金属材料中激光产生熔池的数值模拟及应用

数值模拟了激光与金属铝相互作用的温度场和流场,求解热传递与层流耦合的PDE方程.数值模拟中选取符合实际光束分布的激光参数,考虑了自然对流、表面张力梯度引起的Marangoni对流和热物理参数依赖于温度的实际情况.针对γ/T<0,γ/T>0,γ/T=0等3种不同的表面张力梯度,计算得到了激光产生熔池的温度场、熔池速度场及熔池的形状.研究结果表明,金属材料内的温度场分布与入射高斯光束光强分布具有相似特征;Marangoni对流是熔池内液体流动的主要形式;γ/T的大小和正负对熔池内流体的运动起决定性作用,可对熔池形状产生很大影响,进而影响激光加工的质量.     

激光焊接与重熔自由表面温度分布及熔池形状的数值分析

以固液相变的统一模型方程为基础,计算了激光焊接与表面重熔不同加热模型条件下,液态熔池的形成过程,以及温度场和流场.主要考察了激光诱导的合金元素汽化和表面张力驱动流对自由表面温度分布及熔池形状的影响.结果发现,熔池自由表面温度和溶池形状主要受表面张力驱动的流体流动的影响,它在限制自由表面最高温度方面起着主要作用,合金元素汽化热损失的影响是第二位的.熔池的形状主要受液态金属涡旋方向的影响,在负的表面张力温度系数条件下,熔池浅而宽;在正的表面张力温度系数下,熔池深而窄.     

镁合金薄带双辊铸轧过程的数值模拟

基于立式薄带双辊铸轧工艺的特点,采用有限元法求解镁合金薄带双辊铸轧过程的三维宏观传输方程,并应用ANSYS软件的智能网格划分技术,实现了对铸轧过程中熔池内部温度场、速度场及凝固过程的耦合模拟.分析了铸轧速度及浇注温度等主要工艺参数对熔池内流场、温度场和凝固终了点的影响规律.研究结果表明,随着浇注温度和铸轧速度的增加,熔池出口处的温度升高,凝固终了点向熔池出口处移动.通过对模拟结果的讨论,给出了适合镁合金薄带铸轧过程的工艺参数:浇注温度为640~660℃,铸轧速度为20~30 m/min.     

双辊铸轧过程中水口对熔池内温度场和流场的影响

双辊铸轧过程中,熔池内金属的流动状态及温度分布直接影响着铸轧过程的稳定性及铸带产品的质量.对双辊铸轧不锈钢过程进行了流热耦合三维有限元分析,主要对浸入式水口出口角度及水口浸入深度对熔池内流场和温度场的影响规律进行研究.研究发现,当水口出口角度大于15°时,熔池内出现双漩涡现象,双漩涡的存在不但改变了熔池内金属流动和溶质分布规律,而且对熔池内的温度场产生影响,使熔池表面温度差异减小,有利于提高铸带表面质量.水口浸入深度增加,熔池表面温度降低;浸入深度过浅,熔池表面温度差异增大,对带钢的表面质量不利,模拟研究结果为合理的水口设计提供了理论依据.     

双辊铸轧过程中水口对熔池内温度场和流场的影响

双辊铸轧过程中,熔池内金属的流动状态及温度分布直接影响着铸轧过程的稳定性及铸带产品的质量.对双辊铸轧不锈钢过程进行了流热耦合三维有限元分析,主要对浸入式水口出口角度及水口浸入深度对熔池内流场和温度场的影响规律进行研究.研究发现,当水口出口角度大于15°时,熔池内出现双漩涡现象,双漩涡的存在不但改变了熔池内金属流动和溶质分布规律,而且对熔池内的温度场产生影响,使熔池表面温度差异减小,有利于提高铸带表面质量.水口浸入深度增加,熔池表面温度降低;浸入深度过浅,熔池表面温度差异增大,对带钢的表面质量不利,模拟研究结果为合理的水口设计提供了理论依据.     

