金属微喷熔滴沉积成型工艺数值模拟

采用半隐式压力关联算法,通过引进VOF函数和分段线性界面结构（PLIC）构建自由曲面,建立了微喷金属熔滴流动和传热数值模型,模拟了7075铝合金熔滴成形过程中撞击速度、熔滴间距、基板温度和熔滴尺寸等工艺参数对成形形貌的影响规律,并对模拟结果进行了实验验证。结果表明：确定合理的撞击速度和熔滴间距是获得好成形精度和质量的关键,熔滴直径为100μm,间距为200μm的7075铝合金熔滴在初始温度为350K的不锈钢基板上以1.5m/s的初速度沉积成形时,可获得较好的成形效果。模拟结果与试验结果基本吻合,较好反映了实际成形过程中熔滴撞击、铺展和固化行为,为该工艺的实际应用提供了参考依据。     

金属微喷熔滴沉积成形工艺数值模拟与验证

采用半隐式压力关联算法,通过引进VOF函数和分段线性界面结构(PLIC)构建自由曲面,建立了微喷金属熔滴流动和传热数值模型,模拟了7075铝合金熔滴成形过程中撞击速度、熔滴间距、基板温度和熔滴尺寸等工艺参数对成形形貌的影响规律,并对模拟结果进行了实验验证。结果表明:确定合理的撞击速度和熔滴间距是获得好成形精度和质量的关键,熔滴直径为100μm,间距为200μm的7075铝合金熔滴在初始温度为350 K的不锈钢基板上以1.5 m/s的初速度沉积成形时,可获得较好的成形效果。模拟结果与试验结果基本吻合,较好反映了实际成形过程中熔滴撞击、铺展和固化行为,为该工艺的实际应用提供了参考依据。     

金属熔滴连续沉积、凝固重叠工艺及实验验证（英文）

系统研究了铝熔滴连续沉积到基板表面的瞬态传热传质现象,采用流体体积法(VOF)对连续沉积的金属熔滴在水平固定铝基板表面沉积进行3D建模。针对凝固传热过程中不同参数下熔滴在铝基板表面沉积、凝固进行了研究,通过数值计算与实验验证,各种工艺参数的影响,如喷射速度、基板温度、熔滴直径与碰撞最大铺展因子的影响,显示了很好的一致性。基于上述研究,成形形貌和内部微观结构之间的定量关系进一步验证了金属熔滴连续沉积、凝固重叠工艺的可行性。此工艺为金属微沉积制造实施有效的过程控制提供指导。     

金属熔滴连续沉积、凝固重叠工艺及实验验证

金属熔滴均匀连续沉积是一种新型的3D打印技术和快速原型(RP)技术。本文系统研究了铝熔滴连续沉积到基板表面的瞬态传热传质现象,沉积机理主要包括金属熔体的毛细现象及固液界面的传热、凝固、搭接和重熔。采用VOF方法对连续沉积的金属熔滴在水平固定铝基板表面沉积进行3D建模。针对凝固传热过程中不同参数下熔滴在铝基板表面沉积、凝固进行了研究,通过数值计算与实验验证,各种工艺参数的影响,如喷射速度、基板温度、熔滴直径与碰撞最大铺展因子的影响,显示了很好的一致性。基于上述研究,成形形貌和内部微观结构之间的定量关系进一步验证了金属熔滴连续沉积、凝固重叠工艺的可行性。此工艺为金属微沉积制造实施有效的过程控制提供指导。     

金属熔滴碰撞、铺张数值分析（英文）

基于金属熔滴沉积成形的3D打印技术,金属熔滴沉积成形质量与金属熔滴及基板参数有很大关系。对金属铝熔滴在不同参数下(比如:熔滴直径、滴落速度、比热、导热系数、潜热以及基板温度等)凝固过程中的最大铺展因子关系进行了研究。采用VOF对自由表面进行追踪的方法,建立包括对流和相变的计算方程和能量方程的仿真模型,耦合水平集函数,跟踪熔融粒子与周围空气之间的接口,获得的最大传播因子之间的关系,与在文献中出现的实验数据吻合。     

