高速摄影技术及其应用(二)——焊接工艺的高速摄影研究

焊接工艺方法,特别是对目前发展迅速的熔化极气体保护焊的研究发现,施焊过程中,电弧是否稳定,飞溅金属的大小和数量,熔池运动状态及随后的焊缝成形等等,都与螺丝端部熔化时形成的熔滴形状及其过渡状态有关。近三十多年来,各国都采用了高速摄影技术,将焊接电弧内部金属的熔化及熔滴的形成和过渡过程拍摄成高速影片,经过详尽的分析研究,大大改进了焊接工艺,并促使新的焊接工     

钛合金熔焊时氧化问题的研究

钛合金是一种比重小(一般为4.5左右)、强度高、同时具有良好抗腐蚀性、热强性及低温韧性好的一种新材料。其缺点是: 1.易吸收氮、氢、氧温度大于650℃时对氮、氢、氧具有高度活性。特别在液态时能大量地吸收氮、氢、氧等气体,使熔敷金属的硬度显著增加,延伸率减小,性能变脆。 2.易氧化熔焊时,焊缝及热影响区由于加热温度和保护气体纯度的不同,使表面呈现出不同的氧     

摩擦焊合区金属的塑性流变对接头力学性能的影响

结合LC9超硬铝摩擦焊成形与控制工程,研究了摩擦焊合区金属流线的规律及其塑性流变本质,对纵向流线摩擦焊金属提高接头力学性能的原因进行了实验分析.     

选择性激光熔化过程中熔池演变与金属飞溅特性数值模拟

选择性激光熔化(SLM)成形技术是新型增材制造技术的一个重要发展领域。通过建立用于选择性激光熔化成形的高保真粉末尺度激光熔化模型，展现了粉末层从开始熔化、熔滴飞溅到熔道成形、冷却凝固的全过程。熔滴飞溅行为是金属粉末层熔合工艺中难以避免的成形缺陷来源，借助数值模拟手段还原了激光熔合过程中飞溅现象的演变过程，克服了实际实验难以捕捉到熔池内部及熔滴飞溅行为定量表征信息的难题，获取了熔融液滴飞溅的变形机制以及飞溅过程中随时间变化的温度、速度、压力、位置偏移等信息。结果显示，金属蒸气作用与惰性气体流动共同驱动了熔池流动与熔滴的飞溅行为，高温熔体流速为1～6 m/s,熔滴飞溅速度为1～4 m/s。随着工艺参数的调整，飞溅熔滴的体积形态与飞溅方向均发生变化。结合实验分析，追踪了熔滴飞溅的运动轨迹以及熔滴在空中飞溅时的“二次爆炸”与“旋球”行为。该研究补充了实际实验对于飞溅行为的分析理解，通过提取飞溅物完整寿命周期能量吸收耗散的量化信息，进一步促进了激光熔合过程中复杂的流体流动与飞溅现象的动力学表征。     

快变换交流方波埋弧焊电源研制

设计了一种双逆变电路结构的快变换交流方波埋弧焊电源,该电源由全桥型一次逆变电路和半桥型二次逆变电路组成.二次逆变电路由续流耦合电感、小功率电压尖峰吸收保护逆变回馈电路、IGBT半桥电路构成.一次逆变电路采用了电压、电流双闭环控制,二次逆变电路采用“临界共同导通”的控制策略,并对其电路换向过程进行了分析.试验结果表明,这种交流方波埋弧焊电源在电流换向过程中换向速度快且无过零死区时间,保证了电弧稳定性,具有良好的工程应用前景.     

顶锻速度Vd对摩擦焊合区金属组织的影响

从顶锻速度Vd对摩擦焊合区金属塑性成形的影响入手,系统研究了Vd与摩擦焊合区金属组织的关系。考量了LC9超硬铝摩擦焊时的顶锻速度范围,为精细结构摩擦焊成形与控制提供了实验研究基础。     

辅助加热温度对铝合金厚板FSW焊缝成形的影响

对铝合金厚板搅拌摩擦焊（FSW）而言,焊缝底部金属温度低、流动能力差是导致焊缝成形困难的主要原因。为此,本研究采用辅助加热的方式对待焊母材底部进行预热,分析辅助加热温度对厚板搅拌摩擦焊焊缝成形的影响。结果表明,随着辅助加热温度从20℃升高至80℃时,焊缝成形质量先变好后变差,宏观表现为焊缝内部焊核区宽度、高度及面积呈现先增大后减小的趋势,而疏松区面积呈现先减小后增大的趋势。其中,当辅助加热温度为40℃时,焊缝成形质量最好,焊核区尺寸最大,疏松区消失;而当辅助加热温度升高至80℃时,焊缝成形质量最差,疏松区面积最大。研究认为,其主要原因是添加合适的辅助加热温度可显著提高焊核区塑性金属的峰值温度及高温停留时间,塑性金属流动能力明显提高,焊缝成形质量得到极大改善。焊核区塑性金属的迁移方式由沿搅拌针表面向焊缝上部高温区迁移向挤压焊核区周边冷金属横向迁移转变。但是,当辅助加热温度太高时,焊核区塑性金属迁移方式开始转变为原始的沿搅拌针表面向焊缝上部高温区迁移,且此迁移程度有明显增大的趋势,导致焊缝内部疏松区缺陷再次出现。     

