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。

铝合金表面激光沉积AlCrFeCoNiCu高熵合金组织与工艺优化

为了提高铝合金表面的力学性能,利用同轴送粉器将高纯度的Cr,Fe,Co,Ni,Cu粉末激光沉积在铝合金表面,制备了AlCrFeCoNiCu高熵合金涂层。以激光功率、扫描速度、送粉率为因子,以润湿角、稀释率为响应,综合田口分析与逼近理想值分析(TOPSIS)对激光沉积工艺参数进行多目标优化。利用XRD、SEM和EDS技术分析了涂层的相结构、微观组织和元素含量,并对涂层进行了显微硬度测试。采用优化后的工艺参数进行实验验证,最优值接近度C_i~*由0.538 9增加到0.567 4,提高了5.28%,最佳工艺参数为激光功率1 300 W,扫描速度120mm/min,送粉率5.4g/min。沉积层为FCC和BCC相结构;显微组织包括柱状晶、等轴晶,在枝晶间出现Cu偏析;涂层的平均硬度为509HV_(0.2),是基材的5倍。结果表明:综合利用田口分析和TOPSIS的方法可有效优化铝合金表面激光沉积高熵合金的工艺参数,AlCrFeCoNiCu高熵合金涂层可以显著改善铝合金表面的力学性能。

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。

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。

铝合金表面激光沉积Al0.8FeCoNiCrCux高熵合金组织与耐蚀性能

为增强5XXX系铝合金表面的耐蚀性能,利用脉冲激光沉积技术制备了Al0.8FeCoNiCrCux高熵合金(HEA)涂层。利用XRD,SEM和电化学工作站分析了Al0.8FeCoNiCrCux高熵合金的相结构、微观组织和耐腐蚀性能。结果表明随着Cu含量增加,合金的相结构由BCC1和BCC2相转变为BCC1,BCC2和FCC相;当=0时,Al0.8FeCoNiCrCux涂层沿晶间出现裂纹,x=0.25时,涂层裂纹消失,并且在晶间出现了浅色组织,随着x增加,浅色组织由点状分布转变为连续生长;Al0.8FeCoNiCrCux(x=0.25,0.5,0.75,1.0)高熵合金涂层耐蚀性随Cu增加而降低,Al0.8FeCoNiCrCu0.25的腐蚀电流密为7.94×10^-8 A/cm^2,仅为基材的0.17%,腐蚀形式为点蚀,当x增加至1时,腐蚀电流密度增至8.21×10^-7 A/cm^2,为基材的1.99%,腐蚀形式转变为晶间腐蚀,但仍优于基材。显然,当0.25≤x≤1时,采用Al0.8FeCoNiCrCux涂层可显著改善铝合金的耐腐蚀性能。同时,其具有的高熵效应可抑制涂层中由基材的稀释行为引起的金属间化合物形成,解决了传统涂层材料应用在铝合金表面易产生裂纹的问题。

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。

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。