激光深熔焊熔池动力学特性研究

分析了激光深熔焊熔池流体流动的热边界层和固-液界面边界层的特点,研究了小孔内壁金属蒸发以及小孔上方等离子焰对熔池流体流动的作用,在考虑入射激光功率密度以及流体粘度变化对激光焊接熔池影响的基础上,建立了具有激光深熔焊熔池特点的熔池动力学数学模型的框架,指明了激光小孔焊熔池流动模拟的发展方向。     

激光功率与底面状态对选区激光熔化球化的影响

为研究激光功率与底面状态对选区激光熔化熔池流动的影响，基于离散单元法建立了选区激光熔化铺粉模型，采用粒径分布与实验相符的马氏体时效钢粉末分别铺展到平坦底面和增材底面上，将计算获得的粉末分布导入到基于有限体积法建立的选区激光熔化熔池计算流体力学模型中，研究激光功率和基板底面粗糙度对熔池流动和熔道表面形貌的影响。采用激光单道扫描实验验证铺粉模型和选区激光熔化模型。结果表明：随着激光功率的降低，单位长度的球化数量增加；由于增材底面使熔池润湿性变差，同时又对熔池流动行为产生扰动，使得增材粗糙底面上熔道的球化数量增加。选区激光熔化铺粉模拟及激光单道扫描模拟结果与实验结果吻合较好。本研究可为选区激光熔化工艺中工艺参数的选择提供理论指导。     

扫描振镜激光TC4钛合金焊接性能及熔池流动行为

钛合金广泛应用于飞行器及航空航天发动机，激光焊是连接钛合金的优异焊接方法，目前主要问题是气孔导致的接头性能降低。扫描激光能显著改善激光焊接过程中的匙孔行为及熔池流动状态，从而降低气孔率、细化晶粒，最终提高接头性能。采用光纤激光器对4 mm厚TC4钛合金进行扫描振镜激光焊接，对比分析了以0.4 mm为步长、0.4～1.6 mm扫描幅度扫描前后的焊缝成形、力学性能、晶粒细化程度、熔池流动与匙孔行为。结果表明圆形扫描路径下，激光功率为4 kW、焊接速度为1.2 m/min、离焦量为0、扫描频率为100 Hz、扫描幅度为0.8 mm时，匙孔型气孔受显著抑制，且对应的接头抗拉强度最高，为1 025.03 MPa,达到了母材的96%。与无扫描光束相比较，扫描幅度为0.8 mm的接头上部平均晶粒面积减小了65%;圆形扫描的加入使熔池流动具有方向性，同时扫描激光能扩大并稳定匙孔，减少飞溅与气孔。     

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.     

激光焊接过程的流体动力学研究

建立了描述小孔传热的激光深熔焊过程组合体热源模型,使用计算流体力学的控制容积法将控制方程进行离散处理后,采用SIMPLE算法求解了质量守恒、动量守恒和能量守恒方程组,模拟了激光焊接小孔的形状和尺寸以及焊接熔池的流动速度分布.结果显示,焊接小孔的稳定性随着焊接速度的增加而降低,熔池流动速度受Marangoni驱动力的直接影响,模拟焊缝形状和尺寸与实际焊缝吻合良好.     

旋转双焦点激光-TIG复合焊接头的研制

近年来,在激光-电弧复合焊接几何参数、激光聚焦位置及能量参数的优化与选择、热源相互作用机理、保护气体对接头性能的影响、坡口形貌对焊接工艺的影响、熔池的流动特性和复合焊接熔滴过渡力学行为等方面的研究使激光一电弧复合焊接技术得到了很大程度的发展.     

二维通道内湍流边界层分离的实验研究

用激光多普勒技术测量了二维扩压器中不可压湍流边层分离流动，得到了时均速度和雷诺剪应力分布。实验结果分析表明：以Ｃｏｌｅｓ速度律发展的Ｂａｒｄｉｎａ速度分布可以描述瞬时间歇分离点以前和瞬时间歇再附点以后的时均速度分布，但无法描述分离枢的边界层速度型。Ｃｒｏｓｓ速度分布可描述分离区的边界层速度分布。Ｃｅｂｅｃｉ＆Ｓｍｉｔｈ涡粘性代数模型难以正确地描述分离边界层的雷诺剪应力。     

激光工艺制造SiCP-Al表面金属基复合物

研究了激光工艺预置SiCP表层厚度对表面改性层显微结构的影响,并研究了SiC颗粒与熔池的浸润行为,以及熔池内部SiC颗粒与铝合金基体之间的界面反应机理.与基体相比,涂层的硬度和耐磨性均有大幅度提高.     

YAG激光焊接钛合金TA15熔池特征

利用高速摄像,对YAG激光焊接钛合金TA15时的熔池特征以及动态过程进行了深入研究,结果表明,整个熔池可以分为3部分:(a)金属蒸气/等离子体区,它是一个以1kHz以上频率波动的过程;(b)温度超过2 000K的液态熔池区域;(c)半固态熔池区域,这是熔池的主要部分,其温度虽有一定的梯度,但基本保持在熔点温度.     

