旁路耦合微束等离子弧堆垛与熔池动态行为数值模拟

针对旁路耦合微束等离子弧增材制造堆垛过程中熔滴与熔池的动态行为,在考虑自由表面的情况下,建立一个熔滴与熔池耦合作用的传热与传质模型,分析表面张力和熔滴冲击动量共同作用下的熔池瞬态形状和复杂的流体流动行为,并通过试验验证了模型的正确性。研究发现:当熔滴携带热量冲击熔池时,熔池温度升高,熔池中的最大速度可增大到2.06 m/s;随着进入熔池的熔滴数目增加,熔池余高增加,熔宽增加,而熔深基本不变;同时,当旁路电流增大时,母材温度较低,造成更浅的熔深,更高的余高和更小的熔宽,熔池液态金属的流动也不稳定;增加熔滴间隔时间后,每一层的顶部半径随着层数增加而减小。     

微束等离子弧焊三维焊接堆垛过程塌陷

采用搭建的三维运动平台对微束等离子弧焊三维焊接堆垛过程中收弧位置塌陷问题进行了研究,利用CCD相机实时跟踪拍摄整个三维焊接堆垛过程,在此基础上分析了堆垛过程中的熔池流动和熔滴过渡变化,并分析了熔池所受作用力及焊接工艺参数对塌陷的影响.结果表明,收弧位置堆垛墙体下塌是由于被挤压到熔池尾部的液态金属来不及回流以及焊丝最后的熔滴未过渡到熔池中导致填充金属不足、熔覆金属的流淌造成的,且随着堆垛墙体收弧端的下塌量累积,熔滴不能稳定过渡到熔池中,进一步加剧了堆垛墙体在收弧端的塌陷,从而使得三维焊接堆垛过程难以继续.     

微纳米尺度单晶铜各向异性纳米力学分析

采用纳米压痕测量仪对<100>、<110>、<111>不同取向的单晶铜进行了微纳米尺度纳米压痕试验,并对其硬度、约化弹性模量及卸载过程形貌等进行了对比分析.结果表明:在微纳米尺度下,不同取向单晶铜硬度值存在明显的尺寸效应,当压入深度小于30 nm时,单晶铜的硬度值随着压入深度的增加而增大,随后随着压入深度的增加而逐渐减小至0.8 GPa左右.<110>取向单晶铜的约化弹性模量值最大,<111>取向次之,<100>取向最小;<100>、<110>、<111>取向单晶铜的卸载表面均出现明显的堆积现象,其中<110>取向单晶铜出现明显的二维对称堆积形貌,<100>取向单晶铜的弹性恢复位移最大,而<110>取向单晶铜的弹性恢复位移最小.     

基于示踪粒子的摆动TIG填丝焊熔池行为数值分析

为了使TIG焊熔池液态金属分布更加均匀,在普通TIG填丝焊的基础上,研究焊枪摆动对熔池行为的影响.建立了焊枪摆动的TIG填丝焊的数学模型,并利用示踪粒子的方法,对比普通TIG填丝焊和摆动TIG填丝焊的熔池温度场、流场及熔滴质量分布.结果表明,普通TIG填丝焊与摆动TIG填丝焊熔池轮廓基本一样,但摆动TIG焊通过摆动电弧,导致熔池内流场行为发生了改变,进而影响了温度场的分布,使熔池内温度分布更加均匀;示踪粒子分布表明,在TIG填丝焊中,摆动TIG填丝焊能够使熔滴金属更加均匀的分布在熔池中.     

旁路耦合微束等离子弧焊熔滴过渡特性分析

使用高速摄影采集不同旁路电流、送丝速度和离子气流量下旁路耦合微束等离子弧焊的熔滴过渡图像,研究了熔滴过渡过程,并采用静力平衡理论,分析了熔滴所受的主要作用力。结果表明,当焊接总电流一定时,随着旁路电流的增大熔滴过渡频率随之减小,熔滴尺寸随之增大,旁路电弧对熔滴过渡起阻碍作用;其它参数不变的情况下,熔滴过渡频率随送丝速度的增大先增大后减小,随离子气流量的增大而增大。当焊丝在等离子弧边缘熔化时,重力是促进熔滴过渡的主要作用力,且由于斑点力在水平方向上的分力大于电磁力在水平方向上的分力,熔滴呈排斥过渡;当焊丝在等离子弧中心熔化时,等离子流力是促进熔滴过渡的主要作用力。