预热温度对微弧等离子弧单道焊残余应力和性能的影响

文中通过数值模拟建立了微弧等离子弧焊的模型,研究了不同预热温度对微弧等离子弧单道焊残余应力的影响规律,通过X射线残余应力仪测量了焊后件的残余应力,验证了模型的准确性。结果表明,等离子弧堆焊过程中的预热提高了热输入,使焊接熔池变深,热影响区变宽;焊后最大残余应力发生在热影响区内,最大残余应力在y方向上,最大值为1 022 MPa,且为拉应力。随着预热温度的提高,最大残余应力逐步下降,最大残余应力区域逐步向外扩展,趋势与热影响区的一致。最大显微硬度值在热影响区,随着预热温度的提高,硬度逐步在提高。热影响区内产生的马氏体组织是硬度提高的根本原因。     

激光熔凝强化RuT300收尾凹坑缺陷抑制方法研究

目的 突破气门座激光熔凝收尾凹坑缺陷技术瓶颈。方法 建立激光熔凝强化RuT300的三维瞬态温度场仿真模型,模型中考虑激光吸收率、材料相变潜热及热物性参数的影响,并结合Niyama判据,分析激光熔凝强化RuT300收尾过程激光参数线性变化对收尾凹坑缺陷的影响规律。结果 在激光熔凝收尾过程中,对比未采用激光参数线性变化的收尾方式,采用激光功率线性下降（斜率为–400）的参数变化方式时, 的最大值由最初的0.0085增大至0.0097;当斜率由–100减小至–400时, 的最大值由最初的0.0087增大至0.0097;采用激光扫描速度线性上升（斜率为20）的参数变化方式时, 的最大值由最初的0.0087增大至0.0142;当斜率由5增加至20时, 的最大值由最初的0.0112增大至0.0142。伴随着激光功率线性下降或激光扫描速度线性上升,激光熔凝气门座收尾凹坑有缩减趋势,且伴随着激光功率线性下降过程斜率绝对值或激光扫描速度线性上升过程斜率的增大,收尾凹坑有进一步缩减趋势。实验分析与数值模拟结果基本吻合,说明了模型的有效性。结论 在激光熔凝收尾过程中,采用激光功率线性下降或者激光扫描速度线性上升方法可以抑制收尾的凹坑缺陷,提升气门座的可靠性。     

CK45钢激光熔凝有限元模拟

采用SYSWELD有限元模拟软件模拟计算了激光熔凝过程。计算结果表明,激光熔凝是一个快速加热和快速冷却的过程,其温度变化速率可达到104℃/s的数量级;熔凝区的硬度得到了显著的提升,中心部位的硬度小于熔凝区其它区域的硬度;熔凝区的最终残余应力表现为压应力,Mises等效应力在熔凝区与基体的交界处最大,成为形成裂纹的危险区域;碳含量的不均匀变化导致熔凝区的压应力分布不均,中心部位最小。     

预热温度对Q460焊接温度场及残余应力的影响

利用ANSYS有限元分析软件,分析了无预热、预热温度为150℃和200℃时Q460焊接温度场和应力场的分布情况。运用单元生死技术和APDL语言,采用映射网格划分及双椭球热源模型模拟焊缝金属的逐步填充过程。结果表明,预热温度升高,工件最高温度增加,冷却速率减小,模拟结果和理论分析结果吻合较好,证明了模型的可靠性;预热温度为200℃时,焊接件残余应力最小,焊接接头质量较好。     

轧辊表面宽带激光熔凝过程的相变及力学性能研究

综合考虑温度、相变和应力的耦合作用,运用有限元法分析了42CrMo轧辊在宽带激光单道扫描和叠道扫描下熔凝层的显微组织、硬度和残余应力分布规律及演变过程。计算结果表明,激光熔凝冷却过程中产生的马氏体相变对熔凝层的硬度和应力分布均有很大影响。单道激光熔凝层相变生成的马氏体比例高达80％以上,熔凝强化层的显微硬度值提高2.5～3倍,熔凝区内表现为残余压应力,热影响区则为拉应力;叠道激光熔凝后试件表面实际硬度值有所下降,且搭接区存在局部软化带。计算结果与实际分布规律基本相同,可为制定工艺、预测熔凝区性能变化提供理论依据。     

