中空激光光内送粉熔覆技术的熔池流场与温度场模拟

基于中空激光光内同轴送粉的激光快速成形工艺．对光粉耦合原理进行了分析。光内同轴送粉成形过程中,粉流稳定易控,光粉耦合性好。且金属粉末的有效利用率远高于传统光外送粉工艺。通过改变占空比和离焦量,得出两者分别对能量分布密度的影响．为工艺试验参数的选择提供依据。运用ANSYS有限元分析软件,对环形中空激光熔池三维流场和温度场进行了分析。环形中空光内熔池具有两对四环对流特点。随着熔覆层高度的增加。基板和熔池的温度会越来越高：激光束在基板和熔覆层表面经过的距离越长．温度场也发生明显变化．时间越长．温度越高。     

选区激光熔化成形过程监测技术研究进展EI北大核心CSCD

选区激光熔化(SLM)作为现代工业构件制造的一种主流技术,广泛应用于汽车、航空航天及医学等领域,对SLM工艺的监测及闭环控制方式进行系统梳理变得极为重要。针对SLM技术原理及熔池变化,从SLM成形过程中的熔池温度和形貌特征综述选区激光熔化监测技术发展进程及不足,分析闭环反馈技术的研究现状。研究表明:SLM加工过程中熔池的变化状态是影响成形件质量的重要因素,通过光信号、声信号或多信号传感器可对熔池状态进行有效监测,而闭环控制需要算法分析、机器学习及传感器的协同配合才能实现实时反馈及控制。根据当前监测技术的实时性较差及系统反馈控制不够完善等问题,提出未来智能监测技术与实时闭环控制等发展方向,可为未来SLM成形高质量零件提供参考借鉴。     

镁合金低脉冲激光-气体混合焊的熔池形貌演变和多级调控

利用基于COMSOL Multiphysics的脉冲激光-气体钨极电弧（GTA）混合焊接新型双热源模型,分析了焊缝沿线选定点的温度分布,研究了激光脉冲参数和电弧电流对熔池形貌的影响。工艺参数对熔池深度的影响由大到小为：激光激励电流>电弧电流>激光脉冲宽度>激光脉冲频率;工艺参数对熔池宽度的影响由大到小为：电弧电流>激光脉冲宽度或激光激励电流>激光脉冲频率。在此基础上,构建了激光诱导电弧焊接镁合金熔池形貌数据库体系,通过复合热源参数的分级调控,以实现对熔池形貌的精准控制。利用T形焊接熔池来验证熔池形貌的调控效果,结果表明控形的准确度高至95.1%。     

宽带激光熔覆非晶合金涂层界面组织结构

目的提高材料的表面性能和开拓非晶涂层的应用。方法将Fe-Cr-Si-P非晶态合金粉末预涂覆于304L不锈钢基材表面,采用宽带激光熔覆技术制备非晶涂层。通过光学显微镜和扫描电镜分析涂层的微观组织结构和界面组织特征。采用FLUENT软件建立宽带激光熔覆的流场模型,并模拟激光熔池内的流场分布。结果涂层组织具有明显的分层结构,涂层界面区为平面晶和外延树枝晶,涂层中部区域为大面积非晶区,涂层表面为等轴树枝晶,且界面外延生长层的高度随激光扫描速度的增大而减小。激光熔池的流动为对流机制,熔体流动速度在熔池中部出现了低谷,最大速度出现在熔池表面,在熔池下部流体也会出现一个速度峰值。峰值距熔池底端的距离随着扫描速度的增加而减小。结论宽带激光熔覆的Fe-Cr-Si-P涂层由非晶和树枝晶结晶相组成,涂层组织为分层结构。熔池底部峰值距熔池底端的距离随着扫描速度的增加而减小,且与外延生长层厚度的实测距离基本吻合。建立了激光工艺参数与外延生长层厚度的关系模型,为宽带激光熔覆大面积非晶涂层的可控制备提供了理论依据。     