大型电渣炉钢锭凝固过程的动态快速响应模型

为了研究电渣重熔中凝固过程对钢锭质量的影响,建立了大型电渣重熔过程钢锭凝固过程动态快速响应数学模型 利用控制容积积分法离散数学模型方程,采用附加源项法解决非线性模型方程快速迭代收敛问题 应用该模型预测的温度场及金属熔池形状同实验结果吻合较好 针对一典型大钢锭凝固过程动态温度分布及熔池形状进行了模拟分析,结果表明,当钢锭高度线性增加,而重熔钢锭锭高与直径之比超过1 1时,钢锭熔池形状基本稳定;在低熔铸速度阶段,熔铸速度对最大液池深度的影响不大;当熔铸速度增加时,熔铸速度对最大液池深度的影响有增大倾向     

双辊薄带下不锈钢铸轧过程的耦合数值模拟

采用有限元法模拟了双辊铸轧不锈钢过程的流热耦合问题;分析了铸轧速度对熔池内流场、温度场的影响以及流场与温度场之间的相互影响;给出了凝固过程中熔池与铸轧辊之间的热流密度变化趋势及随铸轧速度的变化规律,并把此模拟的结果与试验的结果相比较,吻合较好;通过熔池内温度场及温度梯度分析了熔池内凝固的发展及其对热流密度变化的影响·此模拟结果可以为控制铸轧过程的稳定提供有效的数据     

脉冲激光表面熔凝熔池演变数值模拟

为了研究脉冲激光作用过程中表面快速熔化与凝固的过程,建立了脉冲激光作用熔池金属熔凝的二维热流耦合模型．考虑重力、材料物性随温度的变化等的影响,利用焓-多孔度方法和用户自定义函数对表面熔化凝固的固液相界面演化进行了分析;采用熔化／凝固模型对熔池内的瞬态温度场、速度场和流场进行了数值模拟,并以实验验证模拟结果．计算结果表明：表面熔化与凝固的固液相界面的移动呈现不同状态;在熔凝过程中,熔池内除存在一对方向相反的主环流外,还存在多个环流;流体的速度随着温度的降低而减小且速度最大的区域位于熔池表面附近．     

双辊铸轧超高强铝合金有限元数值模拟

采用有限元法对双辊铸轧7075和7050铝合金的工艺过程进行了数值模拟,研究了合金成分和铸轧速度对铸轧熔池内温度场、流场和凝固场的影响规律。结果表明,在同一铸轧速度条件下,随着合金的等效比热增大,合金在铸轧熔池内的温度梯度随之减小,凝固速率减慢;对于同一种合金,随着铸轧速度增加,合金的速度梯度随之增大,熔池内所形成漩涡的位置下降。模拟结果为下一步的铸轧实验提供了理论依据。     

电子枪加热坩埚含有固-液界面熔池的传热研究

电子枪加热坩埚熔池高温蒸发是原子蒸气激光同位素分离（ＡＶＬＩＳ）铀循环系统的一个重要环节。为研究电子枪功率与束宽对熔池的流场、温度场分布的影响,从动量及能量方程出发,研究了电子枪加热坩埚内含有固—液界面熔池的传热特性,熔池中流场及温度场变化,固—液界面形状,表面环流,以及传热特性与金属原子蒸发量的关系。并得出电子枪束宽过窄,电子枪功率密度高于１５ ｋＷ／ｃｍ ２ 时,会使导热损失增加、蒸发量减少的结论。     

焊接电弧声与飞溅的相关性研究

建立了计算机检测分析系统，对ＣＯ２焊接电弧声与飞溅的关系及影响飞溅的因素作了深入研究．结果发现了焊接飞溅与短路结束时电弧声能量及短路平均声能量成线性关系，从而提出用电弧声能量来表征焊接飞溅的新型传感方法．     

MIG焊焊枪位置传感控制系统研究

以单片机80C552应用系统为控制器,以伺服电机为执行机构等组成的MIG焊焊枪位置传感为控制系统,针对MIG焊特点,研制了以旋转电弧扫描器为焊枪位置传感器.跟踪和焊接实验结果表明,本系统设计合理,跟踪实时性好,抗干扰能力强,控制精度高,高度和横向跟踪误差均小于1mm,可用于实际MIG焊焊缝跟踪控制.     

电解镍板点焊控制器的研制

阐述了一种新型的电解镍板专用多功能微机点焊控制器.研究了控制器的工作原理、硬件电路及控制软件.研究结果说明,该控制器在恒压和恒流控制结合基础上,可实现板厚自适应、网压补偿、焊接电流电压工件厚度显示、多套规范参数储存、故障自诊断和保护功能.     