熔滴在基板上的铺展及凝固过程的三维数值模拟分析

对于基于熔滴沉积的3D打印成形再制造技术,熔滴在基体上的动态铺展过程及伴随此过程中的温度变化情况直接影响到成形形貌及质量。基于有限体积数值模拟方法,建立了熔滴在基板上铺展及凝固过程的三维数值分析模型。采用流体体积比函数(VOF)法追踪熔滴自由界面的动态变化过程,用焓-多孔介质法处理熔滴凝固相变问题,用连续表面张力模型将表面张力处理为体积力源项。利用所建立的模型,计算分析了单个高温熔滴在基板上的碰撞中熔滴自由界面及温度的动态变化过程,以及熔滴凝固后的最终形态。通过比较熔滴界面动态变化过程的模拟计算结果与试验结果,证实所建立的模型是可靠的。     

金属熔滴碰撞、铺张数值分析

基于金属熔滴沉积成形的3D打印技术,其成形质量与金属熔滴及基板参数有很大关系。本文对金属铝熔滴在不同参数下,比如：熔滴直径、滴落速度、比热、导热系数、潜热以及基板温度等,其凝固过程中的最大铺展因子关系进行了研究。采用VOF对自由表面进行追踪的方法,建立包括对流和相变的计算方程和能量方程的仿真模型,耦合水平集函数,跟踪熔融粒子与周围空气之间的接口,获得的最大传播因子之间的关系,与在文献中出现的实验数据吻合。     

电火花沉积熔滴过渡过程材料流动规律仿真研究

电火花沉积材料的过渡形式、过渡形态、结合过程等对沉积的效率、稳定性及沉积层质量有重要影响.为了探究电火花沉积的熔滴转移过程,建立了电火花沉积两极间熔滴过渡的仿真模型,模拟了电极表面熔融液滴变形及脱落的过渡过程,分析了过渡过程中熔滴的形态变化、压力分布及流动趋势.结果表明:熔融电极材料在重力、表面张力及等离子流力的作用下...     

不同工艺参数对金属熔滴沉积成形影响

采用数值计算与试验分析相结合的方法,深入研究了不同工艺参数(沉积距离、扫描速度、熔体温度、基板温度、喷嘴直径等),单颗金属熔滴的沉积、铺展变化,验证了当前模型的正确性.通过对单颗金属熔滴沉积行为的研究,建立了单道/多道水平搭接成形数值计算模型,探索了金属熔滴在小空间、大温度梯度环境下沉积成形中熔体流动、铺展、凝固成形机理,结果表明,在典型特征截面上搭接成形时,通过优化工艺参数,可以获得熔滴沉积中的主要特征因素与成形形貌、内部质量之间的影响规律,为后续复杂金属件的熔滴液流沉积成形提供了技术支持和参考依据.     

GMAW焊接熔滴过渡过程的模拟研究

以流体力学、电磁理论为基础,通过VOF方法对熔滴进行界面追踪,考虑熔滴拖拽力、表面张力,建立了GMAW熔滴过渡行为的数学物理模型。通过FLUENT软件结合udf(user-defined functions)程序对低碳钢焊接过程的熔滴过渡过程进行了模拟。结果显示:模拟的熔滴脱落时间、长度和半径与试验结果吻合较好;电流密度越大,熔滴过渡时间越短,熔滴尺寸越小。熔滴滴落过程的速度矢量结果表明,熔滴涡环的出现及湮灭与合力和粘性耗散有关。     

铝合金变极性等离子弧穿孔横焊焊缝成形规律分析

以穿孔等离子弧焊接过程中形成的穿孔熔池为研究对象,根据熔池热源形态的特点,采用数值模拟与试验相结合的手段研究横焊位置下的铝合金变极性等离子弧焊缝成形.由于焊接速度波动和工件厚度的影响,体热源作用下的穿孔熔池背面存在最高温度点和最大熔宽截面相背离的现象;因此通过对穿孔熔池背面进行分区和定义,提出温宽偏离度概念,即熔池背面最高温度点和最大熔宽截面的偏离程度,用以描述穿孔熔池状态及焊缝成形;通过调节焊枪角度来改变焊接过程中的温宽偏离度,在其它参数不变的情况下减轻重力在焊接过程中对焊缝成形的影响,实现变极性等离子弧穿孔焊接在横焊位置上的良好成形.     