激光熔覆熔池检测控制技术的研究进展

激光熔覆是近年来蓬勃发展的新型制造技术,很多研究试图从激光熔池的检测入手来提高激光熔覆工艺的自动化程度,进而提高生产效率。针对同步送粉激光熔覆工艺中熔池检测控制技术近年来的研究状况进行了综述。首先介绍了各种类型的检测设备及其安装方法;其次介绍了熔覆工艺参数对检测信号的影响及熔池检测信号同熔覆质量之间的关系;然后介绍了基于熔池检测技术的激光熔覆闭环控制系统;最后认为目前的熔池检测控制研究中,熔池中的有效信息还可进一步挖掘,以提高熔覆质量、自动化程度及生产效率。     

等离子沉积直接成形传热传质与晶粒生长多尺度数值模拟

运用有限容积法(FVM)对等离子沉积直接成形(PDM)过程中的沉积层温度场、熔池液相流动场进行了数值模拟.采用水平集方法追踪液/气界面演变过程,采用焓孔隙率法处理固/液相变过程,并采用Monte Carlo(MC)方法模拟沉积温度载荷作用下成形件热影响区(HAZ)组织的晶粒长大过程.基于所提出的FVM-MC法耦合的宏/微观统一模型模拟了镍基高温合金K163薄壁零件PDM过程中沉积层HAZ晶粒的生长过程,预测了在重复热冲击作用下热影响区晶粒长大与转变过程.模拟结果表明,热冲击频率与温度幅值直接决定热成形件的组织形态;热扫描速度影响熔池液相流动与温度场分布,从而间接决定了成形件的最终晶粒尺寸与分布.随着热扫描速度的增加,成形件晶粒趋于细化.在保证粉末充分熔融条件下,提高热扫描速度可以细化HAZ的晶粒尺寸.     

大功率光纤激光焊熔透状态模糊聚类识别方法

熔透是评价激光焊接质量的重要因素,但在焊接过程中难以直接检测熔透状态.以大功率光纤激光焊接304不锈钢紧密对接焊缝为试验对象,研究一种基于熔池红外热像的熔透状态识别方法.采用红外摄像机摄取焊接区域熔池动态图像,提取熔池特征量,应用模糊聚类算法分析熔池特征量与熔透状态之间的关系,使用模糊C-均值（FCM）和Gustafson-Kessel（GK）两种模糊聚类法建立熔透状态识别模型.激光焊接试验结果表明,熔池表征与熔透状态之间存在密切关联,通过GK模糊聚类算法建立的模型对熔透状态能达到78%以上的识别率,为大功率光纤激光焊接过程熔透状态的识别和控制提供试验依据.     

电子束横焊3mm纯铌板的熔池形态研究

高能加速器纯铌超导腔内导体,要求加工后的外表面光滑平整,以保证其特殊性能的要求。在电子束平焊全熔透情况下,超导腔焊缝正面在反冲压力作用下易发生未焊满及塌陷等缺陷。本文采用合适的电子束横焊工艺参数,得到了符合工艺要求的正面余高焊缝。并且建立了3mm厚的高纯铌板横焊过程的二维模型,针对不同的焊接参数分别设计了不同尺寸和形状的熔池,结合VOF算法,模拟焊接熔池里液态金属自由表面存在状态,得到了不同焊接参数下熔池的演变过程。实验结果显示,焊接熔宽随焊接线能量的升高而增大,数值模拟与实验结果较吻合。     

基于视觉传感的电子束深熔焊焊缝表面成形的预测

基于视觉传感的方法,获得了钛合金电子束焊熔池图像．采用二值形态学图像处理算法对熔池图像进行了处理,得到了熔池的边缘,并在此基础上利用自己开发的一套熔宽提取程序实现了熔宽的准确提取．找到了熔宽的波动性与焊缝表面成形之间的对应关系,当熔宽波动较大时,表面成形较差,而当熔宽波动较小时,表面成形较好．经过分析,提出用变异系数C...     

