不锈钢焊管旋压损伤模型建立及损伤因子修正

针对439不锈钢焊管旋压存在的损伤开裂问题,基于不锈钢焊管旋压加工的特点,建立了Johnson-Cook损伤模型,采用单变量法进行拉伸模拟,确定了损伤因子的范围,分析了损伤因子对拉伸应力-应变的影响,并通过正交模拟和拉伸试验对损伤因子进行了修正。结果表明:损伤因子D_(1)、D_(2)、D_(3)对初始损伤值和最大等效破坏塑性应变值影响较大,损伤因子D_(4)、D_(5)对拉伸损伤的影响不明显。随着损伤因子D_(1)、D_(2)的增加损伤值和应变值逐渐增大,经正交模拟修正后的损伤模型与试验结果具有较高的一致性。

电流/电压匹配对铝合金激光-电弧复合焊接过程稳定性的影响

文中借助HANNOVER电弧分析仪和高速摄像机等设备,对不同电弧电压和焊接电流焊接过程进行实时监测,分析不同电参数对焊缝成形质量的影响;并验证激光的存在对波形的稳定具有一定的作用.结果表明,主辅"双重导电通道"的消失、熔滴过渡方式跳变和焊接飞溅等不确定因素,均会导致电弧电压、电流波形图出现紊乱和尖角.焊缝成形方面,随着电弧电压的增加,熔宽先增大后减少;而熔深则不断上升.而电流增大时,焊缝的熔深熔宽不断增大.因为电弧电压增大,改变了电弧的形态;而电流的增加则改变电弧的受力和能量.

基于Visual-Environment的复杂结构薄壁件激光焊接工艺优化

为了缩短试验周期、节约试验成本、提高试验效率,基于Visual-Environment软件平台,采用3D高斯热源模型对多焊缝复杂结构薄壁件激光焊接过程进行数值模拟计算。复杂结构薄壁件焊缝多达19条,为对接和搭接两种接头形式。首先采用试验与数值模拟计算相结合的方法对典型接头焊缝形貌进行优化。在此基础上,采用热循环曲线法对复杂结构薄壁件的焊接顺序和约束条件进行优化,获得了最优的焊接工艺。研究结果表明,采用3D高斯热源模型,选择合适的热源参数能够获得与实际激光焊接接头形貌较一致的温度场云图。采用优化后的焊接工艺所获得结构件的最大变形量与未优化的相比,由3mm减小至0.5mm以内,满足了实际生产需求。

硬脆钢50SiMnVB激光预控裂纹工艺试验研究

为改善传统裂解槽加工效率低、后续加工困难等问题,采用高功率CO2激光器对硬脆钢50SiMnVB进行激光预控裂纹工艺试验。采用金相显微镜、扫描电镜以及显微硬度测试仪等设备,对激光深熔区的微观组织形貌、裂纹断口形貌以及显微硬度分布进行了测试分析。利用数值模拟软件SYSWELD对50SiMnVB钢激光深熔处理过程的温度场和应力场分布进行模拟分析。结果表明:由于深熔过程受温度梯度和应力梯度的影响,深熔区产生淬硬脆化裂纹;其开裂机理为深熔区底部出现气孔和微裂纹,裂纹再沿中心向上扩展形成宏观裂纹;经工艺试验与模拟仿真对比后得出最优工艺参数范围,即激光功率为3. 0 kW,扫描速度范围为1. 0～4. 5 m/min,所对应的预制裂纹深度范围约为3～7 mm.

保护气体对高氮钢焊接熔滴过渡模式和气孔缺陷的影响研究

采用激光-电弧复合热源对8 mm厚的高氮钢板进行焊接试验,研究不同保护气体组成对焊缝形貌、熔滴过渡特征和气孔缺陷的影响。结果表明,采用纯氩做保护气体时,熔滴过渡模式以射流过渡为主,并伴有少量排斥过渡;保护气体成分为Ar+N_2混合气体时,熔滴过渡模式为短路过渡;保护气体成分为Ar+N_2+O_2混合气体时,熔滴过渡模式为射流过渡。保护气体的组成对焊缝气孔缺陷也存在一定的影响,保护气体为纯氩时,焊缝气孔率最大,其值为2.52%;保护气体为90%Ar+10%N_2时,气孔率最低,仅为0.16%;Ar+N_2中添加1%的O_2后,气孔率略有升高,但与纯氩时相比,气孔率仍下降明显。采用Ar+N_2+O_2三元混合气作为保护气体时,能够有效抑制焊缝内气孔数量,同时可以改善熔滴过渡模式,提高焊接过程稳定性。

