TC17钛合金激光熔覆熔池实时监测算法研究

航空发动机钛合金压气机叶片工作时,由于长时间高强度服役和异物损伤,叶片会发生变形、凹痕、磨损、裂纹甚至断裂。激光熔覆技术因其热影响区小、沉积性能好、成形精度和自动化程度高,已经成为叶片修复的重要方法之一。熔池几何特征是影响熔覆质量的关键因素,因此本文针对熔池实时监测,提出了一种基于图像处理的识别测量算法。首先,通过图像掩膜提取ROI区域,再对ROI区域进行伽马变换、阈值二值化实现熔池区域的分割;然后计算轮廓面积特征进行去噪;最后采用AABB包围盒对熔池的几何特征进行提取,实现了熔覆过程中熔池长宽的实时监测。最终通过多参数正交试验,验证算法平均识别误差为0.24 mm。     

激光-GMAW复合热源焊接熔池-小孔行为分析

掌握和深入理解激光-GMAW复合热源焊接过程中的熔池与小孔行为,是实现复合热源焊接工艺参数优化并将其应用于实际工程的前提.综合考虑激光和电弧的热-力作用以及熔滴过渡带入熔池的质量、热量和动量,建立了激光-GMAW复合热源焊接过程的数值分析模型.定量分析了复合热源焊接过程中熔池流体流动与传热过程以及小孔的动态行为.数值分析结果表明,小孔壁面上各种力相互作用和影响,在小孔前/后壁上会周期性地出现微小凸台,小孔孔道处于短暂瞬间闭合与重新张开的瞬时演变状态.熔滴冲击造成的熔池凹陷与小孔周期性合并与分离,加剧了小孔的不稳定性.熔池内形成两个方向相反的涡流,并在电弧下方附近发生交汇.     

2060铝锂合金薄板激光深熔焊流场形态及焊缝特征分析

采用激光深熔焊接技术,对厚度为2mm的2060铝锂合金进行平板对接激光深熔焊接试验,并开展焊接熔池形貌仿真模拟研究。建立了焊接结构的热流耦合模型,并进行了相关的试验校核。在此基础上,开展了不同工艺参数条件下的流场仿真。基于仿真结果分析了不同激光功率和焊接速度对熔池形貌的影响。研究结果表明,激光功率、焊接速度等参数对熔池匙孔有显著影响。     

电子束熔覆改性技术扫描波形设计

根据电子束扫描特性,设计电子束熔覆改性试验所用波形,利用该波形进行钛合金表面熔凝和硅化物涂层重熔试验,研究了扫描波形对电子束单道熔覆能量输入均匀性的影响。结果表明,电子束熔覆过程中熔池表面温度场均匀性是扫描波形、电子束束斑品质、扫描频率和工艺参数综合影响的结果,所设计波形可用于电子束熔覆表面改性技术,改性层厚度均匀一致,扫描波形是影响电子束熔覆过程中熔池表面温度场均匀性的关键因素。     

工艺技术

焊接高强度铝合金时减少热裂纹的技术在气体保护钨极弧焊接（GTAW）高强度铝合金2024时采用了在焊枪后面增加移动热沉（急冷源）的方法，可减少甚至消除热裂纹。这是在采用先进的有限元分析和系统试验的基础上进行的。有限元分析法用于研究焊接过程中在脆性温度范围内（BTR）焊接金属时的热机械性能。传统GTA焊接铝合金时在熔池后面发现了BTR内的拉伸变形区。如果不能进一步改进焊接金属热延展性，那么要减少热裂纹就必须消除熔池后面的拉伸变形区，或把它减少到满意的程度。采用计算模型发现，通过使用焊弧后面的相隔一定距离的移动…     

随行辅助预热电子束薄板焊接的数值模拟

电子束焊接薄板过程中,由于局部加热过快,易产生焊接变形。因此,在电子束焊接的主热源两侧引入基于高频扫描技术的电子束辅助热源,进行焊前预热,以达到减小焊接变形的目的。建立了矩形均匀加热辅助热源模型,采用热弹塑性有限元分析方法对1.5mm厚不锈钢薄板随行辅助预热电子束焊接进行数值模拟,并且进行了试验验证。结果表明,焊后残余应力和变形的模拟结果与试验所得结论一致。电子束焊接随行辅助预热方法不仅可以改变熔池前方材料的应力状态,而且当熔池形成瞬间熔池时,还可以减小前方材料的压应力峰值,有利于减小薄板结构的焊接变形。     