铝合金TIG焊接熔池状态多传感器数据协同感知算法

针对铝合金钨极惰性气体保护电弧焊(tungsten inert gas arc welding,TIG焊)过程中,焊接工艺参数的实时状态与焊缝熔池三维尺寸间的非线性对应关系,研究建立一种基于信息物理融合的多传感器TIG焊过程熔池状态协同感知计算方法. 首先,构建由红外温度传感器、电弧形态传感器、电弧能量传感器和焊接位置传感器组成的TIG焊过程熔池状态信息物理融合系统架构. 其次,考虑焊接过程中焊枪电弧的运动特性和测量噪声影响,设计基于温度、位置、能量传感器信息交互的熔池长宽深三维参数状态感知策略,并基于多传感器数据的异步和异构特性,提出了基于无迹卡尔曼滤波的焊接过程中熔池状态的多传感器数据协同感知算法. 针对7075超硬铝合金TIG焊过程进行熔池参数在线测量与辨识试验,结果表明,所提算法能够根据TIG焊过程多传感器数据实时计算熔池参数结果,焊缝宽度和焊缝高度计算结果误差基本上控制在10%以内,该算法响应时间基本控制在0.3 s内,能够较为准确地评估焊接过程中熔池的实时状态.     

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。     

送粉式激光熔覆熔池深度的分析模型及其影响因素

在分析送粉式激光熔覆过程中能量分配和粉末颗粒云对激光束衰减规律的基础上,通过建立能量平衡方程,推导出熔池深度与工艺参数之间的定量关系表达式,系统分析了影响熔池深度的因素。结合相关的物理参数、工艺参数和金相检测的熔覆层宏观参数,对方程进行了理论计算。同金相法实际检测的熔池深度相比,理论值高于实际值,两者反映的规律是一致的,客观地反映了激光熔覆中工艺参数和工艺结果之间的关系。在激光参数保持不变的条件下,熔池深度随扫描速度和送粉速率的增大而减小。为熔覆工艺参数的优化、熔覆层质量的评定和现场控制系统的设计提供了理论依据。     

铝合金双丝MIG焊熔池图像采集与处理

针对铝合金双丝熔化极氩弧焊,分析研究了电弧弧光辐射和熔池视觉传感的特征,结果表明,双丝电弧辐射更强,采用近红外窄带滤波传感熔池视觉传感双丝熔池相对易于提高信噪比,在10～35 mm厚LY12和7A52铝合金V形坡口对接焊缝工艺试验的基础上,采用980 nm窄带滤波和合适的减光系统获得了较为清晰的铝合金双丝熔池视觉图像,分析了双丝熔池视觉图像特征,采用自动阈值分割等方法设计了计算机图像专用处理软件,获得了准确的双丝熔池边界及几何参数,为基于熔池视觉的铝合金MIG焊质量控制打下良好基础.     

基于焊工调节的铝合金脉冲MIG焊背面熔透建模

针对铝合金薄板脉冲MIG焊背面熔透难题,提出一种基于焊工调节的背面熔透建模与控制方法.设计焊接速度随机变化波形,致使铝合金背面熔池尺寸动态波动,采用被动视觉系统实时采集背面熔池图像,焊工观察图像熔池大小,手工调节焊接电流保证背面熔宽的均匀性,同时开发图像处理算法提取背面熔宽.采用最小二乘系统辨识法建立焊工调节电流与背面熔宽的非线性Hammerstein模型.开展了铝合金脉冲MIG焊电流扰动和焊接速度扰动试验.结果表明,基于焊工调节的非线性Hammerstein模型可以有效地控制背面熔宽,且具有良好的抗干扰能力.     

圆形摆动激光对5A06铝合金激光焊接熔池流动行为的影响分析

摆动激光焊接方法中,激光束对于熔池的搅拌作用将导致熔池流动行为有异于传统激光焊接,因此为了从理论上阐述摆动激光焊接过程中熔池流动行为,构建了5A06铝合金摆动激光焊接过程热—流耦合模型.系统分析了圆摆激光焊接过程中,摆动幅度和摆动频率对熔池热流场的影响规律.结果表明,增加摆动幅度会降低熔池深宽比,从而提高焊接稳定性,同时熔池流动行为更加复杂,增大了熔池内部物质交换范围.摆动频率的增加会抑制熔池流动,使其更加规律,有利于气泡的排出从而降低气孔率.     

