电子束焊接熔池流场数值模拟研究

基于电子束焊接"钉型"焊缝特征,建立了高斯面和旋转高斯衰减体复合热源模型,采用ANSYS FLOTRAN CFD有限元软件,对焊接熔池流场进行了数值模拟,研究了熔池内液态金属在温度场作用下涡漩流动过程,电子束、熔池、液态金属蒸汽之间相互作用关系,电子束匙孔效应、匙孔壁能量传递方式,熔深方向液态金属流动机理等;将316L不锈钢热物性参数输入复合热源模型,通过仿真计算,得到了316L不锈钢焊接工艺规范,即加速电压为60 kV,电子束流为30 mA,焊接速度为8 mm/s,采用该规范焊接的316L不锈钢试件焊缝拉伸强度为425 MPa,满足设计要求。通过对比数值模拟与实际焊接结果表明:模拟熔池形貌与实际焊缝形貌一致,数值计算结果与焊接试验结果相吻合,从而证明复合热源模型是正确和适用的。     

熔滴过渡模式及丝材对电弧增材制造 Al⁃6.3 Cu合金气孔含量的影响

高强铝合金(Al-6.3Cu)电弧增材制造技术在航天领域具有广泛的应用前景。以电弧增材单壁墙结构为对象,采用气孔面积统计分析的方法,研究了熔滴过渡模式及不同厂家丝材表面质量对成形的Al-6.3Cu铝合金气孔尺寸、数量的影响规律。结果表明,Advanced CMT+P熔滴过渡模式因熔池尺寸小、焊丝与已沉积层表面阴极雾化去除氧化膜充分、熔池搅拌作用强等原因,成形的单壁墙内部气孔较少;丝材表面粗糙度对成形气孔有一定影响,表面粗糙度越高,气孔含量越高。     

CMT增材制造工艺对5356铝合金熔敷层组织及力学性能的影响

采用冷金属过渡(CMT)电弧增材方法,以5356铝合金焊丝为试验对象,研究了送丝速度与焊接速度对5356铝合金电弧增材制造成形的影响,并分析了熔覆层微观组织特性和增材试样的力学性能。结果表明:送丝速度和焊接速度是电弧增材制造尺寸精度的重要影响因素;熔覆层微观组织可分为3个区域。不同焊接速度下,增材试样的力学性能均超过焊丝拉伸强度标准值,抗拉强度平均值达到274.7 MPa。     

6061锻铝合金板材焊接工艺研究

通过对6061锻铝合金板焊接性能和力学性能的工艺研究,掌握了该种铝合金的基本焊接性能,验证了所选焊接参数和焊接材料的可行性。试验数据表明,厚度25.4mm板,选用Φ3.2mm ER4043焊丝,采用熔化极大电流自动焊的焊接方法,以及合理的焊接规范,可获得良好的焊缝机械性能,实际应用效果良好。     

6061铝合金激光焊温度场与应力场数值模拟研究

为了解决激光焊接铝合金对接接头的质量问题，本文采用热-结构耦合有限元技术，建立了在移动高斯热源作用下的三维激光焊接温度场和应力应变场的计算模型。首先，利用有限元软件MSC.Marc模拟焊接过程中试片级试样的温度和应力的变化及其变形情况;其次，研究试样瞬态温度场和应力应变场的变化规律及其分布特征;最后，探讨激光功率和焊接速度对接头质量的影响规律。试验中所选取的激光功率和焊接速度等工艺参数均通过数值模拟进行优化，并根据优化后的工艺参数完成激光焊接4 mm厚6061-T6铝合金平板对接试验。通过对焊接接头形貌的观察及分析进行热源校核，结果表明:仿真计算得到的焊接熔池边界温度达到6061铝合金熔点以上，且其形状分布与实际试验所得焊缝边界基本吻合，从而验证了模拟结果的准确性和可靠性。     