A study on consumable aided tungsten indirect arc welding

A consumable aided tungsten indirect arc welding method has been studied. This method is different from the traditional TIG welding because it introduces an MIG welding torch into the traditional TIG welding system. An indirect arc is generated between the consumable electrode of the MIG welding torch and the tungsten electrode of the TIG welding torch, but not generated between the tungsten electrode of the welding torch and the base metal. Welding current flows from the consumable electrode to the tungsten electrode in the free-burning indirect arc. The consumable aided tungsten indirect arc welding not only rapidly melts the welding wire but also effectively restrains the excessive fusion of the base metal. The welding experiment and the theoretical analysis confirm that this method can obtain a high deposition rate and a low dilution ratio during the welding process.     

等离子喷涂熔滴快速撞击基体非稳态凝固行为研究进展

涂层成形过程中的缺陷含量、残余应力、沉积效率、组织结构及力学性能等指标均会随着工艺参数与基体预处理状态的不同而发生显著变化,因而需要从更加微观的角度深入理解等离子喷涂涂层的微观构筑过程,即单个熔滴的铺展凝固现象。本研究分别从熔滴凝固的类型与机理、不同因素对熔滴凝固过程的影响及凝固斑点形态的定量表征方法 3个方面详细综述了等离子喷涂熔滴撞击基体快速凝固过程的研究现状。结果表明,熔滴的铺展形态主要可以分为5类,包括圆盘型、破碎型、放射型、花瓣型及气泡型,影响铺展过程的因素主要包括熔滴特性(速度、温度、粒径、材料属性、熔化状态等)与基体状态(表面粗糙形貌、表面化学状态、吸附物及冷凝物、界面润湿性及接触热阻等)2大类,综合采用一系列参数对熔滴铺展几何形态进行表征,可实现熔滴沉积质量的定量评价。     

等离子弧-MIG焊丝振荡式复合焊接工艺

针对现有的等离子弧-MIG复合焊接过程中的双弧排斥问题,基于MIG焊丝位移规律性改变提出了一种新型的MIG焊丝振荡与等离子弧共熔池的复合焊接工艺.通过调节MIG焊丝电机转速(振荡频率)和振荡振幅进行了焊接工艺试验.结果表明,随着电机转速(振荡频率0～41 Hz)的增加,等离子弧与MIG电弧排斥减弱,耦合趋势增大.尤其是电机转速为2 000 r/min(振荡频率33 Hz)时,共熔池复合焊接效果较好;MIG焊炬振荡振幅为1 mm时,电弧形状最为稳定,但振荡频率和振荡振幅过大均不利于焊接过程稳定性;MIG焊炬振荡提高了熔滴过渡频率,使焊丝尖部呈现小熔滴过渡,减小了焊接飞溅.对接试验力学性能测试表明,抗拉强度、抗弯强度均随振荡频率的提高呈现先增大后减小趋势,分析认为MIG焊炬振荡具有一定搅拌熔池的作用,有效提高了焊接接头的力学性能.     

