外加磁场对薄壁零件堆焊层形貌的影响

针对薄壁零件在微束等离子堆焊过程中两侧的液态金属下淌导致成形不好的问题,开展薄壁零件在堆焊过程中熔池力学行为分析和熔池成形的控制策略研究. 提出了外加磁场的方法,向熔池施加指向内侧的电磁力,对向下流淌的液态金属进行干预,从而抑制液态金属的流淌. 采用有限元软件COMSOL对工件上产生的电磁场、涡流场及附加电磁力进行仿真分析. 在304不锈钢上开展单道多层堆焊试验,获得了不同磁感应强度下的堆焊层形貌. 结果表明,外加磁场能明显改变微束等离子焊的力学行为和成形规律,并能有效抑制边沿液态金属流淌.     

基于单元生死技术的微熔滴沉积成形温度场模拟与试验研究

采用有限单元法和单元生死技术,建立了气动按需熔滴沉积成形温度场计算模型,模拟了7075铝合金薄壁件微熔滴沉积过程温度场的演变规律.结果表明:薄壁件成形温度场随熔滴沉积位置的移动而呈现周向动态变化,不同位置熔滴单元节点的热循环曲线存在不同个数的温度峰值和谷值;随着沉积层高度的增加,1～10层相邻搭接层间熔滴的冷却速率降低,熔滴所在沉积层中的高温区域逐渐扩大,使零件在成形方向上呈现变化的温度梯度,并导致1～10层相邻层间熔滴结合处的晶粒尺寸发生变化.模拟结果与7075铝合金薄壁件微熔滴沉积试验结果基本吻合,较好反映了实际成形过程中零件的温度场变化规律.     

旋转电弧GMAW堆焊短路过渡熔池动态仿真

为探究旋转电弧GMAW堆焊短路过渡时熔池的温度和对流分布规律,利用Flow-3D软件建立三维数学模型,采用球形旋转热源模型,考虑重力、熔滴拖拽力、表面张力、浮力作用,模拟了堆焊状态下,工件材料为Q235的旋转电弧GMAW短路过渡的熔池成形规律. 采用流体体积法追踪熔滴过渡和熔池表面的自由变形,并分析熔滴进入熔池时熔池内部温度场和流场的变化. 结果表明,熔池形成过程中,旋转熔滴对熔池有搅拌作用,并使熔池内部液态金属活性增强,流速变快,熔池内部液态金属体积变大,熔池的宽度变大. 模拟预测的焊缝尺寸、形状与试验吻合良好. 为优化焊接工艺参数、改善旋转电弧GMAW堆焊焊缝质量提供参考依据.     

基于单元生死技术的微熔滴沉积成形温度场模拟与试验研究

采用有限单元法和单元生死技术,建立了气动按需熔滴沉积成形温度场计算模型,模拟了7075铝合金薄壁件微熔滴沉积过程温度场的演变规律。结果表明:薄壁件成形温度场随熔滴沉积位置的移动而呈现周向动态变化,不同位置熔滴单元节点的热循环曲线存在不同个数的温度峰值和谷值;随着沉积层高度的增加,1～10层相邻搭接层间熔滴的冷却速率降低,熔滴所在沉积层中的高温区域逐渐扩大,使零件在成形方向上呈现变化的温度梯度,并导致1～10层相邻层间熔滴结合处的晶粒尺寸发生变化。模拟结果与7075铝合金薄壁件微熔滴沉积试验结果基本吻合,较好反映了实际成形过程中零件的温度场变化规律。     

基于摆动激光扫描的GMAW焊缝成形调控

将摆动激光与GMAW工艺复合,利用“8”字形摆动激光扫描液态熔池,对其温度场和流场进行调控,以改变熔池温度梯度,主动调控熔池流动以改善焊缝成形.在6061铝合金板材表面进行堆焊试验,重点探究了光丝间距、摆动幅度、激光功率对于焊缝成形的影响,采用高速摄像机拍摄激光扫描熔池过程.结果表明,摆动激光扫描可以有效抑制成形缺陷的发生,当摆动激光扫描熔池中部时可以获得最佳的焊缝成形效果.摆动激光扫描降低了熔池温度梯度分布,同时激光扫描产生的激光蒸发反力可以驱动熔池流动,促进了液态熔池的流动铺展,从而有效抑制了不规则焊缝成形缺陷,减少焊缝内部气孔和裂纹缺陷.调节摆动激光摆幅可以在一定范围内对焊缝宽度进行调控.     