大功率激光能量传输多光束协同捕获瞄准与跟踪技术研究

以用于空间太阳能电站的远距离、大功率激光无线能量传输为研究背景,以提高系统能量传输效率为宗旨,针对多光束传输的激光无线能量传输系统协同捕获、瞄准与跟踪(APT)方法进行研究。首先通过对大功率激光无线能量传输系统的分析,获知了单光束激光无线能量传输系统的局限性,然后针对大功率、多光束激光无线能量传输系统的协同APT系统组成,分析了单终端多光束系统和多终端多光束系统的实现方法及构成,最后针对单光束、7光束和9光束发射系统的目标重构光斑进行仿真,仿真结果表明,通过精确的多光束协同APT系统可以实现光束重构,重构后的能量光斑能量密度和分布都能得到改善。文章的研究成果将为建造用于空间太阳能电站的大功率、远距离激光能量传输系统提供技术储备和理论依据。     

自锁阀激光焊接工艺研究

研究了自锁阀激光焊接焦点位置与焊缝熔深之间的关系、焊接速度和激光功率与焊缝熔深之间的关系,分析了随着激光功率增加,不同焦点位置的焊接过程依次经历稳定热导焊,热导焊、深熔焊交替进行的不稳定焊接和稳定深熔焊接三种模式,进而研究了稳定焊接模式下工艺参数与焊缝熔深之间的关系,得出了自锁阀在稳定焊接模式下的最佳焊接工艺规范参数.采用该激光焊接工艺规范焊接的常压和高压自锁阀焊缝外观质量、气密、液压以及焊缝氦质谱检漏试验结果全部满足设计要求.常压和高压自锁阀已经应用于嫦娥五号、探月工程、东风导弹武器系统、货运飞船、921-3推进分系统、东方红三号等推进系统的液体火箭发动机之中.     

粗丝自动MIG焊双面单层焊道成形研究

LF6R铝合金板材,采用粗丝熔化极自动氩弧焊,其焊缝形式为双面单层焊缝。通过调节焊接电流、电弧电压、焊接速度、保护气体流量及氩(Ar)、氦(He)混合比例等控制焊缝成形及焊接质量的关键参数,获得的双面单层焊缝外观、内部质量及焊接接头常温力学性能,满足设计图样及专用焊接技术条件的要求。     

大熔深激光焊气孔抑制技术

针对空间发动机中频繁出现的大熔深激光焊需求,以及随之而来的工艺性气孔超标问题,在3种工艺模式下开展了气孔抑制技术研究:一为非熔透焊模式、稍快焊接速度、正向大幅提高离焦量(≥4 mm)、负方向适当倾斜入射(-10°)和辅以大功率补偿熔深;二为非熔透焊模式、普通焊接速度、正向少许提高离焦量、垂直入射、特定扫描波形(O形)、特定扫描频率(100～150 Hz)和特定扫描幅度(0.4～0.6mm);三为稳定熔透焊模式、稍慢焊接速度、表面聚焦、垂直入射、调整功率保证焊缝背宽比介于适宜范围内(0.45～0.65)。最终试验结果显示在4 mm熔深前提下,3种方法皆可将焊缝气孔率控制在5%以下,满足航天焊接标准的II级质量要求,且采用最佳工艺规范焊接的产品已通过了飞行试验考核。     

电流对激光-电阻复合焊接铝合金焊缝成形的影响

采用激光-电阻缝焊复合焊接进行了铝合金T型接头焊接试验,并通过改变滚轮电极形状、电流流过方式和电流大小等研究了不同焊接电流对焊缝成形的影响规律。试验结果表明:对于单侧双滚轮电阻缝焊与激光复合焊接来说,采用圆弧形滚轮电极,一滚轮作用于蒙皮、另一滚轮作用于骨架进行复合焊接,有利于获得良好的焊缝成形和优质焊接接头。此外,激光-电阻缝焊复合焊接铝合金T型接头的焊缝组织与力学性能测试结果表明:与单激光焊接相比,激光-电阻缝焊复合焊接虽然由于热输入量增大,导致析出相明显长大;但由于复合焊接增加了搭接面熔合尺寸,焊接接头抗剪力可以提高24.7%左右。     

