激光焊接熔池特性的三维数值模拟

为了对激光深熔焊接熔池特性进行三维解析模拟,基于一定的基本假设条件将焊接过程视为准稳态过程,应用激光焊接低碳钢熔池形状和温度分布的三维控制数学模型,以求解相态转变界面为基础,将对激光深熔焊接熔池特性的模拟简化为对气-液相界面和固-液相界面位置和温度分布的积分方程的求解,得出了焊接试样上的熔池几何形状和温度分布情况.结果表明:熔池形状相对光轴中心向后偏移,且熔池前沿壁陡峭,后沿壁过渡平滑;熔池深度和宽度随着激光功率的增大同步增大,随焊接速度的增加同步减小,随光斑尺寸增大熔宽增大而熔深减小;熔池各层面上的最高温度点均偏后于光束中心,等温线分布密集表明激光焊接热影响区窄.     

基于纳秒激光的304不锈钢表面织构制备机理研究

利用纳秒激光打标机在厚度为1.5mm的304不锈钢板上制备织构,研究了激光功率、扫描速度、加工次数等激光参数对304不锈钢表面织构参数的影响.实验结果表明,随着激光功率的增加,织构深度、织构宽度均增大;随着扫描速度的增加,织构深度先增大后减小,织构宽度先减小后增大;随着加工次数的增加,织构深度先增大后减小,织构宽度先减...     

激光熔覆钴基合金的光学检测实验研究

为了直观地表达熔池几何特征参数,分析不同工艺参数下熔池的变化特征,提高熔覆质量,针对激光熔覆系统建立了熔池监测系统,对图像处理后,获得熔池的面积,同时对熔覆后的熔覆带界面进行考察.利用该监测系统研究了不同激光功率、扫描速度、预置粉末厚度下,熔池面积、稀释率以及热影响区深度的变化规律.结果表明,熔池面积、热影响区深度以及...     

外加横向电流作用下的铝合金CO_2激光焊接研究

研究了外加横向电流对铝合金CO_2激光焊接焊缝成型的影响。实验通过布置在熔池两侧并随激光同步运动的钨电极向熔池中提供横向电流。实验结果表明,当外加横向电流以后,焊缝的深度和宽度随电流的增大而增大,但深度的增加比宽度的增加更明显;熔深和熔宽的改变只与电流的大小有密切关系,而电流方向对其影响不明显。     

激光选区熔化关键工艺参数对热物理过程的影响

激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)采用激光束将金属粉末等分层熔融成形,在制造业中具有重要价值。然而成形过程中的热物理现象及各工艺参数对热物理过程的影响有待进一步研究。在综合考虑SLM成形过程中材料相变、粉体-实体不可逆转变等过程的基础上,建立了SLM成形316L不锈钢的多道扫描温度场数值模拟模型。研究了激光功率、扫描速率和激光束有效直径对SLM温度场、熔融时间、冷却速率和熔池尺寸等的影响,并通过实验验证了数值模拟结果的可靠性。结果表明：熔融时间易受激光功率和扫描速率的影响,而最大冷却速率更易受激光束有效直径的影响。激光功率较低或扫描速率较大时,熔池尺寸较小,易形成孔穴类缺陷;激光束有效直径对熔池尺寸影响较小。随着激光功率增加,熔池稳定性先无确定变化趋势后增加;随着扫描速率增加,熔池稳定性不断降低;激光束有效直径对熔池稳定性的影响不确定。实验结果与数值模拟结果基本一致,研究结果可为SLM工艺参数调整与优化提供参考。     

6061铝合金表面激光熔覆温度场的仿真模拟

利用连续波Nd:YAG固体激光在6061铝合金表面激光熔覆SiC陶瓷粉末，采用ANSYS有限元软件对6061铝合金激光熔覆过程中热量传递及温度场分布进行模拟，在分析过程中采用三维单元，并考虑了材料热物性的非线性及对流和辐射的边界条件，建立了有限元模型，得出了熔覆过程中试样表面的温度分布模拟图.结果表明，温度场模拟等温线呈椭圆形，在移动热源的前方等温线密集，温度梯度较大，热源后方的等温线稀疏，温度梯度较小，熔池内最高温度与激光扫描速度、光斑半径均成反比，与激光功率成正比.模拟结果为陶瓷金属基复合材料激光熔覆工艺参数的优化提供了理论依据.     

电子束冷床熔炼TA10钛合金扁锭温度场及凝固组织的数值模拟

在电子束冷床熔炼TA10钛合金扁锭的凝固过程中,温度场分布和凝固组织对铸锭质量的性能有重要影响.通过建立钛合金传热模型和CAFE模型,基于Procast模拟软件并结合二次编程开发研究了结晶器尺寸对熔池深度的影响,以及凝固工艺参数对温度场和铸锭凝固组织的影响.结果表明：当结晶器内长超过650 mm或结晶器高度大于350 mm时,熔池形状不再发生变化;当钛锭横截面的面积一定时,钛合金熔池深度随着结晶器内长的增大而逐渐减小,但结晶器壁厚尺寸对熔池深度影响不大;拉锭速度和浇注温度的提高都会使熔池变深,过渡区长度也会增加,但浇注温度对过渡区的影响远小于拉锭速度对过渡区的影响;随着拉锭速度和浇注温度的提高,柱状晶区变得越来越明显,平均晶粒半径逐渐增大,降低拉锭速度或浇注温度可达到细化晶粒的效果.当拉锭速度为1.0×10^-4 m/s时,浇注温度在1 700～1 800℃范围内可获得组织均匀的TA10钛合金扁锭.上述结论为大型TA10钛合金扁锭的实际生产提供了重要的理论指导.     