离焦量对高强钢激光填丝焊熔滴过渡特性的影响

为了研究离焦量对激光填丝焊熔滴过渡及相关特征的影响,获得稳定过渡模式,借助高速摄像系统观察了不同离焦量下的熔滴过渡行为,并将其分为液桥过渡、混合过渡和滴状过渡3种类型进行了分析。结果表明,离焦量为-1mm和+3mm时的液桥过渡模式可以保证焊接过程的稳定性,获得的焊缝质量良好,焊缝截面无气孔等缺陷;而离焦量为+5mm时的过渡模式为滴状过渡,此时焊接稳定性最差,焊接过程中匙孔会完全闭合,焊缝表面成形不规则,焊缝截面底部出现大的气孔。该研究结果对实际生产有指导作用。

高氮钢复合焊接接头氮含量和气孔控制方法研究

为解决高氮钢熔焊过程中出现的气孔和氮损失问题,采用激光-电弧复合焊接技术对高氮钢进行焊接试验。研究了保护气体成分、焊丝成分和超声振动对焊接接头气孔率和氮含量的影响。结果表明:当保护气体为Ar+N2时,随着保护气体中N2比例的增大,焊缝氮含量升高,气孔率呈先降低、后升高的趋势;当向Ar+N2中添加2%的O2后,氮含量和气孔率明显升高,且随着N2比例的增大,焊缝氮含量增多,但气孔率呈无规律变化;随着焊丝氮含量的增加,焊缝氮含量呈先升高、后降低趋势,气孔率呈先降低、后升高趋势;随着超声功率的增加,焊缝氮含量略有降低,气孔率呈先降低、后升高趋势;适当的保护气体和焊丝成分可提高焊缝氮含量的同时并能够抑制焊缝气孔形成,超声功率为180 W时抑制气孔效果最好。

铝合金表面激光沉积AlCrFeCoNiCu涂层的组织及耐蚀性能

为了提高铝合金表面的力学和耐腐蚀性能,利用激光沉积技术在铝合金表面制备了AlCrFeCoNiCu高熵合金涂层。使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、显微硬度计和电化学工作站,研究了涂层的相结构、微观组织、元素分布、硬度及耐腐蚀性能。结果表明,涂层与基材结合良好,基材中Al元素在熔池搅拌作用下上浮,使沉积层呈FCC相和BCC相;显微组织为典型的枝晶结构,Cu元素在枝晶间富集;涂层平均显微硬度为528HV_(0.2),约是基材的5倍;AlCrFeCoNiCu涂层在3.5% NaCl溶液中的腐蚀特征为点蚀和晶间腐蚀,耐腐蚀性优于基材。激光沉积制备的AlCrFeCoNiCu高熵合金可以改善铝合金表面性能。

磁场辅助激光沉积涂层微观组织与性能研究

为了改善激光沉积过程中,涂层出现气孔、裂纹与基材结合不良等缺陷,采用旋转磁场辅助激光沉积的方法,在304奥氏体不锈钢制备了Fe106+镍包碳化钨(质量分数为0.05)复合涂层。借助扫描电子显微镜、X射线衍射仪、激光共聚焦扫描显微镜等表征手段进行了组织结构和物相分析,通过硬度计、摩擦磨损试验机对其耐磨性进行测定。结果表明,旋转磁场可以抑制熔池流动,促进了涂层组织细晶强化和匀质效应;磁场强度为70mT时涂层显微硬度是无磁场涂层的1.16倍;相同的磨损条件下,磁场强度为70mT的涂层比无磁场涂层失重降低了64.2%,耐磨性得到明显改善。利用磁场辅助激光沉积对改善激光沉积缺陷是有帮助的。

基于增材制造的激光焊接保护喷嘴设计

针对钛合金等化学活性强的金属焊接易氧化,导致焊接质量严重下降的问题。以钛合金激光焊接试验保护装置为研究对象,以获得良好焊接保护效果为目的,设计了一种双层同轴激光焊接保护喷嘴。运用Fluent流场仿真软件对双层同轴保护喷嘴的内外层壁面结构、外层保护喷嘴进气口数量、进气口角度、出气口处有无螺旋结构以及保护气流量等参数进行了仿真优化,通过对比保护区域气流的保护效果,获得了最终的保护喷嘴结构。采用增材制造技术对优化后的保护喷嘴进行了加工制造,通过改变内外层喷嘴保护气体的流量对所设计的激光焊接保护喷嘴进行了钛合金激光焊接试验验证,并与旁轴喷嘴的保护情况进行对比。结果表明:具有弧型内外壁面结构、4个45°进气口以及出口处有倾角为30°螺旋结构的保护喷嘴,仅对内层喷嘴通入保护气体时,保护范围有限,焊缝颜色为深黄色,氧化污染严重。随着外层保护气体流量的不断增加,焊缝颜色变为黄色、银白色、蓝色。在内外层保护气体流量分别通入为10 L/min和20 L/min时焊接保护效果最好。且保护效果不受焊接方向变化的影响,能够对工件形成良好的气体保护环境。