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.     

基于GMAW堆焊成形的堆焊层焊道搭接量及力学性能研究

以基于GMAW堆焊成形的堆焊层为研究对象,研究了其焊道搭接量模型,重点分析了焊道搭接量对堆焊层成形表面平整度的影响。通过试验对搭接模型的可靠性进行了验证,并对堆焊层横截面整体显微硬度进行测试,对堆焊层水平方向的力学性能进行了拉伸试验。结果表明:采用电流115 A、送丝速度50 mm/s、焊接速度6 mm/s这组成形工艺参数时,成形质量相对稳定,堆焊层成形表面平整度好;堆焊层的硬度从焊道底部向上逐渐增大,大致在150~180HV之间;堆焊层拉伸性能好,断口为韧性断裂,塑形好,能满足零件的使用性能要求。     

核电控制棒驱动机构密封焊缝激光堆焊修复工艺研究

采用高功率激光对材料为304LN的AP1000核电站控制棒驱动机构(CRDM)Canopy焊缝模拟体进行堆焊维修,焊丝采用镍基Inconel 690合金,并研究堆焊工艺、堆焊层成形特点及显微组织。结果表明:通过焊丝伸入熔池,以熔体热传导的方式进行熔化,可以更好地保持熔池的稳定性,并获得表面成形优异的焊道;焊道搭接率为42%时,堆焊层非常平整,余高顶部和搭接部之间高度差仅在100~135μm之间;熔池边界处未混合区铁素体富集,与奥氏体的Inconel 690堆焊层形成晶格差异,会导致平直的Ⅱ-型边界出现;堆焊21道次才能对整个密封环进行双层覆盖,两道交替堆焊可保证密封环不出现下塌现象。     

小直径薄壁不锈钢导管全位置TIG焊数值模拟

为研究小直径薄壁不锈钢导管全位置TIG焊接头的成形过程,采用ANSYS有限元程序对焊接过程进行模拟,获得了温度场、变形场和流场的模拟结果,并对3种物理场的模拟结果进行了分析。结果表明,模拟得到的温度场轮廓达到准稳态后与实际焊缝一致,验证了模拟准确性,在全位置焊接中,温度场由初始不能提供足够热量的较低温状态逐渐升高达到准稳态,初始阶段的热输入不足以焊透,可通过超过一圈覆盖引弧点的焊接行程保证环焊缝完全焊透与熔合;变形场显示了不同位置x, y, z方向的变形情况,不同焊接相对位置的变形情况不同;流动场对焊接熔池流动进行刻画,不同位置熔池流动存在明显差异,在顶部平焊位置电弧压力方向、重力方向相同,容易形成焊塌甚至焊穿现象,在侧面立焊爬升位置熔池中的铁液易下淌,需要控制热输入以得到良好成形的焊缝。     

MIG焊熔敷快速成形温度场数值模拟

运用ANSYS软件对熔化极气体保护焊在45钢板上单层堆焊成形的温度场分布进行了模拟,采用ANSYS软件中的APDL语言和单元"生死"技术,实现了移动热源加载下堆焊材料逐步成形,分析了在相同条件下,间隔堆焊和顺序堆焊在成形过程中温度场的变化情况.分析表明,间隔堆焊成形时峰值温度低,温度场分布梯度小,并且高温停留时间短,奥氏体晶粒不易粗化,有利于提高成形件的性能.     