激光冲击强化层数对6061-T6铝合金抗腐蚀性能的影响

针对6061-T6铝合金在各种极端工况下抗腐蚀性较差的问题,采用激光冲击强化对6061-T6铝合金进行不同层数的冲击处理,通过测量残余应力和表面粗糙度观察了微观组织和电化学腐蚀,分析了激光冲击强化对6061-T6铝合金抗腐蚀性能的影响。结果表明:激光冲击强化后,材料表面的残余压应力、表面硬度随激光冲击层数的增加而增加;冲击区域晶粒明显细化,细化层深度随冲击层数的增加而增加;材料表面的粗糙度随冲击层数的增加而降低;激光冲击强化处理后材料的电化学腐蚀电流减小、阻抗半径增大,表面点蚀坑的生长受到明显抑制;残余应力增加、微观组织细化和表面粗糙度降低,三者共同作用提升了6061-T6铝合金的抗腐蚀性能。     

转向节预锻下模热锻过程中的磨损研究

针对J11型转向节预锻下模,建立Archard磨损模型,运用有限元软件Deform-3D模拟转向节预锻下模热锻过程中磨损深度的变化规律,考察下模预热温度、上模运行速度对下模磨损深度的影响。结果表明:预锻下模的磨损主要分布在飞边槽、下模圆角区域;随着下模预热温度和上模运行速度的增大,下模最大磨损深度均呈先减小后增大的变化规律;在下模预热温度250℃,上模运行速度150 mm/s的条件下,下模最大磨损深度较小,选取合理的工况参数能够有效提高模具的使用寿命。     

片状食品微波干燥特性及温度和水份变化模拟

为掌握片状食品物料微波干燥规律并为生产应用提供参考 ,选择土豆为实验材料 ,在不同微波能水平 (2 .2～ 3.6W/g)和切片厚度 (2～ 6mm)下进行微波干燥实验 ,测定了微波干燥过程中物料温度和湿含量的变化。基于热量平衡方程和扩散方程建立相应的模型并采用有限差分法求解 ,实验结果与模型计算结果基本吻合。片状物料微波干燥经历预热、恒温、快速升温 3个阶段 :在预热阶段物料脱水少 ;在恒温阶段物料失去大部分水份 ,温度随切片厚度和微波功率 /质量比增大而增高 ;在快速升温阶段物料干燥速率减小 ,其温度快速上升。干燥速率不受物料切片厚度变化影响 ,但随微波功率 /质量比增加而增大。     

Monel-400合金板焊接温度场有限元分析

利用ANSYS有限元分析软件,根据钨极氩弧焊焊接特点,建立了高斯衰减热源模型,并在一定厚度、一定焊接工艺条件下对Monel-400合金板焊接温度场进行了模拟计算。模拟结果分析得到：利用高斯旋转热源在焊接过程中形成了长度为12 mm,宽度为7 mm,深度为5 mm的熔池。熔池上表面与下表面温度相差约620℃,热影响区节点温度随到焊缝中心距离的增加而不断减小。模拟结果表明改进后的热源模型与实际焊接较为吻合,有利于提高焊接温度场的模拟计算精度。     

6061-T6铝合金光纤激光焊接的数值模拟和实验

为了解决铝合金对接接头光纤激光焊的质量问题,采用热弹塑性有限元技术模拟焊接过程中的试样温度和应力变化,研究试样瞬态温度场和应力场变化规律及其分布特征,探讨激光功率和焊接速度对焊接质量的影响规律。实验采用的激光焊接系统,可实现快速预热并在充满氮气的密封腔中完成焊接过程。实验选取数值模拟确定的激光功率和焊接速度值,焊接完成2 mm厚6061-T6铝合金板对接接头。光纤激光焊接头的上下表面焊缝形貌平整连续,拉伸疲劳断口位于焊缝一侧的热影响区(HAZ)。模拟结果为光纤激光焊的机理研究和优化光纤激光焊接工艺提供了支持。     

双辊铸轧超高强铝合金有限元数值模拟

采用有限元法对双辊铸轧7075和7050铝合金的工艺过程进行了数值模拟,研究了合金成分和铸轧速度对铸轧熔池内温度场、流场和凝固场的影响规律。结果表明,在同一铸轧速度条件下,随着合金的等效比热增大,合金在铸轧熔池内的温度梯度随之减小,凝固速率减慢;对于同一种合金,随着铸轧速度增加,合金的速度梯度随之增大,熔池内所形成漩涡的位置下降。模拟结果为下一步的铸轧实验提供了理论依据     

7055铝合金高温压缩变形的流变应力

在Gleeble 1500热模拟试验机上,采用高温等温压缩试验,研究了7055铝合金在250～450℃温度范围内压缩变形的流变应力变化规律.结果表明,应变速率和变形温度的变化强烈影响合金的流变应力,流变应力随变形速率的提高而增大;随变形温度的提高而降低.7055铝合金高温变形时的流变应力可用Zener Hollomon参数来描述.     