激光粉末床熔融增材制造未熔合气孔缺陷形成机理研究

目前,基于激光粉末床熔融(LPBF)增材制造的成形件会不可避免地存在一定程度的气孔缺陷,为探究该缺陷的形成机理,以AlSi10Mg为研究对象,采用离散元法(DEM)和计算流体力学(CFD)对激光增材制造过程中单层和多层成形的熔池流场进行了数值模拟。通过调节激光功率和扫描间距,分析了加工参数对LPBF单道、多道和多层缺陷的影响机制。结果表明:低功率时,熔道易产生球化、扭曲、气孔等缺陷,而高功率时飞溅现象加剧;对于多道成形,扫描间距过大会使搭接区形成气孔缺陷,扫描间距过小将加剧积热效应。对于层间转角为67°、采用棋盘格扫描策略的多层打印,单棋盘格熔道两端的高度不同和道间沟壑是影响铺粉表面粗糙度的主要因素,凹凸不平的铺粉表面会影响铺粉层的厚度均一性,在激光能量不足时导致层间产生气孔,进而影响层间结合质量;适宜的能量输入有助于形成粗糙度小的铺粉平面和足够的熔深,减少层间气孔缺陷。

激光-电弧复合焊过程的熔滴过渡特征与受力分析

利用高速相机对高氮钢激光-电弧复合焊接过程的熔滴过渡、熔滴形态、等离子体形态进行采集与分析。采用图像处理与数学计算相结合的方法给出熔滴在电弧空间飞行时的受力大小和加速度。初步计算激光产生的金属蒸气对熔滴的反冲力的大小和分布。结果表明:熔滴呈现颗粒过渡的临界焊接电流为180 A附近;熔滴呈现射滴过渡的临界焊接电流200 A附近。激光的加入对电弧具有明显的压缩作用,在熔池表面这种压缩作用更为剧烈。通过观测和计算给出电弧焊和激光-电弧复合焊时熔滴刚脱离焊丝的加速度分别达到70 m/s^2和50 m/s^2。在实际复合焊接过程中,当熔滴落入熔池位置与激光匙孔间距为3 mm时,从激光匙孔喷发的金属蒸气对熔滴的反冲力非常小。激光的加入主要改变了电弧形态,近而改变熔滴上下表面的压力差,使得熔滴在接近熔池表面发生合并和过渡频率减慢。

激光—电弧复合焊不同引导方式对其焊接成形质量的影响研究

为了研究激光-电弧复合焊不同引导方式对铝合金焊接成形质量的影响,采用YAG激光-MIG电弧复合热源对10mm厚5083铝合金板进行平板堆焊试验,并采用HANNOVER电弧分析仪、高速摄像机、金相显微镜等设备研究不同引导方式下焊缝宏观组织和微观组织的影响。研究表明,不同引导方式对焊缝成形有较大影响。电弧引导激光焊接(Arc-laser hybrid welding leading,AL)时,激光与电弧两热源的耦合效果好,焊缝截面成型良好,为典型的"蘑菇"状;激光引导电弧焊接(Laser-Arc hybrid welding leading,LL)激光电弧作用区主要为等轴细晶粒,AL为明显的等轴树枝晶和细小的等轴晶粒。同时二者接头焊缝中心硬度值均略低于焊缝中心到熔合线之间的硬度值。LL焊接较AL时熔池振荡严重,熔滴易呈爆炸倾向过渡。

超声振动对高氮钢激光-电弧复合焊接接头组织与性能的影响研究

为解决高氮钢熔焊过程中由于气孔缺陷以及氮流失所引起的接头力学性能下降的问题,针对6.5 mm厚的高氮钢板开展了超声辅助激光-电弧复合焊接研究。通过对不同超声功率条件下所获得的接头组织和性能分析发现:熔池中超声能量的导入使其流动状态发生了改变,提高焊缝的熔合比,但过高的超声功率会导致焊缝表面质量的恶化;超声的空化作用使得气孔缺陷随超声功率的增加呈现先减少后增加的趋势,但超声振动的加入对焊缝氮含量的影响并不显著;超声振动可以抑制粗大树枝晶的生长,改变晶粒生长取向,细化组织,显著地提高了柱状晶区的显微硬度;随着超声功率的增加,焊缝抗拉强度和冲击韧度均呈现先升后降的趋势;拉伸强度受气孔和组织的共同影响,而晶粒细化可以改善焊接接头的断裂方式,提高焊缝韧性。与未加入超声振动时相比,当施加的超声功率为160 W时,焊缝中气孔显著减少,晶粒得到了细化,使得拉伸强度提高了3.97%,冲击韧度提高了10.8%。