基体预热温度对涂层表面形貌及残余应力影响的数值模拟

目的为了更好地研究分析不同的基体预热温度对所制备涂层质量的影响。方法采用求解热传导和能量方程,运用有限体积FVM法、流体体积跟踪法VOF追踪熔滴自由表面,建立熔滴撞击基体的三维几何模型,模拟了层片形成过程,分析不同基体预热温度对层片表面形貌的影响以及熔滴内部液滴形态变化的过程,在上述基础上,继续模拟第2个熔滴撞击在已凝固层片,从而形成涂层,进一步分析了不同基体预热温度对涂层表面形貌和残余应力的影响规律。结果随着基体预热温度的提高,沉积物与基体之间的温度梯度减少,有利于熔滴的铺展,铺展时间变长,气体的排放更顺畅,层片中的孔隙率降低,且层片铺展厚度随温度的提高而逐渐降低,而铺展半径逐渐增大,沉积物形貌更接近圆盘状。随着基体预热温度的提高,最终涂层形貌都是边缘厚、中间薄,但涂层中央的致密程度不断提高,且组织中的孔隙量越来越低。结论基体预热温度需处在一个范围,涂层的残余应力才会有一个最优值,使得涂层与基体有比较好的结合强度。     

宽带激光熔凝过程温度场及残余应力数值分析

基于激光宽带熔凝强韧化处理过程,利用有限元软件SYSWELD建立三维有限单元模型,通过设定精确的边界计算条件,同时考虑材料组织与性能随温度的变化,模拟工件表面的温度场和残余应力.考虑了相变潜热、导热系数等材料热物性参数随温度变化等因素的影响,研究激光宽带熔凝加工瞬态温度场和热应力的分布规律.对计算结果进行分析,并与实验数据相比较.结果表明,通过瞬态温度场分布,能够逼真地反映温度变化规律;宽带激光熔凝后,在工件表面获得了有利的残余压应力分布,热影响区存在应力突变.     

激光冲击参数对7050铝合金残余应力场的影响

采用仿真与试验结合的方法,研究了激光冲击参数(光斑直径、激光特性以及峰值压力)对7050合金残余应力场形成机制的影响。结果表明:平顶光加载ø2、ø3和ø4 mm光斑时,最优峰值压力为1500 MPa;高斯光加载时,ø2 mm光斑峰值压力优解为1500 MPa,ø3 mm光斑峰值压力优解为2000 MPa,ø4 mm光斑峰值压力优解为3000 MPa;当峰值压力为1500 MPa时,平顶光冲击后所得最大残余压应力较高斯光增加约10%;当峰值压力大于2000 MPa时,平顶光冲击后的最大残余压应力值受表面汇聚波影响数值较高斯光小。平顶光冲击时,峰值压力实际优解与理论优解保持一致,为1500 MPa;高斯光冲击时,峰值压力实际优解随光斑直径的增加逐渐增加;峰值压力超过2000 MPa后,残余压应力不再有显著增加,且残余应力洞等应力缺陷更容易出现。     

同轴送粉激光增材中扫描速度和基板预热对残余应力的影响

基于顺序热力耦合方法,以铸态K4169合金为基板,进行高温合金GH4169的单道单层激光增材制造的数值仿真,深入分析了激光扫描速度和基板预热对残余应力的影响。结果表明,降低扫描速度可明显降低沉积层与基板结合处在降温过程中的横向平均温度梯度,而对纵向平均温度梯度几乎没有影响,因此可得降低扫描速度对横向残余应力有比较明显的影响,但对纵向残余应力影响很小。提高基板预热温度可明显降低沉积层与基板结合处在降温过程中的横向和纵向平均温度梯度。考虑到工艺参数的改变本质上是通过温度场变化对残余应力产生影响,构建了峰值温度、平均温度梯度与横、纵向残余应力之间的函数关系。分析显示,横向残余应力对峰值温度的影响更为敏感,而纵向残余应力对平均温度梯度的影响更为敏感。     

焊前预热对铝合金激光脉冲点焊的影响

针对铝合金脉冲激光点焊进行了焊前预热的研究,对比了不同预热温度条件下焊点拉力的变化,以及相同预热温度条件下改变激光峰值功率的变化,结果表明,焊前预热能有效抑制焊接裂纹,极大地提高了焊点拉力,同时在预热条件下,较低的激光峰值功率亦能获得很大的焊点拉力。     