焊接电弧波形和图像的同步采集与再现

进行了焊接电弧高速摄像图像和信号波形的同步采集和再现研究,给出了电弧图像和波形再现具体实现技术,并利用该技术成功地进行了电弧光谱信息检测熔滴过渡过程、二氧化碳短路过渡过程和变极性MIG焊电弧行为的研究。     

耐候钢活性MAG 焊接接头组织及冲击断口特征

针对焊枪可达性差等难熔合焊接结构,提出了活性熔化极气体保护焊焊接新方法。该方法可增加焊接熔深,改善难熔焊接结构的熔合不良,获得高质量的焊接接头。采用活性熔化极气体保护焊接对耐候钢进行了工艺试验,对焊接接头组织、冲击韧性及断口形貌进行分析。结果表明,相对熔化极气体保护焊,活性熔化极气体保护焊在同等焊接热输入下熔深显著增加,焊缝表面及焊接接头内部质量高,接头组织更为细化,过热区析出碳化物相也更加细小弥散,冲击韧性提高,冲击断口韧性特征更明显。     

Ti/Al无针搅拌摩擦搭接点焊接头组织特征

采用无针搅拌摩擦搭接点焊对Ti6Al4V钛合金和2A12铝合金异种金属进行焊接,焊后低熔点铝合金受摩擦热影响发生熔化,而高熔点钛合金在焊接过程中始终保持固态,同时与处于液态的铝合金相互作用,最终Ti/Al界面形成熔钎焊接头且接头拉伸剪切力达19.20 kN。研究了Ti/Al熔钎焊接头钛合金和铝合金的组织变化以及连接界面的特征形貌。结果表明由于摩擦热及搅拌头下压的影响,焊点处钛合金和铝合金组织发生明显变化。钛侧主要形成热力影响区和母材区;铝侧形成熔核区、热影响区和母材区3个区域,热影响区和熔核区的晶粒尺寸相对母材区变粗大,其组织经历了受热长大、部分熔化到完全熔化3个过程。在搭接接头界面处形成均匀致密且微薄的金属间化合物层,主要成分为TiAl₃;接头界面区组织变化明显,中间部位有均匀的TiAl₃界面层,随着向接头两边延伸界面层逐渐消失且Cu元素聚集在边缘。相对其他Ti/Al搭接点焊的焊接方法,无针搅拌摩擦搭接点焊获得的接头抗拉伸剪切力得到了明显的提升。     

TBCC发动机涡轮进气道喷水冷却特性数值研究

对涡轮基组合循环(Turbine Based Combined Cycle, TBCC)发动机涡轮进气道进行喷水冷却是解决TBCC发动机推力不连续问题的有效方式之一。本文基于实际流场条件选取某型TBCC发动机涡轮进气道结构,对进气道内喷水冷却特性进行了数值仿真,研究飞行器不同工况下水滴的蒸发特性及喷水对来流高温空气的预冷效果。结果表明,来流空气温度降幅随水气比提高而增大,最高温降可达152.4K。水气比提高后水滴蒸发率逐渐降低,但蒸发总量仍会继续上升。相同水气比条件下,飞行马赫数越高,喷水冷却效果越明显。在Ma3.5飞行速度和水气比0.03条件下有最高蒸发率,达83.05%。喷水冷却有效扩展了涡轮模态飞行马赫数,最高能使飞行速度提升至Ma2.84,即喷水冷却扩展了TBCC从涡轮模态向超燃冲压模态转换的衔接速域。     

国外运输类飞机最新结冰适航规章差异初步研究与分析

总结了FAR 25部与CS 25部最新结冰相关的规章条例。因为引入过冷大水滴条件和混合相与冰晶结冰条件,FAA与EASA在其适用性方面产生了差异,导致了两者条款规定的不同要求,所以将FAR 25部与CS 25部运输类飞机结冰相关的适航规章进行了比较。根据两部结冰适航规章,具体阐述和分析规章中存在的差异性。总结出CS25部更为严格,限制的范围也更大。同时也对过冷大水滴结冰条件规章作了分析。这对国内适航规章的研究和未来取得FAA和EASA对我国运输类飞机设计批准有着重要的参考作用。     