铝合金薄板电子束穿透焊熔池的数值模拟

为有效地控制电子束焊接后的焊缝成形,得到符合要求的焊接结构,本文基于电子束焊接熔池物理过程的分析,使用有限体积法(FVM)数值模拟软件Fluent,对2mm厚的2219铝合金电子束穿透焊的温度场和流场进行数值模拟,研究了电子束穿透焊时熔池的流动行为及规律.模拟结果表明,电子束焊接形成穿透型匙孔时,熔池中液态金属的流速大小和方向迅速发生改变,最大流速可以达到10 m/s;产生的金属蒸汽反冲压力会使熔池剧烈震荡,熔池中远离匙孔的液态金属在Marangoni对流的驱动下,使熔池上、下两部分形成了较中间部分更长、更不稳定的拖尾,同时促进了熔池宽度的增加;熔池宽度和熔池拖尾长度分别在35 ms、90 ms左右达到了稳定.模拟焊接熔池凝固后,正面焊缝有一定的余高,背面焊缝有一定的收缩,其表面焊缝形态与实际焊缝形态吻合良好.此外,通过对熔池中液态金属的流速分析,还可以得出结论:金属蒸汽反冲压力对熔池的驱动作用远大于重力和表面张力的影响.     

覆膜金属粉末变长线扫描激光烧结成型特性

介绍了利用变长线扫描激光烧结技术制造金属零件的基本原理。在线扫描激光烧结成型实验装置上对覆膜９８Ｆｅ２Ｎｉ合金粉末进行了烧结成型试验,研究了铺粉厚度、预热温度、激光功率、扫描速度及扫描方向等工艺参数对烧结成型性能的影响关系。     

覆膜金属粉末变长线扫描激光烧结成型特性

介绍了利用变长线扫描激光烧结技术制造金属零件的基本原理。在线扫描激光烧结成型实验装置上对覆膜９８Ｆｅ２Ｎｉ合金粉末进行了烧结成型试验,研究了铺粉厚度、预热温度、激光功率、扫描速度及扫描方向等工艺参数对烧结成型性能的影响关系。     

Ti6Al4V的激光选区熔化单道成形数值模拟与实验验证

对于Ti6Al4V材料的激光选区熔化（SLM）成形工艺,基于离散元方法（DEM）建立粉末颗粒随机分布的三维介观模型.采用流体体积法（VOF）对SLM成形过程的三维自由表面进行动态追踪;考虑TC4颗粒随机分布的粉床、随温度呈非线性变化的热物性参数、熔池自由液面演化、由温度梯度引起的表面张力以及蒸发作用;通过数值模拟研究激光与粉末颗粒相互作用过程中的传热、熔化、流动、凝固等过程. 结果表明,由温度梯度及表面张力梯度产生的马兰戈尼对流是影响熔池内部传热传质和熔池三维形貌的主要因素;线能量密度（LED）与马兰戈尼对流的强度呈正相关,当LED=92.9~183.0 J/m时,单道表面质量较优. 通过单道成形实验对熔池与熔道的三维尺寸与形貌进行观察分析,有效验证了数值模拟的正确性.     

近α钛合金粉末选择性激光熔化成形研究

利用光学显微镜、扫描电镜等手段分析了选择性激光熔化（Selective Laser Melting,SLM）钛合金成形单道、单层及块体成形规律。采用不同激光功率与扫描速度的组合进行成形,研究了激光功率、扫描速度对单道熔池形貌及宽度的影响规律;通过单层试验,研究了扫描间距与熔池形貌的关系;通过块体试验,研究了致密度与线能量密度的关系,确定了最优工艺窗口。     

激光热裂法非对称切割玻璃路径偏移研究

针对激光热裂法非对称切割液晶玻璃路径偏移问题,基于传热学和断裂力学基本理论,用ABAQUS建立有限元(FEM)模型模拟温度场分布,建立扩展有限元(XFEM)模型模拟裂纹动态扩展过程,研究了激光功率、光斑半径、扫描速度及切割位置对路径偏移量大小的影响。结果表明:激光热裂法非对称切割路径两侧应力分布不同,切割路径向材料尺寸小的一侧偏移;切割位置对偏移量影响最大,激光功率影响最小;激光功率越大、扫描速度越小以及切割位置距对称切割位置越远,则偏移量越大;当光斑半径小于1.6 mm时,偏移量随光斑半径的增大而减小,反之则增大。