工艺参数对线性摩擦焊接45#钢温度场及轴向缩短量影响的数值模拟分析

基于ABAQUS/Explicit显式有限元分析软件,采用开发的线性摩擦焊接同质接头的二维计算模型,研究了工艺参数对线性摩擦焊接45#钢接头温度场和轴向缩短量的影响。结果表明,提高振动频率、振幅、摩擦压力,界面温度能在更短时间上升至较高温度,且轴向缩短量以较快速率达到更大值,3者对计算结果的影响,统一于热输入功率;当热输入功率超过某一临界值时,缩短量与其呈线性关系。     

镍基高温合金电子束焊缝形貌预测模型及其验证

针对深熔电子束焊特有的钉形焊缝形貌特征,在综合考虑了熔池和匙孔中能量吸收与再分布效应的基础上,建立了高斯面热源和圆柱体热源组合的移动热输入数值模型。进而利用ANSYS通用有限元软件,对镍基高温合金GH4133电子束焊的完全穿透和部分穿透焊接温度场进行了三维数值模拟,分析中考虑了辐射换热和温度相关材料性能的影响。两种情况下的预测结果与实际接头的焊缝金相轮廓吻合良好,证明了组合热源模型的有效性,为进一步开展热-力-组织多场耦合的准确分析提供了可靠的保证。     

300M钢激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层温度场数值模拟研究

为了提高飞机起落架减震支柱300M超高强钢的抗磨性能,突破由于温度梯度过大诱发的激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层裂纹等技术瓶颈,基于ANSYS软件的生死单元法编制热循环程序,考虑自润滑相和耐磨相材料热物性参数随温度的变化、相变潜热、激光熔覆过程中与外界的换热、激光熔覆功率、激光熔覆扫描速率等因素对激光熔覆过程温度场、熔池、温度梯度的影响,建立300M超高强钢激光熔覆耐磨防腐自润滑涂层温度仿真模型。结果表明:基体的熔化需要激光、熔化的粉末等综合作用使传导到该区域的有效能量达到熔化的临界值,熔化高度增加率随激光功率的增加先降低后增加,熔化高度减少率随激光扫描速率的增加先变小后变大;由于激光熔覆的不同区域温度、冷却速率差异等综合因素影响,熔覆层熔池的纵截面为勺状熔池;伴随激光功率的增加,由于熔覆层不同区域对能量输入产生的温度响应速率差异导致Z方向温度梯度值增加,且最大冷却速率增加;伴随激光扫描速率的增加,激光输入能量降低,降低了高温区域温度及激光的快速局部加热等综合影响,Z方向温度梯度值降低。通过调控激光参数,在保持熔覆层结合强度的条件下,基体熔凝区能被控制到最小,并能够降低温度梯度。     

CO_2激光焊接TC4熔池红外光辐射信号与焊接参数的关系

利用CCD摄像机以及红外光辐射信号监测系统系统地研究了钛合金TC4激光焊接过程中红外光辐射信号的特征以及焊接线能量与熔池红外光辐射信号熔池面积的关系。研究表明,(1)对应整条焊缝,红外光辐射信号可明显分为3个阶段,分别对应焊接起始阶段、准稳态阶段及焊接收弧阶段(;2)当线能量增加(功率不变焊接速度降低)时,熔池面积变大,红外光辐射信号相对强度随之增强;(3)熔池面积与红外光辐射信号相对强度之间存在相同的变化规律,因此利用红外光辐射信号可以相当准确地监测焊接过程的熔池面积变化,进而监测焊接过程的稳定性。     

激光深熔焊熔池动力学特性理论分析

探讨了激光深熔焊过程中焊接熔池流体流动的各种驱动力,分析了熔池流动热边界层和固液界面粘性边界层的作用,研究了激光小孔出口的等离子体焰流对熔池Marangoni流的影响.     

活性化焊剂对堆焊焊缝熔深的影响

在采用TIG焊接方法时，在奥氏体不锈钢的表面涂敷一层活性化焊剂进行焊接，会影响焊缝熔深的变化。研究结果表明：在相同焊接工艺参数下，与普通TIG焊相比，涂敷活性化焊剂对焊缝熔深有一定的影响，A—TIG焊的焊缝熔深要明显大于普通TIG焊的焊缝熔深，并且不同的活性化焊剂成分对焊缝熔深有不同的影响，活性化焊剂F5可使堆焊焊缝熔深达到6．39mm。     

10mm厚TC11钛合金电子束焊接熔池传热与流动行为研究

采用ANSYS软件中的Flotran模块,建立了基于高斯面热源与峰值热流递增的旋转体热源相结合的新型复合热源模型,合理地模拟了10mm厚TC11钛合金平板的电子束焊接熔池传热与流动行为。结果表明:计算熔池边界与真实焊缝的熔合线轮廓吻合较好,均呈现电子束焊接典型的"钉子形"焊缝。     

