超声波辅助增材制造温度场数值分析

文中基于增材制造激光数值模拟理论、送丝和超声模拟理论,对熔池内超声波辅助作用相关的空化效应、声流强化作用和声流热效应进行分析,采用高斯热源模拟现实中的激光对增材制造的材料进行加热熔化,通过对熔体的单独建模,并辅以超声振动和高斯热源加热,观察超声振动对熔池内流速场变化产生的影响。深入研究超声辅助打印时的温度场、温度梯度差异及熔池内的流速场分布,选择出最佳的超声辅助增材制造工艺参数并进行试验验证。结果表明：超声振动有利于熔池内流体流动,还会使熔池内的温度分布更加均匀,温度梯度更小。最后对仿真结果中层间温度最低点、中间截面和中心轴线上温度分布和温度梯度分布进行分析,并选定最佳激光功率和超声振幅进行了试验验证,验证了模型的正确性,为相关的研究提供了新思路。     

焊接增材制造研究新进展

焊接增材制造技术作为一种新的制造技术,近些年来得到了世界各国的重视。简要介绍了金属材料增材制造的特点,重点阐述了近年来国内外采用不同焊接方式进行增材制造的研究,并分析了各种焊接增材制造技术的优缺点。由于目前对于增材制造技术的研究还没有一个详细的、完善的体系,提议建立一个类似"材料基因组计划"的数据库,各研究机构之间共享数据,必定会促进增材制造技术的飞速发展。     

激光熔丝增材制造监测与控制系统研究现状

激光熔丝增材制造作为一种定向能量沉积技术,具有很好的发展前景。文中对国内外激光熔丝增材制造监测与控制系统进行归纳概述。现阶段,国内外激光熔丝增材制造常见的监测系统包括结构光扫描系统、红外测温成像系统等,实时监测沉积层高度、熔池状态;常见的控制系统为以闭环控制策略为主的在线反馈送丝速率控制系统、在线反馈激光功率控制系统等,在线监测系统与控制系统协同作用,能够显著优化增材制造工艺、提高成形质量。介绍了包括三维超声波扫描技术、电磁振动监测技术在内的新兴激光熔丝增材制造监测技术。结合激光熔丝增材制造技术的工艺难题对下一代监测与控制系统进行展望。国内外对沉积层高度和宽度、熔池尺寸和温度等监测对象已有较为充分的研究和试验验证,但在沉积过程中,由于激光的高能量密度会造成高温度梯度,因此对沉积过程在线高精度、高质量监测与控制技术的研究变得至关重要。     

激光熔丝增材制造监测与控制系统研究现状

激光熔丝增材制造作为一种定向能量沉积技术,具有很好的发展前景。文中对国内外激光熔丝增材制造监测与控制系统进行归纳概述。现阶段,国内外激光熔丝增材制造常见的监测系统包括结构光扫描系统、红外测温成像系统等,实时监测沉积层高度、熔池状态;常见的控制系统为以闭环控制策略为主的在线反馈送丝速率控制系统、在线反馈激光功率控制系统等,在线监测系统与控制系统协同作用,能够显著优化增材制造工艺、提高成形质量。介绍了包括三维超声波扫描技术、电磁振动监测技术在内的新兴激光熔丝增材制造监测技术。结合激光熔丝增材制造技术的工艺难题对下一代监测与控制系统进行展望。国内外对沉积层高度和宽度、熔池尺寸和温度等监测对象已有较为充分的研究和试验验证,但在沉积过程中,由于激光的高能量密度会造成高温度梯度,因此对沉积过程在线高精度、高质量监测与控制技术的研究变得至关重要。 创新点： 激光熔丝增材制造成形精度要求高,同时国内外对该技术的相关工艺、成形原位控制的研究处于起步阶段,对沉积层、熔池偏差的实时监测与控制进行深入研究具有重要意义。     

旁路耦合三丝间接电弧增材制造成形特性

采用旁路耦合三丝间接电弧焊( bypass coupling triple-wire gas indirect arc welding,BCTW-GIA焊)进行Q345低碳钢增材制造. 利用高速成像设备研究了旁路电流变化对电弧特性的影响,并观察了对应的焊缝成形特性. 结果表明,随着旁路电流的增加,间接电弧占比逐渐减少,而直接电弧占比逐渐增加,焊接热输入逐步提升,焊缝的接触角逐渐减小. 当旁路电流为155 A时,可在表面成形良好的前提下得到铺展性最优的单道焊缝. 采用此参数进行单道多层增材得到了直壁墙体,沉积速率高达13.3 kg/h. 该增材制造方法具有较高的熔敷效率和较低的热输入,有利于改善增材试样的显微组织,并提高试样的平均硬度. 试样底部、中部及顶部区域的平均硬度分别为 186.80,172.44,176.04 HV.     