(高)超声速流动试验技术及研究进展

近年来,与高速飞行器相关的(高)超声速流动受到了极大的关注。这类流动所具有的非定常性、强梯度和可压缩性对试验方法和风洞设计技术提出了挑战。超声速纳米示踪平面激光散射(NPLS)技术是由作者所在团队研发的非接触光学测试技术。它能够以较高的空间分辨率来揭示超声速三维流场的一个瞬态剖面的时间解析的流动结构。介绍了NPLS技术以及基于NPLS开发的密度场测量、雷诺应力测量和气动光学波前测量等方法,并回顾了这些技术在超声速边界层、超声速混合层、超声速压缩拐角、激波/边界层相互作用和光学头罩绕流等流动中的应用,清晰地再现了边界层、混合层、激波等典型流场结构及其时空演化特性。另外,为了模拟和研究高空大气条件下边界层自然转捩和超声速混合层的转捩特性,介绍了高超声速静风洞、超-超混合层风洞的设计技术以及层流化喷管的设计方法。     

YAG激光全熔透焊接304不锈钢的熔池温度场预测

基于Rosenthal的移动线热源模型,通过与高速摄像对焊接过程中熔池特征量的测量结果对比,获得了YAG激光全熔透焊接304不锈钢时熔池特征量及温度场分布的预测模型。结果表明,在一定热输入范围内,计算与试验结果符合得很好,但当热输入使熔透焊接过程处于过度熔化和临界熔透时,计算值与试验值的偏差会变大。     

活性剂电弧焊机理的初步研究

本文针对不锈钢活性剂电弧焊过程,分析了不同种类活性剂(含单组分活性剂)对焊缝成形、接头熔深、电弧宏观形态的影响,并采用X射线透射微焦高速录像系统,观测了熔池内部液态金属的流动状态和特征,从而,对于不锈钢活性剂氩弧焊过程中出现的现象和相应的机理有初步的认识.实验结果表明,对比常规氩弧焊,在A-TIG焊接条件下,熔池液态金属流动具有剧烈的向内流动特征.进一步的探索性试验研究表明,活性剂技术--这种在钨极氩弧焊工业应用中已被普遍认可和接受的焊接技术很可能在其他弧焊领域得到更广泛的应用.     

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。     

激光熔覆裂纹的形成机理及控制方法

激光熔覆技术是利用激光辐射使熔覆材料和基体表面同时熔化并快速凝固、从而显著改善基体材料物理性能的一种新工艺方法。但激光熔覆工艺的选择不当则会使熔覆层产生裂纹、气孔、未熔合等,从而影响熔覆制件的综合性能。本文研究了激光熔覆裂纹的种类以及熔覆层的应力类型,分析了裂纹产生的机理,指出材料间热膨胀系数、弹性模量的明显差别及激光熔池区域的温度梯度所决定的热应力是熔覆层裂纹形成的根源。并从熔覆材料和基体材料的合理选择、成形工艺参数的合理设计及热处理等方面,阐述了熔覆裂纹的影响因素和控制方法。     

激光空间流动显示及其应用

本文介绍激光空间流动显示技术及其在复杂流动中的应用。着重介绍了作者在激光诱导荧光流动显示(LIF)技术的研究和应用。较系统地讨论了若干原理和技术问题,并提供了一些实际应用的典型的流态照片。     

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。     

电磁力控制翼型失速的实验研究

将条状电极和磁极交错布置的电磁场激活板置于弱电解质溶液中,在流体边界层上产生具有明显分布特征的电磁力（Lorentz力）,利用电磁力可以改变流体边界层的结构,控制边界层的流动脱落与分离,可以增加翼型升力,减少其阻力,实现对翼型失速的控制。利用电磁力控制流体边界层的方法属流体主动控制方法之一。本文首先基于电磁场和流体的基本方程,对置于弱电解质中的不同极板宽度的电磁激活板周围的电磁场及产生的Lorentz力进行了数值模拟;其次,通过实验来验证此方法的有效性。将包覆有电磁激活板的翼型置于弱电解质溶液中,利用基于TMS320F2812（DSP芯片）组建的翼型失速实验控制系统来灵活改变翼型的迎角和转速,测量升力和阻力的变化;实验结果表明,正向电磁力能够有效地抑制和延缓翼型失速现象的发生。     

工艺参数对2A97T3铝锂合金光纤激光焊接焊缝成形的影响

通过系统的工艺试验研究了1.2mm的2A97T3铝锂合金光纤激光焊接工艺参数对焊缝成形的影响。结果表明:增大焊接热输入会使焊缝熔宽及背宽比增加,其中背面熔宽变化显著,而正面熔宽变化幅度较小;焊接热输入过大时,会出现因焊缝下塌而导致熔宽减小的现象。随着焊接速度和激光功率的增大,形成深熔焊缝的参数范围会越来越窄。在线能量相同的情况下,高速焊所获得的焊缝成形较好,热导焊焊缝硬度明显高于深熔焊焊缝的硬度。     

辉光放电等离子体对边界层流动控制的机理研究

本文求解电位势方程得到电场分布,假定电场强度大于击穿阈值的区域为等离子体区,给定电荷密度,得到了作用于流体上的电场力。通过求解带源项的NS方程,研究了一个大气压下的均匀辉光放电等离子体对边界层流动的影响,考察了电场力做功对流动的影响。本文研究结果同文献[6]一致,即电场力总体上使边界层流动加速。另外,电场力做功对流动参数的影响可以忽略。文献[6]给出的线化电场模型和本文得到的电场相比,具有较大的差别,该差别引起了流动参数显著差别。