对舱体结构进行了建模,研究了焊接顺序、焊接工艺参数对焊后最大变形量的影响及构件焊后变形趋势。结果表明,构件整体弯曲变形,优先焊接2条纵缝会导致较大的变形量,热输入越大,构件焊后变形量越大。在达到6 mm熔深时,采用高焊接速度35 mm/s及较小的功率5.4 kW可以获得最小的焊接变形,为0.35 mm。该文为薄壁大型舱体结构焊接工艺参数优化提供了依据。

X80M钢管道全自动焊接接头裂纹尖端张开位移差异性

针对不同预热条件下X80M钢管道全自动焊接接头,开展了裂纹尖端张开位移(crack tip opening displacement,CTOD)的差异性研究.采用单边缺口3点弯曲试样进行CTOD试验,按照GB/T21143-2014标准和ISO15653-2018标准推荐的公式分别进行CTOD值的计算.结果表明,两种计算公式结果不同,采用ISO 15653-2018标准推荐公式计算CTOD值结果与GB/T21143-2014标准相比平均偏高35%,差异出现的原因是两种标准的修正方式侧重点不同,即GB/T21143-2014标准针对裂纹长度变化进行修正,而ISO15653-2018标准针对测试温度的影响进行修正.预热温度为80℃的接头试样CTOD值整体较低,其中按GB/T21143-2014标准计算有3个试样低于标准,最低为0.16 mm,按ISO 15653-2018标准计算有1个试样低于标准,最低为0.20 mm;预热温度为120℃时,所有试样在两种标准下计算的CTOD值均满足标准要求,焊接接头断裂韧性更好.相同预热条件下,熔合区试样CTOD值整体高于焊缝区试样,且CTOD最大值均出现于熔合区,具有较好的断裂韧性,熔合区CTOD值受组织不均匀性的影响,不同位置间存在较大差异,存在性能的不均匀性.

基于分裂阳极的非柱对称电弧电流密度分布测量方法

电弧是弧焊过程中熔池金属熔化的能量来源,分裂阳极法是电弧阳极能量密度直接测量的有效方法之一.常规分裂阳极法是建立在电弧为柱对称结构的基础上,不适用于非柱对称电弧的阳极电流密度测量.试验提出在两条相互垂直的路径上依次进行分裂阳极电流数据采集的新方法,引入表征电弧不对称度的特征参量,进行椭圆环分割,以计算电弧阳极电流密度分布,修正分裂阳极法.通过预设的二维高斯分布的电流密度模型,检验了修正的分裂阳极法的可行性.结果表明,采用修正的分裂阳极法可以有效计算出电弧阳极电流密度分布.利用修正后的分裂阳极法实现了非柱对称侧向压缩等离子弧阳极电流密度的测量,与x方向相比,侧向压缩的等离子弧在y方向压缩明显,呈现典型的非柱对称特性.

钎焊温度对BNi-2非晶钎料钎焊1Cr18Ni9Ti不锈钢组织和性能的影响

采用BNi-2非晶钎料成功钎焊了1Cr18Ni9Ti不锈钢,通过扫描电子显微镜及能谱仪对不同钎焊温度下钎焊接头的界面微观组织进行了表征及分析,并对钎焊接头的抗剪强度进行了测试,探究了钎焊温度对接头界面组织及力学性能的影响.结果表明钎焊接头的界面微观组织从钎缝中心到母材可以被分为3个区域,钎焊温度为1050℃时钎缝区主要为Ni基固溶体+Cr-B相,扩散区分布有Fe-Ni固溶体及细小条状的σ-FeCr相,晶间渗入区中奥氏体晶间处分布着σ-FeCr相及Cr-B相.随着钎焊温度的升高,B元素扩散速度不断加快,Cr-B相的晶间渗入程度加剧;钎缝中心的块状Cr-B相逐渐减小直至1150℃时消失,钎缝区组织均匀化.在温度的作用下,钎缝宽度呈现先减小后增大的趋势.而接头的抗剪强度呈先上升后下降的趋势;最大抗剪强度出现在1050℃时,约265 MPa;而接头的断裂形式主要以韧性断裂为主.利用阿伦尼乌斯方程得到了B原子的扩散活化能为8.18×10^(4)×nJ/mol,n为时间指数.

SLM工艺参数对表面成形质量的影响规律

较差的表面成形质量是选区激光熔化技术(selective laser melting,SLM)在应用与推广中亟待解决的问题,凹凸不平的成形表面给SLM制备零件的力学性能和耐腐蚀能力带来了诸多不利影响.文中通过SLM制备了包含向上、向下表面的45°倾斜试样以及包含垂直表面的90°垂直试样,以此3种不同典型建造角度的成形表面作为研究对象,对比研究了不同建造角度之下的表面成形特征,并分析讨论其成因,认为45°倾斜试样的上表面主要呈现为阶梯与轻微颗粒粘附特征,颗粒的严重粘附与团聚现象出现在下表面,90°垂直表面的成形质量则主要受到粘附颗粒的影响;结合表面三维形貌观察与非接触式表面粗糙度测量,对比探究了激光功率和扫描速度两种主要工艺参数对表面成形质量的影响规律.最终,在各自的工艺参数窗口下,分别得到了4.0μm、21.6μm和7.8μm的最光滑表面,优化的参数组合使得表面粗糙度水平实现了44%、47%和56%的降低效果.此外,还从激光热输入、粉末颗粒与熔池热过程等角度分析了3种不同建造角度的目标表面上不同表面特征在变化的工艺参数下的转变规律,解释了工艺参数的影响规律并提出有助于获得更优表面成形质量的参数组合策略.