Dynamics of space welding impact and corresponding safety welding study

This study was undertaken in order to be sure that no hazard would exist from impingement of hot molten metal particle detachments upon an astronauts space suit during any future electron beam welding exercises or experiments. The conditions under which molten metal detachments might occur in a space welding environment were analyzed. The safety issue is important during welding with regards to potential molten metal detachments from the weld pool and cold filler wire during electron beam welding in space. Theoretical models were developed to predict the possibility and size of the molten metal detachment hazards during the electron beam welding exercises at low earth orbit. Some possible ways of obtaining molten metal drop detachments would include an impulse force, or bump, to the weld sample, cut surface, or filler wire. Theoretical models were determined for these detachment concerns from principles of impact and kinetic energies, surface tension, drop geometry, surface energies, and particle dynamics. A weld pool detachment parameter for specifying the conditions for metal weld pool detachment by impact was derived and correlated to the experimental results. The experimental results were for the most part consistent with the theoretical analysis and predictions.     

多层波纹管焊接接头设计与焊接工艺研究

介绍了多层波纹管焊接接头结构形式,分析了多层波纹管的焊接工艺性及工艺难点。采用滚焊+熔焊的焊接工艺,解决了焊接后焊缝气孔缺陷、熔深浅的问题。改进后的批产试验件焊缝一次交检全部达到I级标准,并通过地面单元试验考核。     

大型薄壁多层编织铜超声焊接接头组织与性能

利用超声波焊接技术实现大平面超薄铜箔与多股双层镀银编织铜的焊接,该技术服役于将来的中国空间站。分析了不同参数对连接力学性能的影响,利用扫描电子显微镜对典型接头界面处的微观组织特征进行了分析,并采用有限元仿真的方式对连接行为进行了仿真。结果表明:采用超声波焊接实现了薄壁铜层与镀银编织铜的焊接,焊点连接面处组织致密,无明显缺陷;焊点连接处由Ag和Cu元素组成,焊接温度远未达到熔点,为低温连接行为,其连接机理为扩散连接;在焊接能量为120 J、0.276 MPa参数下,母材拉脱力可达到90 N。     

电连接器接点焊接工艺研究

针对航天产品电连接器接点焊点与引线断裂失效问题,分析了焊接过程中助焊剂、焊料、焊接工具和防护套等对接点焊接质量的影响。结合实践经验,提出相关工作参数和材料的选取原则,确定了生产中焊接技术的质量控制点。     

T250与30CrMnSiA异种材料焊接工艺技术

从冶金方面分析了T250与30CrMnSiA材料焊接工艺性。通过手工钨极氩弧焊焊接工艺研究试验,选择焊丝材料,确定材料焊接状态,制定了合理有效的焊接工艺规范和措施。采用光学金相显微镜、维氏硬度测试和力学性能检测等手段,对T250与30CrMnSiA异种材料焊接接头金相组织、力学性能和显微硬度等方面进行详细分析。结果表明,T250和30GrMnSiA异种材料具有良好的焊接性,填充HT250焊丝,采用热输入量较小的焊接电流进行焊接,接头强度与30GrMnSiA材料强度相当。     

模拟月壤激光熔融成型工艺参数试验初探

月壤3D打印可以实现月球的原位资源利用,有望成为月球基地建设和持久运营维护的关键技术手段。文章综述了模拟月壤激光3D打印方法的研究现状,搭建了以CUG-1A模拟月壤为原料的激光熔融成型原理试验系统,并开展了常规环境工艺参数的初步试验。结果显示:激光功率和扫描速度影响激光熔融深度和直径,是模拟月壤激光熔融成型的关键工艺参数;模拟月壤熔融成型过程易出现孔洞、球化等典型缺陷,需要进一步对月壤激光相变机理和上述成型工艺参数进行解析优化。     