焊接顺序对TA15钛合金壁板焊接变形的影响

建立了TA15钛合金壁板焊接有限元模型,利用热弹塑性有限元法分析了焊接顺序对壁板变形的影响。通过对比焊缝截面宏观形貌和残余应力,建立了TIG穿透焊焊接工艺的双椭球热源模型,进而模拟了5种焊接顺序下壁板变形情况。结果表明:按从一侧开始的顺序进行焊接时,下壁板中部边缘凸起,最大变形量为3.9mm;采用对称施焊,可有效地控制壁板变形量。     

双焦点激光焊接工艺参数对焊缝成形影响

通过利用自行研制的分束焊接头将一束激光分为能量相当的两束激光,在沿焊缝方向上串联产生了两个焦点.通过该试验系统研究了在双焦点激光焊接过程中参数的变化对焊缝成形和熔深的影响规律,探索了双焦点激光焊接最佳工艺的参数调节,试验结果表明,双焦点激光焊接显著改善了焊接质量,焊缝的中心线开裂敏感性也降低.双焦点激光焊接过程中,激光功率、焊接速度、离焦量等参数的变化,均能对焊缝成形和熔深产生显著影响,进而影响焊缝的微观组织和宏观形状.     

基于图像的腐蚀损伤及疲劳寿命研究

在实验室环境下,对航空LY12CZ铝合金试件进行了腐蚀试验,然后采用图像处理的方法,提取了孔蚀率、点蚀坑分形维数、点蚀坑半径3种腐蚀形貌特征值,通过灰色预测方法对腐蚀形貌特征值与腐蚀损伤之间的关系进行了研究,得到了基于形貌特征值的GM(1,3)腐蚀损伤预测模型。在此基础上,利用AFGROW软件建立了断裂力学模型,对不同腐蚀形貌特征条件下LY12CZ试件的疲劳寿命进行了计算与讨论。结果表明,试件的疲劳寿命与其表面腐蚀形貌密切相关,3种腐蚀形貌特征值均与试件的疲劳寿命负相关。此外,基于腐蚀形貌特征值计算得到的疲劳寿命值与利用实测点蚀坑深度计算得到的疲劳寿命值吻合较好,平均相对误差为8.84%。     

航空发动机机匣电子束焊接变形模拟分析与优化

为了对焊接变形进行预测与控制,建立了焊接接头的弹塑性有限元模型,并对电子束热源模型进行了校核,获得了接头焊接位置的塑性应变区域大小;建立了风扇叶片机匣3D壳单元有限元模型,并采用固有应变法对机匣焊接变形进行了模拟计算,获取了焊接过程的变形分布,通过实测机匣变形量并与仿真结果进行对标,验证了模型的准确性;通过对风扇叶片机匣焊接顺序以及焊接熔池宽度等工艺参数的优化,获得了控制风扇叶片机匣焊后变形的最优方案。结果表明:模拟与实测的平均变形误差仅10.3%,基于固有应变法的中心面3D壳单元有限元模型适用于大型复杂薄壁件的电子束焊接变形预测,该方法已得到应用;风扇叶片机匣焊接熔池宽度的优化能够有效控制焊后变形,焊缝上熔池宽度降低为2.7 mm,焊后平均径向变形量降低30%,能够明显降低机匣径向收缩变形,焊接顺序的优化对变形控制效果较差。      

活性剂等离子弧焊焊接电弧与电弧力

 针对活性剂等离子弧焊焊接过程,对焊接电弧外形的变化,焊接电弧力与活性剂之间的关系进行了研究,并建立了活性剂等离子弧焊焊接电弧轴向压强模型。研究结果表明:活性剂等离子弧焊焊接电弧收缩,弧尾翼消失,尾焰加大,电弧穿透力增强,电弧电压升高;活性剂等离子弧焊焊接电弧的温度分布比较紧凑,温度场外形窄,温度分布范围较集中,电弧径向温度梯度较大;活性剂等离子弧焊焊接电弧力的分布半径减小,压力峰值增大。     

AZ31镁合金A-TIG焊的研究

针对AZ31镁合金，研究了在A—TIG焊中单一成分的活性剂和涂敷量对焊缝成形的影响。结果表明，与无活性剂的焊缝相比，活性剂TiO2、SiO2、Cr2O3、CdCl2和CaCl2能够有效地增加镁合金焊缝的熔深和深宽比。但涂敷有氟化物的镁合金焊缝熔深没有增加，涂敷CaF2的焊缝甚至出现开裂现象。在AZ31镁合金的焊接中，活性剂CdCl2的效果最好。