基于边缘导向算子模板匹配的熔池轮廓提取方法

轮廓提取作为熔池的基本视觉形态特征,在焊接质量在线监测中起着重要作用. 文中建立了非熔化极惰性气体保护电弧焊(tungsten Inert gas welding, TIG)焊接工艺环境下的熔池视觉传感系统,采集了高质量的熔池图像. 针对TIG焊不锈钢熔池图像中弱边缘检测的难点提出了一种基于边缘导向算子模板匹配的熔池轮廓提取算法(operator template matching based on edge direction guidance, OTM-EDG),算法中首先基于非线性灰度变换方法增强弱边缘. 之后利用4个方向的Sobel算子与熔池图像进行卷积操作来判断后端弱边缘的方向并计算梯度图. 最后对梯度图进行边缘连接操作以及基于数学形态学的边缘平滑操作,得到需要提取的熔池轮廓. 结果表明,文中算法能够提取到封闭完整且定位准确的TIG焊不锈钢熔池轮廓. 在实际焊接环境中具有较高的鲁棒性,有效解决了熔池区域弱边缘难以准确检测的问题.     

铝合金脉冲MIG焊熔宽控制系统仿真

利用熔池图像视觉传感系统和相应的图像处理算法建立脉冲电流占空比与正面熔宽的阶跃响应模型，在熔宽变化给定量分别为3、4和5mm的情况下对模糊控制器和遗传算法优化的PID控制器的控制效果进行仿真。仿真结果表明：为了使PID控制器取得最佳控制效果在不同误差条件下需采用不同的参数，而模糊控制器在结构和参数不变的情况下对不同误差均可得到良好的控制效果。该研究结果为铝合金脉冲MIG焊熔宽控制系统的设计提供了理论依据，实验表明控制系统工作有效。     

IN718合金增材制造温度场仿真及微观组织分析

针对微观组织的调控相关问题,构建了IN718材料激光选区熔化(selective laser melting,SLM)温度场仿真的三维有限元模型,研究了激光功率和扫描速度对熔池温度场和凝固机理的影响,进而预测增材制造材料的微观组织,为微观组织的调控提供理论依据.首先分析了激光功率和扫描速度对熔池尺寸的影响,分析了不同工...     

侧向风场作用下横向焊接旋转电弧传感及焊缝跟踪

文中利用侧向风场的吹袭作用来抑制横焊熔池的下淌,研究了在侧向风场作用下焊缝成形质量和旋转电弧的传感特性. 提出了一种基于平面拟合的焊枪偏差和电极高度检测算法,实现了同一电流信号下焊枪偏差和电极高度的同时检测. 结果表明,适当控制侧风流量有助于抑制熔池下淌、改善焊缝成形. 但是随着风速的增加,焊接电弧的熄弧率升高、电弧传感的准确性降低. 针对焊接电流的噪声干扰,还设计了软阈值小波滤波算法,并开发了相应的模糊控制算法对焊枪偏差和电极高度进行调节,初步实现了横焊焊缝的成形控制和跟踪.     

激光熔覆熔池动态演化及缺陷工艺调控研究进展

激光熔覆是一种高能束增材修复技术,具有热影响区小、组织性能可控性强、材料选择范围广等系列优势,目前已广泛应用于能源动力等领域关键金属构件的增材制造成形与受损零部件的修复再制造中。激光熔覆是以“激光”为热源的能量沉积技术,包括高能激光束冲击、表面熔池熔化快凝及熔覆表面层形成等多种物理、化学过程,其中熔池内金属热流体动力演化行为与熔覆层缺陷及表层组织性能调控密切相关。金属熔池具有“急热骤冷”的凝固特征,其内部对流、传热和传质等行为决定了熔覆层中温度及应力分布状态,是诱导熔覆层内气孔、裂纹等组织内部缺陷形成的关键因素。从激光熔覆过程中熔池内部对流、传热与传质的动态物理特性出发,论述了激光热源的理论模型设计、动态熔池中“流场+温度场+应力场”的多物理场数值模拟等方面的相关研究。在此基础上,分析了激光熔覆层典型缺陷-裂纹和气孔的形成机理及特征,总结了“材料-工艺-熔凝行为-涂层缺陷”的内在关联机制。同时,针对单一工艺方式调控熔池内熔凝过程的局限性,概述了多种复合能量场调控技术对熔覆层内部缺陷的作用机制与调控效果。最后,总结了当前激光熔覆层缺陷动态形成过程中存在的问题,并对其发展趋势进行了展望。