液氢/液氧火箭发动机燃烧过程二维数值模拟分析

本文应用数值模拟方法对液氢/液氧火箭发动机燃烧过程进行了计算,给出了发动机燃烧室内燃气参数分布。计算中通过随机喷雾模型确定液氧滴进入燃烧室的初始条件,应用高压蒸发模型计算液氧蒸发速率及Arrhenius公式计算氢氧气相化学反应速率。贴体网格由TTM方法生成,数值方法采用一步隐式预测、两步显式校正的PISO算法,控制方程在非交错网格下离散并且对流项采用了二阶迎风格式。      

Numerical investigation of transcritical liquid film cooling in a methane / oxygen rocket engine

Transcritical film cooling was investigated by numerical study in a methane cooled methane/oxygen rocket engine.The respective time-averaged Navier-Stokes equations have been solved for the compressible steady three-dimensional(3-D) flow.The flow field computations were performed using the semi-implicit method for pressure linked equation(SIMPLE) algorithm on several blocks of nonuniform collocated grid.The calculation was conducted over a pressure range of 202 650.0 Pa to 1.2×107 Pa and a temperature range of 120.0 K to 3 568.0 K.Twenty-nine different cases were simulated to calculate the impact of different factors.The results show that mass flow rate,length,diameter,number and diffused or convergence of film jet channel,injection angle and jet array arrangements have great impact on transcritical film cooling effectiveness.Furthermore,shape of the jet holes and jet and crossflow turbulence also affect the wall temperature distribution.Two rows of film arranged in different axial angles and staggered arrangement were proposed as new liquid film arrangement.Different radial angles have impact on the film cooling effectiveness in two row-jets cooled cases.The case of in-line and staggered arrangement are almost the same in the region before the second row of jets,but a staggered arrangement has a higher film cooling effectiveness from the second row of jets.     

氧-乙炔焊焊接区热效应的探索

探讨了物体的热惰性和绝热效应对焊接的影响,讨论了采用银铜焊料进行氧－乙炔焊时应该运用的火焰和火焰的高温区域．分析了自由氧和自由碳在焊接中的影响．     

钛合金T-型结构单面焊背面双侧成形焊接接头组织与性能

应用TIG焊、激光-TIG电弧复合焊工艺,采用单面焊背面双侧成形焊接技术对钛合金T-型结构进行焊接.对两种工艺进行金相组织、拉伸、弯曲、疲劳性能对比试验.研究结果表明,激光-TIG电弧复合焊工艺焊接钛合金T-型结构,近缝区及热影响区晶粒长大倾向明显要小于TIG焊接头,激光-TIG电弧复合焊工艺的明显高于TIG焊工艺,复合焊接的疲劳强度相比TIG焊提高约50％.因此,激光-TIG电弧复合焊工艺焊接钛合金T-型结构综合力学性能优于TIG焊接头.     

定向结晶气冷涡轮叶片应力分析

本文利用大型非线性有限元通用程序对定向凝固结晶的气冷叶片进行了热弹性分析。对DZ-22材料性能常数进行了分析和确定。建立了横观各向同性的本构模型。根据叶片模型和最大工作状态选用八节点三维元计算了离心应力、热应力和总的当量应力, 作了相应的前后置处理。      

液体火箭发动机层板式预燃室液氧发汗冷却热控制

讨论了富氧预燃室液氧发汗冷却的分析计算方法。发汗流对燃气热流的阻隔分析采用Ｂａｒｔｌｅ－Ｌｅａｄｏｎ修正方法来完成,室壁温度分布和热穿透深度应用结构层板与发汗流存在温差的传热模型获得。讨论了发汗流压降和控制流道长度对预燃室壁温的控制作用。     

超声速冷态流场液体射流雾化实验研究

采用全息诊断和高速纹影,对不同来流总压、来流马赫数、喷孔直径和喷射压力等条件下超声速冷态流场液体射流雾化进行了研究。初步了解了超声速流场中液体射流的雾化过程和机理,得到了射流的Weber数和Oh数等雾化参数,比较了不同条件下射流穿透高度的差异,得到了液滴平均直径和数量密度的空间分布。研究表明：射流表面不稳定波的增长是超声速流场中射流破碎的主要原因;射流与气流的动量通量比和喷孔直径影响射流穿透高度,动量通量比和喷孔直径增加都会增加穿透高度;实验中液体射流的雾化过程非常迅速,在喷嘴下游20mm处,直径0.5mm的射流就破碎成平均直径10μm左右的液滴群,随着液滴向下游运动,平均直径逐渐减小,平均直径和数量密度分布逐渐均匀。