铝合金联装架焊接残余应力和变形数值模拟

基于SYSWELD有限元分析软件,以某新型战术型号铝合金联装架为产品对象,选取支撑框配对组件、弹位组件和立方体组件为典型结构件进行焊接残余应力和变形数值模拟,以期表征铝合金联装架焊接过程的残余应力分布和变形趋势。结果表明:焊缝及其附近热影响区的Von-Mises应力较高,甚至超过了5A06铝合金材料的常温屈服强度;支撑框组件焊后最大变形出现于长矩形管中央,约为6.44 mm;弹位组件的焊接变形整体表现为凹向三维结构内腔,焊接变形也多集中在长矩形管上,最大变形约为5.21 mm。另外,采用对称分散焊过程产生的焊接变形量小于逐条焊缝焊接过程,但焊接残余应力趋势则相反。     

Friction Stir Welding of Metal Matrix Composites for use in aerospace structures

Friction Stir Welding (FSW) is a relatively nascent solid state joining technique developed at The Welding Institute (TWI) in 1991. The process was first used at NASA to weld the super lightweight external tank for the Space Shuttle. Today FSW is used to join structural components of the Delta IV, Atlas V, and Falcon IX rockets as well as the Orion Crew Exploration Vehicle. A current focus of FSW research is to extend the process to new materials which are difficult to weld using conventional fusion techniques. Metal Matrix Composites (MMCs) consist of a metal alloy reinforced with ceramics and have a very high strength to weight ratio, a property which makes them attractive for use in aerospace and defense applications. MMCs have found use in the space shuttle orbiter's structural tubing, the Hubble Space Telescope's antenna mast, control surfaces and propulsion systems for aircraft, and tank armors. The size of MMC components is severely limited by difficulties encountered in joining these materials using fusion welding. Melting of the material results in formation of an undesirable phase (formed when molten Aluminum reacts with the reinforcement) which leaves a strength depleted region along the joint line. Since FSW occurs below the melting point of the workpiece material, this deleterious phase is absent in FSW-ed MMC joints. FSW of MMCs is, however, plagued by rapid wear of the welding tool, a consequence of the large discrepancy in hardness between the steel tool and the reinforcement material. This work characterizes the effect of process parameters (spindle speed, traverse rate, and length of joint) on the wear process. Based on the results of these experiments, a phenomenological model of the wear process was constructed based on the rotating plug model for FSW. The effectiveness of harder tool materials (such as Tungsten Carbide, high speed steel, and tools with diamond coatings) to combat abrasive wear is explored. In-process force, torque, and vibration signals are analyzed to assess the feasibility of on-line monitoring of tool shape changes as a result of wear (an advancement which would eliminate the need for off-line evaluation of tool condition during joining). Monitoring, controlling, and reducing tool wear in FSW of MMCs is essential to the implementation of these materials in structures (such as launch vehicles) where they would be of maximum benefit.     

电子束熔丝沉积快速制造成型技术与组织特征

利用电子束熔丝沉积快速制造技术制备了TC4钛合金薄壁结构和实体结构试样,分析了成型技术特点,探讨了组织形貌特征及形成机制。研究表明:对于薄壁结构,采用合理的工艺参数,获得的熔积层的宽度为7.4mm,层高为1.5mm;结构纵截面的组织形貌特征是原始β柱状晶与沉积高度方向大约成15°角,较为粗大,宽3～5mm,单个柱状晶贯穿几层到十几层熔积层不等。对于实体结构,熔积间距为4.7mm时得到的试样表面较为平整,熔积高度基本一致;试样纵截面可观察到明显的层带,而原始β柱状晶垂直向上生长。