钨选区激光熔化应力场的数值模拟

建立了将随温度变化的材料参数特性和相变潜热考虑在内,用“生死单元”技术模拟铺粉过程的钨选区激光熔化热力耦合有限元模型,模拟了选区激光熔化过程中成形件的温度场和应力场,探究了不同基板预热温度和不同支撑结构对成形件残余应力的影响。模拟结果表明,金属钨在选区激光熔化过程中经历多次加热、冷却过程,温度分布不均匀。基板预热和施加支撑结构均能减小成形件的残余应力,当基板预热温度为1273.15K时,成形件中间节点残余应力减小118.99MPa,减小幅度为9.96%;当采用四层网格支撑结构时,成形件中间节点残余应力减小413.33MPa,减小幅度为34.61%。     

预热温度对机匣等离子喷涂铝硅可磨耗封严涂层应力场影响的数值模拟

目的 为确定机匣等离子喷涂铝硅涂层最佳预热温度,揭示不同预热温度对涂层残余应力的影响,优化基体预热温度,降低由于过大的残余应力导致涂层剥落和失效的可能性,为实际生产提供指导。方法 基于热弹塑性有限元理论,使用ANSYSWORKBENCH中稳态热和结构应力模块,建立双层等离子喷涂有限元模型。采用间接热力耦合方法对不同预热温度下的机匣等离子喷涂温度场和应力场进行模拟,分析不同预热温度对面层/黏结层/基体系统温度和应力分布的影响,重点研究了预热温度为30、50、80、120、150、180、200 ℃时涂层的温度场和应力场分布。结果 随着基体预热温度的升高,基体和涂层的温度梯度逐渐减小,面层等效应力逐渐减小,最大等效应力先减小后增大;y轴环向应力和z轴轴向应力分布及变化趋势基本相同;与y轴环向应力和z轴轴向应力相比,基体预热温度的变化对x轴径向拉应力、径向压应力的影响更大。结论 根据涂层的残余应力的分布和变化规律,等离子喷涂铝硅可磨耗封严涂层时,基体预热温度应控制在150 ℃。     

特级生铁对RuT300蠕化工艺的影响

探讨了特级生铁作为原料在12 kg中频感应电炉中生产蠕墨铸铁的熔炼工艺。采用FeSiMg5RE5蠕化剂,硅钡合金孕育剂,以及凹坑法蠕化处理工艺,研究了蠕化剂加入量对蠕化率的影响。实验得出最佳实验工艺:出铁温度(1 560±10)℃,蠕化剂加入量0.45%,蠕化孕育时间(30±2)s,蠕化率高达95%,抗拉强度≥330 MPa,伸长率≥3.0%。     

基板预热、重熔、预烧结对激光选区熔化Ti-47Al-2Cr-2Nb裂纹形成的影响

为了抑制激光选区熔化（SLM）制备Ti-47Al-2Cr-2Nb合金时裂纹的形成,研究了基板预热、重熔和预烧结等方法对裂纹形成和表面质量的影响。结果表明,基板预热、重熔和预烧结可以在一定程度上减少裂纹的形成,致密度提高了1.71%~4.34%;重熔有助于改善表面质量,但会明显降低生产效率;另外,基板预热与预烧结相结合,能更有效地防止裂纹的产生,致密度超过99%。     

基板预热温度对选区激光熔化AlSi9Mg1ScZr微观组织及力学性能的影响

本文研究了基板预热温度对选区激光熔化制备AlSi9Mg1ScZr合金样品微观组织及力学性能的影响,在35℃、85℃、135℃三种不同基板预热温度下,制备了SLM样品并分别进行微观组织观察及性能测试。结果表明,基板预热温度设置为135℃时,由于基板预热温度和激光扫描热输入的共同影响,使合金在打印过程产生了原位时效效应,在保留细小枝晶和Si网格的同时促进了元素从过饱和固溶体中析出。相比基板预热35℃的样品,纳米尺度的Mg2Si相和Si相在α-Al基体及枝晶界析出的数量显著增加,起到了提高强度的作用;但微米尺度富Fe相的析出对塑性产生了负面影响。在基板预热温度设置为135℃时,制备的AlSi9Mg1ScZr合金在0°方向上屈服强度高达360 MPa、抗拉强度高达502 MPa、伸长率为7%;90°方向上屈服强度高达331 MPa、抗拉强度高达511 MPa、伸长率为5.4%。本研究通过提高基板预热温度,在SLM过程中实现了SLM样品的原位时效,改善了SLM制备AlSi9Mg1ScZr合金的微观组织,在不经过后续热处理的情况下,大幅降低了残余应力,得到了超高强度的AlSi9Mg1ScZr合金样品。     

