CMT电弧增材制造过程电弧特性对熔滴过渡行为的影响机理研究

冷金属过渡(CMT)电弧增材制造技术具有沉积效率高、制造成本低等优势,在航空用大尺寸构件的快速成型领域应用前景广阔。对于电弧增材制造大型构件需采用大电流来进一步提高沉积效率,但在此高电流模式下电弧放电过程对熔滴过渡行为的影响机理尚不明确。因此,本研究采用高速摄像仪观察了电弧增材制造过程中电弧形态及熔滴过渡行为,同时通过建立电弧模型及熔滴过渡模型,分析了在不同电流波段及工艺参数下熔滴过渡频率及熔滴尺寸变化规律,最终揭示了电弧放电过程中电流密度、洛伦兹力等物理因素对熔滴过渡的作用机理。结果表明,电弧宽度与洛伦兹力决定熔滴在电弧放电过程中的受力大小,进而决定熔滴尺寸及其过渡频率。随着送丝速度从5.5 m/min增大至7.0 m/min时,电流峰值持续时间增加了1倍左右,同时电弧宽度与电流密度的随之增加,使得熔滴过渡过程中电磁力上升,熔滴尺寸下降14%且射滴过渡频率增加了3～4倍。当瞬时电流进入熄弧阶段时,熔滴过渡形式转变为短路过渡。随着送丝速度的增加,短路过渡频率从29 Hz减少至20 Hz。     

多层多道焊接残余应力与变形三维数值模拟

大型复杂焊接结构件的主要接头形式为平板对接,开展对平板对接多层多道焊接三维数值模拟研究十分必要。通过控制网格尺寸和边界条件进行优化来平衡模拟精度和计算效率的问题,并采用试验测量和MSC.MARC有限元模拟相结合方法分析焊接残余应力与变形趋势。结果表明,该多层多道焊接数值模拟采用位移约束和弹簧约束混和边界条件,在焊缝最大网格尺寸为2 mm时,计算效率和精度匹配效果最佳,有限元计算结果与试验测量结果吻合良好,证明该有限元模型的合理性。     

钢材焊接热影响区固态相变过程组织模拟系统

以现有焊接CCT图为基础,研究其在分析材料焊接性和不同条件下热影响区组织和性能的作用.结合AutoCAD和高级编程语言绘制电子版的焊接CCT图,并根据冷却时间计算模型,建立系统平台,对钢材在不同的焊接工艺条件下进行组织模拟和性能的预测.该系统的研制对优化焊接工艺,提高焊接接头性能具有重要的指导作用.     

机身壁板结构双光束双侧激光焊工艺及设备研究进展

激光焊作为一种高质量、高精度、低变形和高速度的焊接方法,在航空制造业中的应用越来越广泛.机身壁板由铆接改为焊接,可以提高生产效率,极大地减轻构件的重量,同时具有更良好的气密性.采用双光束双侧激光焊接工艺生产的客机机身壁板蒙皮长桁连接结构整体壁板,已被空客多种成熟机型大量采用.文中主要介绍双光束激光焊接工艺以及相应的大型激光焊接平台的系统结构、特点和功能,从而对国内建设类似的大型激光焊接平台进行探讨性分析与建议.     

钛合金板翅式结构真空钎焊过程温度场均匀性研究

板翅结构具有更高的换热效率与性价比,广泛应用于航空航天、超导、石油化工等领域。同时,高温高压高载荷的恶劣环境要求板翅结构具有更优异的力学性能、更高的安全性与可靠性。因此,针对钛合金板翅结构真空钎焊过程开展温度场均匀性研究,探究加热带分布、升温速率对板翅结构温度场均匀性的影响规律与机理,明晰炉膛内温度场分布规律。结果表明,工件温度场均匀性受工件结构的影响显著,炉膛中心区域温度最高,但板翅结构的峰值温度位于板翅结构两侧。当工件受到热辐射的方向性较差时,其温度均匀性更好,因此间隔分布的加热带温度均匀性更优。而升温速率增大时,工件的温度场均匀性变差。其仿真结果为优化钛合金板翅结构钎焊工艺提供了理论基础。     