振动焊接对焊缝力学性能影响

采用试件和结构件进行了大量的对比试验,分析研究了振动焊接对构件焊缝区残余应力、断裂韧性、疲劳寿命等力学性能的影响。结果表明,振动焊接可以降低焊缝表面的残余应力,改善焊缝区的微观组织,提高焊缝处的断裂韧性,提高试件和结构件焊缝的疲劳寿命。     

光纤激光焊接镀锌板的工艺研究

为提高车身常用镀锌板的焊接质量和焊接效率,采用4000W光纤激光对厚度为0.8mm常用的镀锌板进行了焊接试验,分析了焊接速度,焊接气体和搭接间隙对焊接质量和焊接效率的影响.结果表明:焊接速度随着功率的增大而加快,,焊接间隙应该控制在0.07-0.1mm之间.     

压水堆核电站主管道窄间隙自动焊用焊丝研究

焊接填充材料不仅影响焊接过程的稳定性、焊接接头的性能和质量,同时也影响焊接效率。压水堆核电站建设中主管道传统手工焊接用的填充材料是ER316L,该材料焊接性能稳定,易于操作。主管道窄间隙自动焊采用窄间隙坡口和单层单道焊接技术,该工艺需要焊丝具有更好的熔池流动性和更高的纯净度以保证焊缝成形质量,该文就上述要求对自动焊专用焊丝进行研究。     

基于电弧传感器的管端环缝全自动焊机设计

针对管端环缝的焊接现状,设计一款基于摆动式电弧传感器的管端环缝全自动焊机,给出焊机整体结构图,分析各主要组成部分的功能,提出具有无急回特性的焊枪运动控制装置的设计思想,实现了焊枪和摆动式电弧传感器一体化.并提出一种改进型左右区域积分差值法,最后用MATLAB进行仿真.理论分析和实验表明:该焊机具备管端环缝全自动焊接的功能,具有较高的焊缝检测精度.     

奥氏体不锈钢复合板采用SAW焊接基层的焊接工艺研究

通过对S30408+Q245R复合板基层进行SAW焊接接头显微硬度测量、铁素体含量测量、金相显微镜观察等研究,探讨焊接线能量、冷却速度对复合板基层焊缝组织和母材覆层析出σ相的影响。研究结果表明,基层使用SAW焊接时,焊缝硬度比使用SMAW焊接时略低;母材覆层铁素体含量、焊缝过渡层/覆层铁素体含量均比基层使用SMAW焊接时所测含量略低;两种焊接方法的焊缝基层显微组织基本相同。但焊缝覆层/过渡层采用SMAW和GTAW焊接时金相组织有所不同,使用SAW焊接基层时焊缝组织无明显晶粒粗大特征,且母材覆层和焊缝过渡层/覆层均不会析出σ相。     

工艺参数对铝镁合金VPPA焊焊缝成形的影响

为了探明变极性等离子电弧焊方法对5A06铝合金焊缝成形的影响规律,采用单因素控制对比试验对变极性等离子弧焊缝成形进行了测量分析,研究正负极性电流、离子气流量、正负极电流持续时间和送丝速度4个焊接工艺参数对焊缝成形的影响规律。研究结果表明,随着焊接电流的增大,焊缝正面熔宽和余高呈现先增加后减小的趋势,而背面焊缝的余高增大明显,但背面焊缝熔宽变化不是很明显;随着离子气体流量的增加,等离子电弧力增加,液态金属流动性增加,背面焊缝余高呈明显的增加趋势,而焊缝正面余高则呈下降的趋势;在负极性电流持续时间增加的情况下,焊缝正面余高和熔宽增加幅度较小,焊缝背面余高和熔宽呈减小的趋势;随着送丝速度的增加,焊缝余高显著增加,熔宽也小幅度增加。研究结果可为铝合金VPPA焊提供工艺支持。     

镁合金的FZ-TIG焊接方法

针对镁合金材料,提出一种新型活性焊接方法FZ-TIG焊接方法.焊接前在待焊焊道表面中心区域涂敷低熔点、低沸点、低电阻率的活性剂,在2侧区域涂敷高电阻率的活性剂,然后进行正常TIG焊接,这样可以保证焊接熔深显著增加和焊接表面成形良好.结果表明,在相同参数下,与传统TIG焊相比,FZ-TIG焊接焊缝熔深达到常规TIG焊熔深的2.5倍.通过改变弧长分析活性剂对电弧极性区电压降和弧柱区电位梯度的影响,与TIG焊相比,FZ-TIG焊使得极性区电压降升高,而弧柱区电位梯度降低.