高频塑料焊接技术

0 前言 热塑性塑料的焊接最初采用的是高频塑料焊接（HF）方法。该焊接技术起源于对PVC-P（聚氯乙烯）塑料薄膜的加工,以前也将该材料称为软PVC。几年来,其他相应的热塑性塑料也采用高频焊接方法进行焊接。当然也经常采用相应的焊接辅助材料,如活性粘接材料等。通常,各种焊接方法的加热方式都是对母材进行外部加热,包括加热板式、楔式加热、热风式以及通过机械运动而产生所需焊接热量的加热方式,如摩擦、振动和超声波焊等焊接方法。在应用高频能量时,则在材料自身中产生介质热。     

Current Situation and Prospect of Computationally Assisted Design in High-Performance Additive Manufactured Aluminum Alloys: A ReviewEI北大核心CSCD

增材制造技术为高强铝合金复杂零部件的制造带来了前所未有的机遇,但目前增材制造铝合金体系仍局限于可铸造和可焊接的Al-Si系合金,制约了高性能增材制造铝合金的快速发展。近年来,不同尺度的计算方法逐步用于辅助高性能增材制造铝合金的开发。本文详细综述了国内外学者在计算辅助增材制造铝合金设计与制备领域的研究成果,列举了原子、介观和宏观尺度计算模拟及机器学习等计算方法辅助增材制造铝合金设计的代表性案例,分析了不同计算方法辅助合金设计的策略,并指出其不足。最后,针对如何推动多尺度计算在高性能增材制造铝合金开发中的应用进行了展望,并指出其发展方向。     

激光增材制造过程中激光与粉末的相互作用研究现状

激光增材制造是通过激光加热熔化粉末或丝材并逐层叠加而形成所需工件的一种增量制造技术。该技术涉及非常复杂的非平衡物理和化学冶金过程,在加工过程中易产生非平衡组织和晶粒取向。激光与粉末的相互作用过程是整个加工过程中最为重要的部分,系统总结激光与粉末的相互作用对于增进对激光增材制造技术的理解,进而提升工件性能具有重要的意义。按照送粉式与铺粉式激光增材制造两种加工方式,分析了激光能量的衰减、粉末颗粒温度的上升以及激光-粉末-熔池的相互作用,综述了激光与粉末相互作用的研究现状。     

增材制造文献

基于开源切片路径规划的机器人电弧增材制造系统/洪恩航,等.焊接学报,2021,42(11):65-69.为提高电弧增材制造的灵活性和路径规划可靠性,使用ABB IRB1410工业机器人和Fronius CMT TPS3200焊接电源,通过Python自主编程利用开源切片软件Cu-ra,成功搭建了电弧增材制造系统,自主开发了电弧增材制造软件,并进行了4043铝合金电弧增材成形.     

铜/钛热辅助超声波焊接接头组织和性能分析

为实现铜与钛异种金属的可靠连接，探索了一种热辅助超声波焊接的工艺方法。以MCGS触摸屏作为上位机，陶瓷加热片作为辅助加热热源，搭建了热辅助超声波焊接成套装置。通过MCGS软件开发的人机界面及控制程序，实现了热辅助超声波焊接工艺过程的实时控制。通过对不同加热温度下Cu/Ti超声波焊接接头力学性能和微观组织的分析，建立了热辅助超声焊接过程界面反应模型，以此阐释了Cu/Ti热辅助超声波焊接接头的形成机理。试验结果表明，辅助加热不仅提高了焊接区峰值温度，还促进了界面元素的相互扩散，使反应区的宽度和有效连接面积显著增加，机械嵌合作用明显增强，是Cu/Ti接头抗剪切强度显著提高的主要原因。     