厚板Invar合金多层多道焊反变形数值模拟

文中针对19.05 mm厚Invar合金模具材料多层多道MIG焊接,采用有限元仿真分析和试验验证相结合的方法,分别对无反变形角的模型和施加不同反变形角的模型进行数值模拟,用模拟时所设计的反变形角进行Invar合金多层多道MIG焊试验,分析焊后试样的变形情况,与模拟结果对比分析.结果表明,当施加的反变形角为2°时可以有效控制100 mm × 100 mm × 19.05 mm的Invar合金四层十道MIG焊的焊后角变形,焊后残余翘曲高度为?0.11 mm,焊后残余角变形为?0.12°,与模拟结果的误差在8%之内. 结果表明,有限元模拟技术对于试验探究具有预测和引导作用.     

Ni-Cr二元合金焊接熔池中柱状枝晶生长模拟

通过构建元胞自动机与有限差分耦合的CA-FD(cellular automaton-finite difference)模型,实现Ni-Cr二元合金焊接熔池柱状枝晶生长过程的模拟,研究熔池边缘柱状晶的生长过程以及该过程中的溶质浓度分布形态.模拟结果再现了焊接熔池中二次、三次枝晶的生长,枝晶间的竞争生长以及晶界偏析等微观现象.基于模拟结果深入分析了焊接熔池中枝晶生长的特点,同时对溶质浓度场进行了定量分析.对模拟结果的分析表明,焊接熔池中枝晶间竞争生长激烈,枝晶形态复杂,枝晶偏析和晶界偏析显著.     

焊接热循环和变形历史相关的A7N01-T6本构关系

建立了与焊接热循环温度和热变形历史相关的铝合金本构关系,利用MSC.MARC二次开发接口和Fortran语言,以塑性变形有限元计算增量理论为基础,开发了适用于焊接过程的材料本构关系用户子程序.采用弹塑性(混合硬化)和蠕变性质(应变软化)描述低温应变硬化特征和高温动态回复及再结晶引起的应变软化特征,不同温度的本构关系形式一致而参数不同.结果表明,焊件的残余应力和应变结果与理论结果吻合良好.与采用理想弹塑性本构关系相比,采用新开发的本构关系,高温应变软化和低温应变硬化导致等效残余应力基本不变,纵向残余压缩塑性应变较大,相应的焊接残余变形也较大.     

复杂结构与高性能材料增材制造技术进展

采用电流恒定的快速电弧模式对316L不锈钢进行电弧增材制造.探索了构件的工艺成形性,并采用金相显微镜与场发射扫描电子显微镜对比研究了成形件不同区域微观组织与力学性能.结果表明,在单层熔覆层内,一次枝晶随着沉积方向从针状树枝晶,薄带状树枝晶向柱状树枝晶转变.同时,二次枝晶尺寸也随着沉积层堆积高度逐渐增大.在试样底部,中部与顶部的二次枝晶臂尺寸分别为11.54 μm,12.50 μm,15.52 μm,其尺寸随着热累积的增加而不断增大.此外,试样沿沉积方向与扫描方向的抗拉强度为517 MPa和527 MPa,均超过了锻材强度.试样断后伸长率为22.5%和15.0%.两种方向的拉伸试样断裂模式均为韧性断裂,但沿扫描方向制造的试样塑韧性优于沉积方向试样.     

镍基合金焊接熔池凝固组织模拟

对原有元胞自动机中网格的捕获规则进行修正,完善了"对角线模拟角度"法则,并用其成功地模拟了镍基合金熔池凝固过程枝晶生长以及晶界偏析情况.结果表明,在焊接熔池凝固过程中,不同取向的晶粒之间存在着激烈的竞争生长.结晶取向与温度梯度最大的方向相一致的晶粒生长速度快,将其它取向的晶粒淘汰,在竞争中能够持续生长.同时,在枝晶与枝晶、枝晶臂与枝晶臂之间的残余液相中,存在溶质堆积现象,在凝固过程结束后,形成了严重的晶界偏析.