接头性能差异对Zr-Sn-Nb合金电子束焊接头残余应力的影响

为了提升Zr-Sn-Nb合金电子束焊残余应力计算精度,对Zr-Sn-Nb合金及焊接接头热物性参数与力学性能进行测量,研究接头性能差异对电子束焊接头残余应力影响规律,建立了电子束焊复合热源模型,采用热弹塑性有限元方法对4.45mm厚Zr-Sn-Nb合金电子束焊应力进行数值模拟,并进行焊缝形貌验证.结果表明,考虑焊缝与母材属性差异时,试板上表面焊缝及热影响区区域的横向残余应力峰值高于二者属性相同时的模拟结果,峰值分别为319 MPa和296 MPa,进一步考虑热影响区属性与母材及焊缝差异对接头残余应力影响不大,峰值纵向应力为318 MPa.

面向叶片损伤修复的机器人电弧熔丝沉积工艺研究

电弧熔丝沉积修复薄壁变宽度叶片时,控制尖角处熔塌和确保各层等高是一大技术难题。本文面向整体叶盘叶片损伤修复工艺技术需求,通过设计TC4钛合金叶片模拟件,进行机器人操作钨极气体保护电弧(Gas tungsten arc,GTA)熔丝沉积工艺技术研究。提出一种控形拘束片控制尖角处熔塌及沉积成形的方法。针对界面上散热条件的不同,结合脉冲电流工艺精确调控热输入分布,实现了首层至前5层沉积宽度及高度一致性良好的成形。此时沉积层成形宽度均匀,上表面高度波动范围在±0.12 mm。随后结合恒定工艺参数进行了40层沉积,沉积区壁厚控制精度为±0.17 mm,各层上表面成形基本平整。模拟修复件组织细小均匀,平均极限抗拉强度和伸长率分别达到基体的92.5%和94.7%,为叶片高精度修复奠定了工艺基础。

残余应力对GH3230层板焊缝热疲劳寿命影响规律研究

为了探究残余应力对层板冷却结构焊缝服役寿命的影响规律,首先对GH3230层板在常规条件下的激光焊接过程进行有限元模拟与实验验证,然后在此基础上对预拉伸、温差拉伸等焊接残余应力调控方法开展模拟。基于焊后残余应力模拟结果研究了层板服役过程的温度及等效应力变化规律,并将多个模型之间不同残余应力下服役状态进行对比分析,最后利用Morrow修正的Coffin-Manson方程对焊缝后续服役寿命进行评估。研究结果表明,焊接残余应力的存在大幅降低了层板结构焊缝区域热疲劳寿命,通过残余应力调控技术可有效改善焊缝区域服役过程中的应力幅或平均应力,使其分别下降70%与25%,焊接残余应力调控对提高层板结构热疲劳寿命具有重要意义。

银纳米线透明导电薄膜仿真研究现状

银纳米线薄膜作为新型柔性透明导电薄膜,具有导电性能好、透光率高、成本低和柔性良好等优点。本文从电学、力学和光学三个方面介绍了银纳米线薄膜的仿真原理、仿真工具及发展现状。目前,银纳米线薄膜的电学性能仿真已研究得比较完善,能够从微观到宏观尺度建立精确的模型,常用的节点主导假设(JDA)模型、多节点表示(MNR)模型能够较好地模拟、预测银纳米线薄膜的方阻。银纳米线薄膜力学仿真尚未能建立起完美的宏观模型,只能通过分子动力学方法等对单根或多根银纳米线之间的力学性能进行仿真模拟。银纳米线薄膜的光学性能的仿真主要依靠时域有限差分方法来模拟光与材料的相互作用,依靠该方法能够模拟少量银纳米线的光学性能,并且目前已有建立大型复杂银纳米线薄膜光学模型的尝试。此外,多物理场耦合且能够反映整个银纳米线薄膜的光-电-热-力综合性能的仿真模型仍未建立,未来研究者们还需于此继续深耕。

无凸点混合键合三维集成技术研究进展

数字经济时代,高密度、低延迟、多功能的芯片是推动人工智能、大模型训练、物联网等高算力需求与应用落地的基石。引线键合以及钎料凸点的倒装焊存在大寄生电容、高功耗、大尺寸等问题,使传统封装难以满足窄节距、低功耗、小尺寸的应用场景。无凸点混合键合技术能够实现极窄节距的互连,在有效避免倒装焊凸点之间桥连短路的同时降低了寄生电容,减小了封装尺寸和功耗,满足了高性能计算对高带宽、多功能的要求。对无凸点混合键合技术所采用的材料、键合工艺与方法以及当前在三维集成中的应用展开介绍,并对其发展趋势进行了展望。