基于电弧的多能场复合增材制造技术研究现状

增材制造主要分为激光增材制造技术、电子束增材制造技术和电弧增材制造技术。相较于其他增材制造技术和传统加工方式,电弧增材制造技术具有成形速度快、成本低、材料利用率高,以及成形件化学成分均匀且性能优良等优势,被广泛应用于大型金属零件制造。电弧增材制造因具有多样化的应用方向,可以满足不同标准零部件的加工制造,已经逐步成为当下主流的零部件加工技术。主要介绍了单一热源(如钨极)气体保护增材制造技术、等离子弧增材制造技术、熔化极气体保护增材制造技术、冷金属过渡增材制造技术和多能场辅助电弧复合增材制造技术,包括磁场–电弧、激光–电弧和电场–电弧等复合增材制造技术等。从宏观形貌、微观组织和力学性能3个角度出发,分析了工艺参数或工艺自身特性对增材制造成形件宏观形貌的影响,讨论了成形件显微组织演变机制及其力学性能,同时提出了单一热源与多能场辅助电弧增材制造技术在现阶段存在的问题,并给出了建议。     

基于超声跨态处理的焊接热循环试验

设计了基于超声跨态处理条件下的激光焊接热循环测试试验,分析超声振动对焊接过程的热影响表明,功率超声对焊接过程的热影响主要集中在声学效应、传热学效应及机械搅拌作用三个方面;研究了不同超声振动功率对焊接最高温度、加热速度、高温停留时间以及冷却时间等特征参数的影响规律,并结合功率超声对焊接过程的热影响分析对其本质原因进行了深入研究.结果表明,随超声功率的增加,焊接最高温度和高温停留时间均呈先降低后升高最后再降低的趋势,并且焊接最高温度在超声振动功率为1200 W左右达到最大值;升温时间呈持续增加的趋势,但不同超声功率所对应的增加速率各不相同,而冷却时间则保持减小趋势.     

引线键合中多向超声波能量传输特性研究

引线键合主要是采用超声波热键合技术，而超声波振动传播和能量传递是超声波键合设备中一个非常关键和复杂的问题。利用波在弹性体中传播的机理，给出超声波聚能杆和劈刀的振动传递特性，利用多普勒振动计PSV-300-F(1．5MHz)测量了振动位移和速度，证实了理论分析结果，并对双向垂直传输超声波能焊具的性能进行了研究，阐明垂直双向加载是一种高效的传能模型。     

Study of joining mechanism of ABS polymer and steel/aluminum by resistance spot welding

The joining of metal and polymer is an increasingly important method to get lightweight components in the development of manufacturing industry nowadays. In this article,metal and polymer lap joint was achieved by means of resistance spot welding( RSW)and ultrasonic assistance welding( UAW). The joining mechanism of lap joint was analyzed by OM,TEM on microstructure at the interface of lap joints and XPS and IR spectra was discussed based on the following different ones: mechanical-interlocking,diffusion bond and coordination bond. The results showed that it was the combined action that played an important role in the effective joining work. Besides,ultrasonic assistance was used in the study to aid welding process based on its high-frequency ultrasonic vibration,which made joints shaping better and improved tensile strength visibly contrast to joints with the same lower heat input parameters.     

超声-电阻复合焊接方法及界面行为

有色金属微型零件超声焊接时,由于焊头面积小,输入焊接区域能量少,界面有效连接面积不足,影响焊接接头的力学性能. 针对这一问题,结合超声焊接与电阻焊的特点,研制了超声-电阻复合焊接系统. 对铜、铝异种金属进行了超声-电阻复合焊接工艺试验,并与相同工艺条件下的超声焊接进行了对比. 结果表明,电流对超声能的输出有促进作用,使换能器的峰值功率有明显的增加;超声使焊接起始阶段界面接触电阻迅速减小并消失;在复合能量的作用下,输入焊接区域总能量有较大提高,焊接区域温度和加热速率显著增加.     