基于金属液滴水平重叠沉积工艺对表面形貌和内部质量优化研究

在铝熔滴在铝基板上沉积、凝固过程中,研究了不同工艺参数下的对成形表面形貌和内部质量的影响规律。通过对单一金属液滴沉积行为研究,建立了横向搭接沉积数值模型,并对两个,三个,四个熔融液滴重叠形态的进化和温度变化过程进行分析和实验验证。实验表明：数值模拟与实验结果有良好的一致性,从而得到了最优参数。该研究对实现金属微液滴重叠沉积生产的有效过程控制至关重要,为液滴水平重叠沉积复杂金属提供了技术支持和参考。     

金属液滴垂直搭接成形工艺研究

通过研究铝合金熔滴的垂直搭接过程中不同工艺参数下的对成形表面形貌和内部质量的影响规律。通过对单一金属液滴沉积行为研究,建立了垂直搭接沉积数值模型,并对多个熔融液滴垂直重叠形态的进化和温度变化过程进行分析和实验验证。实验表明：数值模拟与实验结果有良好的一致性,从而得到了最优参数。该研究对实现金属微液滴垂直搭接生产的有效过程控制至关重要,为制造复杂金属提供了技术支持和参考。     

脉冲TOPTIG焊熔滴过渡特性分析

TOPTIG焊是一种新型的机器人TIG填丝焊接工艺,具有不同于普通TIG填丝焊的熔滴过渡特性,文中通过搭建TOPTIG焊接试验平台,利用高速摄像和电信号采集系统,对在不同条件下的焊接过程进行高速摄像和电信号的同步采集,从而对TOPTIG焊的熔滴过渡特性进行了研究.结果表明,熔滴与熔池相接触时,由于电磁力的作用使得电弧发生偏转.熔滴过渡只能通过接触熔池的方式来实现,在过渡过程中,熔滴的重力和其与熔池之间的表面张力是促进过渡的主要作用力.电弧峰值电流和送丝速度存在一个合理的匹配区间,并且随着峰值电流的增大,匹配区间缩窄.     

基于高速CCD摄像的短路过渡焊接熔滴检测与分析

建立了基于高速CCD摄像的熔滴图像检测和焊接电流、电弧电压同步采集系统,在给出短路过渡模式下的熔滴尺寸定义并简述基于MATLAB平台的熔滴尺寸与电弧信号分析系统的基础上,对平特性电源短路过渡CO2焊接熔滴尺寸变化特征及其与工艺性能间的关系进行了试验研究.结果表明,熔滴尺寸呈分散性较大的正态分布(1～2倍焊丝直径),过大或过小的熔滴尺寸均不利于短路过渡焊接过程的稳定性.根据熔滴的形成和过渡过程,初步分析了影响熔滴尺寸的主要因素及控制熔滴尺寸的途径,即短路过程结束后焊丝端部的残余液态金属量和燃弧能量的随机性导致了熔滴尺寸的不确定性,对其进行有效控制将提高熔滴尺寸和短路过渡过程的一致性,进而改善短路过渡CO2焊接的工艺性能和焊接质量.     

管道全位置焊接熔池监测试验研究

在管道全位置自动焊接过程中,焊接熔池形态监测对焊接质量控制有重要意义。设计一套熔池监测试验装置,方便采集清晰的熔池图像。运用图像处理技术检测熔池边缘。用熔池长度、熔池宽度以及熔池头部轮廓二项式系数等特征参数重新定义熔池形态。应用正交试验法和极差分析法,研究在仰焊区段焊接电流、电弧电压以及焊枪摆速等因素组合变化时对熔池形态的影响程度。结果表明:采用优化的焊接工艺参数组合,可以获得良好的焊缝成形质量。     

摆动电弧传感的窄坡口GMAW过程系统建模和仿真

为了研究窄坡口对焊接过程的影响规律,根据焊接的能量平衡和熔滴平衡等原理对基于摆动电弧传感的GMAW系统进行数值仿真. 针对焊炬高度的大小随着焊炬在坡口中的摆动不断变化,建立了包括焊炬摆动、电弧长度、电弧非线性负载及弧焊电源-电弧四个子系统的数学模型. 并将此数学模型转换为Matlab/simulink环境下,涵盖整个焊接回路的GMAW系统动态特征仿真模型. 结果表明,当焊接工艺参数相同时,运行系统仿真模型,可以获得和实际焊接试验基本相同的电流、电压波形数据.