激光快速成形金属薄壁零件的三维瞬态温度场数值模拟

利用ANSYS有限元软件中的‘生死单元’技术，建立了与激光快速成形过程一致的三维瞬态薄壁零件温度场计算模型。通过该计算模型，可以掌握成形过程中薄壁零件温度场随时间的变化规律。计算结果表明，金属薄壁零件中，与x方向温度梯度相比，y方向温度梯度占绝对优势，因此在薄壁零件冷却过程中，热量散失主要方向为y方向。激光功率越高，y方向温度梯度也越大，因此形成的枝晶组织就越细长。     

高能脉冲精密冷焊的电弧特性和增材制造成形能力

进行了高能脉冲精密冷焊的电弧特性试验和各类零件的增材制造试验,根据脉冲电流和电压波形分析了脉冲电弧的特性,根据堆焊零件的成形情况分析了其增材制造成形能力。结果表明,高能脉冲精密冷焊的输出电流为脉冲方波,产生断续的脉冲电弧;其脉冲时间短,电弧能量密度高,冷却时间长,热输入小,零件变形小;在堆焊成形过程中,工件处于冷态,熔池存在时间短,不会出现焊缝熔池流淌现象,堆焊零件的成形精度高,具有复杂零件的增材制造成形能力;该方法可用于较小的几何形状复杂零件的增材制造,也可用于精密零件的增材制造成形修复。     

外加横向磁场对304不锈钢焊接熔池影响机理分析

为了改善焊缝成形及提高焊接零件组织和性能,文中采用有限元法对外加磁场作用下的304不锈钢焊接熔池进行电磁场和热流场之间的耦合分析,得到了有无外加横向磁场作用下熔池内液态金属流动的速度矢量分布. 结果表明,外加磁场使熔池横截面最大流速分布由单一的熔池中心中部改为熔池中心上表面略靠下和熔池底部;熔池纵截面最大流速由首尾端漩涡交汇处改为沿两个漩涡流动方向较均匀分布,这是由于电磁压力抵消了部分表面张力,使表面张力的作用位置更靠近熔池中心位置. 在304不锈钢上进行堆焊试验,焊道横截面组织形貌证实了上述模拟结果.     

激光近成形钴基高温合金研究

利用激光近成形技术，采用钴基合金粉末在金属零件表面进行单道多层熔覆成形试验，获得具有良好外形和尺寸精度2～20mm的薄壁零件。利用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪、电子拉伸试验机和显微硬度计等分析仪器对其微观组织、微观成分分布及抗拉强度和硬度进行了分析和测试。结果表明，所成形的薄壁零件的组织为细小的枝晶，层间成分分布均匀，没有明显的成分偏析。力学性能测试结果显示其性能可满足实际使用要求。     

焊接工艺参数对仰焊MAG堆焊成形的影响

以ER50-6碳钢焊丝作为堆焊焊丝,在Q235B基板上进行仰焊MAG堆焊试验。通过单因素法研究了送丝速度、焊接速度和焊丝伸出长度3个主要焊接工艺参数对仰焊单道焊缝熔宽和余高的影响,分析了不同焊接工艺参数下焊缝出现驼峰缺陷的原因。基于此,对仰焊单道多层堆焊提出了堆焊策略,即减小热输入、减少熔池冷却时间和熔池扰动。在此基础上,进行了仰焊单道多层连续堆焊10层成形,并进行了拉伸测试。结果表明,在送丝速度3.5 m/min、焊接速度0.25 m/min、焊丝伸出长度6 mm的焊接工艺参数下,成形质量相对稳定,抗拉强度达到518 MPa,能满足一些对精度要求不高的零件的使用要求,验证了所提出的仰焊单道多层堆焊策略的可行性,为仰焊堆焊成形零件焊接工艺参数的选择提供了参考。     