Effect of Ultrasound on Heterogeneous Nucleation in TIG Welding of Al–Li Alloy

The effect of ultrasound on heterogeneous nucleation in a tungsten inert gas(TIG) weld pool of 2195 Al–Li alloy has been investigated by a series of experiments. An ultrasonic vibration was imposed on the surface of base material before turning off the welding arc during the TIG welding implemented at a fixed point. The results suggest that ultrasound could promote heterogeneous nucleation in the TIG weld pool of 2195 Al–Li alloy. The grain around the fusion zone is changed from a column grain to an equiaxed grain after applying the ultrasonic treatment. To study the influencing mechanism of ultrasound on heterogeneous nucleation, further investigations were implemented where the welding arc was turned off after turning off the ultrasonic power. The results show that the equiaxed grain around the fusion zone disappeared gradually with an increase in heat input after turning off the ultrasonic power. It suggests that ultrasound could promote the heterogeneous nucleation particle to nucleate in advance before turning off the welding arc and the crystal nucleus could again be melted with an increase in heat input after turning off the ultrasonic power. Moreover, the effects of the welding current and ultrasonic amplitude on heterogeneous nucleation in the weld pool of 2195 Al–Li alloy were also investigated. Possible influencing mechanism of the welding current and ultrasonic amplitude on heterogeneous nucleation was discussed.     

铝合金电弧增材制造研究现状

电弧增材制造技术（Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM）具有沉积速率高,成形速度快以及适合各种成形环境的优点,吸引了越来越多的高校及科研机构投入其中,如何进一步发挥电弧增材制造的优势是当下的研究热点。阐述了铝合金电弧增材过程中热输入、电流方式和外加能场对成形件表面形貌、微观组织以及力学性能的影响。当焊接电流较小或焊接速度较快时,热输入较低,熔融金属冷却速度快,形核率高,成形件为晶粒细小的等轴晶粒,提供给气孔的形成、聚集和长大的时间短,即热输入越低,成形件等轴晶区越宽,晶粒越细小,气孔缺陷越少,成形件机械性能越优异。对比分析了不同电流方式的电弧增材制造成形件性能差异,发现脉冲和变极性电流方式的热输入比无脉冲电流方式低,成形件晶粒更精细、缺陷更少、机械性能更优异;脉冲和变极性电流方式都可以清理成形件表面氧化膜,获得平整的表面。分析了电弧增材制造系统的优化方案,发现施加磁场、激光可以使得电弧更加集中,调控熔池流动,避免熔敷金属铺展不均匀;施加原位轧制、层间锤击以及超声喷丸可使得沉积层发生变形,在晶粒内产生大量位错;利用水箱或者添加保护气喷嘴可以降低电弧增材...     

超声-TIG复合焊接装置的研制与应用

不锈钢中厚板材TIG焊接时,存在焊接熔深浅,单道难以实现全熔透的问题.针对这一问题,研制了一套超声-TIG复合焊接装置,以实现借助高密度超声能量增加焊接熔深和提高焊接效率.该装置通过控制电路输入电压调节超声频率,并以主电路来控制超声输出功率.超声输出功率在0～1000W之间可连续调节.应用所研制的复合焊接装置,采用平板堆焊方法,对5mm厚度304不锈钢板进行了熔深对比试验,发现高能量密度超声可以起到增加焊接熔深的作用;并且和现有增加焊接熔深方法相比,试验过程简单,控制方便,满足设计和使用要求.     

线性摩擦焊设备液压伺服系统的设计

液压式线性摩擦焊是将电液伺服控制技术运用到线性摩擦焊接领域的一种先进制造技术.分析线性摩擦焊设备的工作原理,针对系统工作状况设计了一套液压伺服系统,采用一个小流量的伺服阀在振动过程中实现实时位置闭环控制,振动停止后将振动缸位置精确定位是该系统的设计特点.同时针对液压系统中关键元件振动伺服阀进行了大量的设计计算、对比及仿真实验,从而选出适合该系统的伺服阀.该液压系统的设计为线性摩擦焊设备的研制提供了参考.     

In situ velocity measurements of very high power ultrasonic additive manufacturing using a photonic Doppler velocimeter

To understand the dynamic structural movements of very high power ultrasonic additive manufacturing, simultaneous in situ velocity measurements of the sonotrode, welding foil and substrate during consolidation were made using a photonic Doppler velocimeter. During consolidation in which the welding foil was successfully bonded to the substrate, the welding foil and substrate had similar vibration phase angles which came into and then out of phase of the sonotrode; in addition to having large changes in relative velocity as the normal force from the sonotrode was applied and then removed. A consolidation pass in which no bonding occurred, consisted of relatively constant velocity amplitude for all structures. The welding foil and sonotrode remained fully coupled and in phase, but was out of phase of the substrate during the entire welding pass. Therefore, by examining velocity and phase data, bonding versus non-bonding conditions can be determined in situ using the photonic Doppler velocimeter system.