高氮钢激光-电弧复合焊接熔池表面流动行为

焊接熔池流动行为是影响焊缝成形和接头质量的关键因素之一,其特征难以直接获取。试验采用ZrO_2颗粒作为示踪粒子,利用高速相机观察示踪粒子运动轨迹,开展高氮钢激光-电弧复合热源焊接熔池表面流动行为的研究。研究结果表明:单独激光焊接时,其熔池的流动主要受匙孔尺寸变化的影响;单独电弧焊接时,其熔池的流动则主要受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响;而激光-电弧复合焊接时,其熔池的流动既受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响,同时,匙孔的存在也会影响其熔池的流动。在激光-电弧复合焊接过程中,示踪粒子的直线移动距离随着焊接电流和电弧电压的增加而增加;而激光功率的改变对其直线移动距离的影响并不显著。研究结果揭示了不同焊接工艺及其参数对高氮钢焊接熔池表面流动行为的影响规律,为高氮钢焊接工艺的选择提供了理论依据。

磁场辅助激光沉积复合涂层的微观组织与性能

采用激光沉积技术,在304不锈钢表面制备了Fe106+5%Ni/WC复合涂层,研究了不同磁场转速下涂层的宏观形貌、微观组织、显微硬度及摩擦磨损性能的变化。结果表明,当磁感应强度为70 mT,磁场转速为100～400 r·min^(-1)时,旋转磁场对沉积层表面粗糙度影响较小;当磁场转速继续增大时,沉积层表面粗糙度逐渐减小,熔宽逐渐增大,润湿角逐渐减小,表面质量明显提升。随着磁场转速的增大,沉积层的显微硬度逐渐增大。当磁场转速为600 r·min^(-1)时,沉积层的平均显微硬度达到825 HV,约为无磁场沉积层的1.178倍;同时,沉积层的磨损质量逐渐减小,最小磨损平均失重仅为2.2 mg,比无磁场沉积层的耐磨性提高了1.33倍。

不锈钢激光选区熔化成形效率与质量协同优化

在激光选区熔化(SLM)过程中,为了让零件拥有更好的成形质量,一般采用小层厚来进行打印,然而这会导致生产效率降低,不利于商业应用。为了解决激光选区熔化好的成形质量与高的生产效率相互矛盾的问题,通过优化工艺参数制备了不同铺粉厚度条件下的316L不锈钢试件。研究了不同铺粉厚度条件下工艺参数对致密度、粗糙度、力学性能和显微组织等的影响规律。对比三种铺粉厚度(30μm、45μm、60μm)的成形情况可以发现:在优化后的工艺窗口条件下,铺粉厚度对SLM试样致密度的影响较小,不同铺粉厚度下致密度均能达到99.90%以上,且显微组织均未见明显缺陷。铺粉厚度主要影响试样的尺寸精度、表面粗糙度和力学性能。随着铺粉厚度的增加,尺寸精度和粗糙度不断下降,抗拉强度逐渐提高,60μm铺粉厚度较30μm铺粉厚度成形效率提高了35.71%。

冷却速率对激光热处理球墨铸铁中硬化层的影响

以冷却速率为切入点,研究激光热处理球墨铸铁过程中,不同冷却速率、功率密度和交互时间对球墨铸铁硬化层的影响。通过理论计算,利用不同的功率密度和交互时间获得了不同的冷却速率分布,对QT600-3球墨铸铁进行激光表面热处理。结果表明,在激光加工过程中各组参数表面温度在1 500~2 500℃,并且实际冷却速率与理论计算相比误差在6%左右,各组硬化层中都能出现熔凝区,但深度、硬度和晶粒分布均有不同。各组深度变化由0.5~0.8 mm,显微硬度变化由800~1 100 HV0.1,晶粒由混乱粗大到均匀细小。熔凝区显微组织和硬度值受冷却速率影响最大,其他区域由于离表面的距离较大,各组冷却速率均大幅缩减,趋于一致,所以硬度变化并不明显。硬化层深度与冷却速率呈正比关系,随冷却速率不断增加而逐渐加大,在保证激光能量密度相同的前提下,功率密度较交互时间对硬度层深度影响更大。