基于堆焊-电解的复合3D加工技术

建立了基于堆焊-电解的复合3D成形系统,包括弧焊机器人、数字化焊机以及电解加工设备等.通过机器人堆焊对工件进行快速成形,进而采用电解加工设备对其进行精密修形,得到与预设三维实体模型尺寸一致的成品零件.提出了一种名为螺旋递进重熔的路径规划方式,可以很好的解决堆焊成形中的塌陷问题.针对低碳钢与铝合金两大类材料进行3D成形工艺试验,发现分别采用氯化钠电解液以及磷酸硝酸钠混合电解液进行电解加工可以得到表面光洁的零件.结果表明,利用堆焊-电解复合3D加工系统可以在无模具的条件下制备尺寸精确、表面光洁的零件.     

层间温度对CMT电弧增材制造2Cr13不锈钢薄壁件成形及组织和性能影响

该文利用冷金属过渡（Cold metal transfer, CMT）技术,使用电弧丝材增材制造系统制造2Cr13马氏体不锈钢单道多层薄壁试样,并研究了不同层间温度（100℃,150℃和200℃）对薄壁试样表面成形,微观组织和力学性能的影响。研究结果表明,较高的层间温度会使得薄壁成形件整体温度升高,散热状况变差,熔池高温存在时间增长,熔融金属流动性增强,最终导致成形件表面变差甚至塌陷。成形件中部组织在经历反复加热和冷却过程后,主要由极为细长的板条马氏体组成,并伴有少量铁素体以及沿铁素体晶界析出的碳化物。靠近重熔区位置由于熔池的热作用会导致马氏体组织过热而发生相变,形成密集的铁素体。随着层间温度减小,成形件晶粒尺寸和分布更为细小均匀;另外,弥散分布在铁素体晶界上的碳化物阻碍位错运动,两者的共同作用使得显微硬度和抗拉强度随层间温度降低而升高,同时拉伸试样的断后伸长率也随之增大。拉伸断裂形式均为韧性断裂,随着层间温度的减小,同取样方向上拉伸试样断口尺寸越来越大,韧窝也越来越深。     

自蔓延陶瓷焊条堆焊温度场与残余应力场数值模拟

利用自制的TiC-Ni自蔓延陶瓷焊条,采用氩弧焊技术在钢表面制备了金属陶瓷堆焊层。建立计算堆焊层温度场及应力场的数学模型,采用有限元分析软件分析了堆焊金属陶瓷过程的温度场及残余应力场分布及堆焊层温度场的变化。对焊层残余应力变化规律进行了模拟,并通过模拟检验了堆焊层残余应力的连续性和缓和性。     

聚焦光束堆焊铜基自熔合金过程中Fe3Si增强相的反应合成

利用Cu与Fe具有液相分离特性,以及母材与堆焊材料的冶金反应,采用聚焦光束堆焊制备了Fe3Si弥散分布的铜基合金复合堆焊层.采用X射线衍射、SEM、EDS及显微硬度分析等方法研究了堆焊层的物相组成和微观组织特征.实验结果表明,聚焦光束堆焊过程中,由母材熔化而进入熔池的Fe元素与熔池中的Cu合金呈液相分离状态,进入溶池的Fe由于密度小而上浮,上浮过程中与熔池中的Si反应生成Fe3Si.Fe3Si在堆焊层中弥散分布于α-Cu基体中,分布密度由堆焊层表面向下呈减小趋势.     

激光金属制造薄壁零件z轴单层行程模型

为了提高激光金属直接制造薄壁零件的成形精度,制备出表面平整的薄壁零件,研究了z轴单层行程参数对成形薄壁试件表面精度的影响规律,提出并验证了z轴单层行程理论模型.结果表明,在一定简化条件下,根据质量守恒定律,推导出任意参数下的z轴单层行程模型,该模型显示z轴单层行程是单道熔覆层宽度与高度的函数,当z轴单层行程与模型计算值一致时,能够制造出表面平整的薄壁零件.