中空环形激光熔覆层温度场与应力场的数值模拟研究

目的研究基于"光束中空、光内送粉"工艺下中空环形激光熔覆层温度场分布规律、应力演化过程及沿熔覆层深度方向上的残余应力分布,为调控或降低光内送粉激光熔覆层残余应力提供参考。方法采用ANSYS软件APDL语言建立单道熔覆层物理模型,利用生死单元法模拟激光加载,从而得到温度场结果,在此基础上进行热力耦合,分析熔覆层内应力演化过程,在熔覆层深度方向上建立路径,得到沿路径方向上的残余应力分布结果,最后进行实验测定。结果当采用中空环形激光束加载时,光斑温度分布呈"马鞍形",熔覆层横切面上温度分布形状呈对称的"W"形,两侧温度高,中间温度低,熔覆层上表面扫描路径上的节点在扫描过程中都会经历两次温度峰值,且第二次温度峰值要高于第一次。热应力随着扫描过程进行而不断变化,由起初产生的熔覆层压应力逐渐转化为拉应力。沿扫描方向上的残余应力值最大,可达到273 MPa。熔覆层深度方向沿扫描方向上的残余应力值在上表面位置有最大值235 MPa,熔覆层与基材接合面处有最小值185MPa。最后结合实验测定,数值计算与实验结果一致。结论中空环形激光光斑"马鞍形"式的能量分布使得熔覆层温度分布更为均匀,可有效降低温度梯度。环形光斑后半环高温区域的重熔作用有利于能量的再分配,有利于减缓应力集中。熔覆层深度方向沿激光扫描方向上的残余应力分布,随着深度的增加而逐渐减小。     

表面曲率对激光冲击曲面材料表面残余应力场分布的影响

目的针对曲面材料在激光冲击作用下,表面曲率对激光冲击波传播存在影响,使其残余应力场分布情况不同于平面,分析其形成机理。方法将研究对象设置为凸模型,借助有限元软件ABAQUS,模拟了1500MPa冲击压力下,激光冲击波分别加载1/5、1/10、1/15曲率的7050铝合金试样。设置相应的平面试样作为对照组,并采用相同参数条件进行实验验证。结果当曲率为1/5时,冲击后的材料表面残余应力场分布不均匀,在母线方向的光斑边缘处,残余压应力仅为-237.0 MPa,塑性应变层深为0.5878μm;在圆周方向的光斑边缘处残余压应力为-258.5 MPa,较母线方向增加9.07%,塑性应变层深达到1.235μm,较母线方向增加110.11%。这一现象随着曲率的减小而逐渐消失,当曲率小于1/15时,表面残余应力场分布近似平面。结论激光冲击凸模型时,表面残余压应力场分布存在偏向现象,即试样沿母线方向的残余压应力值小于圆周方向,其对应的塑性应变深度也呈相同的规律。     

曲面基底工件激光熔覆温度场与应力场数值模拟

目的 研究曲面基底工件激光熔覆的温度场和应力场分布情况。方法 采用数值模拟的方法模拟激光熔覆及冷却过程中的温度场和应力场。通过Ansys软件,采用高斯热源模型模拟圆环柱曲面基底外表面上的激光熔覆过程。在加工过程中,激光头与基底的相对运动为螺旋运动。分析不同功率和扫描速度对温度场和残余应力的影响,以及应力场随时间的变化和残余应力的分布情况。结果 扫描速度对温度场的影响较大,功率和扫描速度对残余应力无明显直接影响,不同功率和扫描速度的残余应力最大值都出现工件外壁中部。在XZ轴面上的径向应力呈现出漏斗形,四周高,中间低,大部分都在–20～20 MPa,起伏较小;周向应力在XZ轴面对角线方向上呈近似抛物线,两端高,中间低,最高值为100 MPa,最低值为–50 MPa,起伏较大;厚度方向的应力分布呈近似半圆锥三维形状,在Z轴方向上为近似直线,在X轴方向上为近似半抛物线,呈现出一端高、一端低、中间部分逐渐下降的趋势,最高值为110 MPa,最低值为–30 MPa,起伏较大。结论 成功研究了曲面基底工件激光熔覆的温度场和应力场分布情况,对曲面基底激光熔覆的工艺参数优化和提高产品质量有一定指导作用。