脉冲激光填丝焊接薄板熔池流动行为分析

本文使用VOF方法对熔池自由表面进行追踪,将焊丝简化为熔滴,建立了脉冲激光填丝焊接薄板三维数值模型,揭示了脉冲激光填丝焊接0.5 mm厚Hastelloy C-276薄板熔池流动行为,通过焊缝余高尺寸及熔合线形貌验证了模型的可靠性.结果表明,熔滴作用前,熔池上表面区域主要存在由表面张力导致的熔池边缘向熔池中心的流动,最大速度出现在熔池中部且指向熔池下表面,达到了m/s量级;在熔池下表面区域的流动形式是表面张力及熔池中心流动共同作用的结果,在下部形成两个方向相同的涡流;焊丝的熔入对熔池流场有显著的影响,熔滴对熔池的冲击作用改变了熔池原有的对流方向,使表面张力主导的熔池对流特征消失;熔滴熔入过程中熔池最大速度出现在熔滴熔入位置,约为1.74 m/s.在熔滴冲击与熔池表面张力联合作用下,熔池表现出振荡特性,随后熔池内流动再次回到由表面张力驱动的对流形式.激光脉冲结束后,熔池下部固液界面继续向母材区域扩展约3-4 ms,这种现象与激光的脉冲作用、熔池内的流动及Hastelloy C-276的物性参数有关.     

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.     

波场延拓静校正在复杂地表区的应用及分析

在西部复杂地表地区地震勘探中,近地表剧烈变化引起的静校正问题尤为突出,静校正成为地震资料处理中的一项重要工作。常规的静校正技术均基于地表一致性假设,在复杂地表地区已经不再适用。为了适应复杂地表地区特点,基于非地表一致性假设的波场延拓静校正被提出,相对常规静校正技术具有明显优势。通过模型正演和实际资料处理效果,对比了波场延拓静校正与常规地表一致性静校正方法,并定量地分析了近地表速度模型对波场延拓静校正效果的影响。     

金属熔体表面张力计算方法的研究

根据表面热力学理论和对比态原理,建立一个金属熔体表面张力＋的计算公式,对五种碱金属熔体高温下表面张力进行了计算,结果与实验数据非常吻合。     

Surface tension of molten Al-Si alloy at temperatures ranging from 923 to 1123 K

The surface tension of molten AlSi20 alloy has been measured by using the sessile drop method at 923-1123 K under argon atmosphere in both heating-up and cooling processes. The result shows that the surface tension of this alloy decreases as long as temperature increases. The results of surface tension and contact angles in heating-up process have differences from those obtained in cooling process, because the metal microstructures have some changes at different temperatures based on the metal genetic theory. The surface tension of molten AISi20 alloy and that of molten pure aluminum have been compared as well, and the temperature coefficient of AlSi20 alloy is slightly lower than that of AI. The result has been analyzed by the linear scanning analysis with ESEM. The concentration of silicon in most region of the bulk is lower than that of the surface and the addition of Si to pure AI decreases the surface tension of molten pure Al.     

水饱和混凝土静力抗拉强度降低细观机理及本构模型

试验研究表明裂纹及孔隙中的自由水降低了混凝土的静力抗拉强度.本文根据表面物理学及水的特性探讨了自由水降低混凝土静力抗拉强度的细观机理,并根据拉伸荷载作用下混凝土中微裂纹的扩展规律和不同阶段微裂纹引起的混凝土非弹性柔度张量的变化,考虑自由水的作用,利用线弹性断裂力学建立了饱和混凝土的受拉本构模型.理论计算与试验应力-应变关系曲线的对比表明:理论模型可以较好地反映饱和混凝土的受拉力学特性.     

低重环境航天器贮箱内三维液体晃动数值模拟

为了研究低重环境下航天器贮箱内液体晃动的特性,采用了任意Lagrange-Euler有限元方法描述贮箱内不可压粘性液体的运动。用Laplace-Young表面张力公式将表面张力效应引入自由液面边界条件,采用最小二乘数值逼近方法拟合自由液面平均曲率,给出了含表面张力的动力学边界条件的数值计算形式。数值模拟显示:低重环境下,由于表面张力效应,液面平衡位置会升高;该平衡液面与常重情况下的平衡液面有明显不同,可以在任何位置以不同的形状出现。     

用CW-CO_2激光实现钛-硼表面合金化的机理

用中功率CW-CO_2激光实现了Ti-B表面合金化。以三维无限大热流模型计算了熔区的温度场分布;对合金化过程和特点以及得到的结果进行了分析和讨论;指出了TiB_2作为改善钛表面性能的强化相的强化机制。     

深熔激光焊接熔池温度场的数值模拟

利用旋转GAUSS曲面体新型热源模型,忽略深熔激光焊时小孔对传热的影响,建立了移动激光热源作用下的三维数学模型。利用PHOENICS3.4软件,模拟了SUS304不锈钢深熔激光焊接热过程的温度场和熔池熔合线形状,得到了不同焊接速度下的温度场分布云图和＂钉头＂状的熔池形状,试验表明数值模拟结果与试验结果基本吻合。     

纳秒激光制备钛表面纹理结构及其润湿性研究

激光加工技术可在材料表面形成多种纹理结构,为了研究激光加工所得不同纹理结构对材料润湿性的影响,通过纳秒激光加工技术在金属钛表面分别加工直线、网格和点阵的表面纹理结构。采用扫描电子显微镜、接触角测量仪、粗糙度分析仪和X射线光电子能谱分别对激光加工后的钛表面进行表面形貌、接触角、粗糙度与化学成分的表征与分析。结果表明:初经激光纹理加工后试样表面的粗糙度较激光加工前均显著提高,但此时3种纹理结构试样表面接触角均小于90°;随着时间的推移,被加工材料表面化学成分的改变带来了材料表面自由能的变化,进而使被加工表面接触角总体呈现上升趋势;待试样表面化学成分稳定后接触角也基本保持不变,并且对于每种纹理结构而言,其接触角随粗糙度的增加而升高。直线、网格和点阵纹理结构试样表面接触角最终可达157.2°,153.1°和134.6°,从而实现了钛表面润湿性由亲水性向疏水性的转变。     

基于实验铝合金激光小孔焊熔池表面速度计算

为了解决激光焊接铝合金熔池表面液态金属流动速度量值化问题,结合高速摄影装置与波动理论,提出了计算激光焊焊接过程中铝合金熔池表面液体流速的计算方法.根据有限深度液体流动模型,波速取决于液体波传播的波长以及液体深度这两个物理量,采用高速摄影对焊接过程中熔池的流动形态进行拍摄,得到进行波的波长;对焊缝截面的熔深进行测量得到液体的深度,可以计算熔池表面液体的流动速度.研究表明,在激光束功率为6 kW,焊接速度分别为0.066 7,0.075,0.083 5 m/s的高速焊情况下,熔池表面的流动速度可达0.065 8,0.064,0.072 m/s.     

基于接触角法计算固体表面张力的研究进展

固体表面张力的测定始终是表面科学和工程领域中的热点问题。综述了Young方程推出以来基于接触角法计算固体表面张力的各种方法,分析了这些方法形成的假设条件及在计算固体表面张力时存在的问题,并介绍了该领域的最新研究成果,比较了不同方法计算固体表面张力的值的特点,最后指出当前研究尚存在的问题。     

表面自由能模型的改进及液滴浸润数值研究

通过优化极值点位置,对表面自由能模型进行了研究和改进,改进后的模型解决了原模型中表面粒子聚集和液滴形状畸变的问题.采用移动粒子半隐式法(MPS)结合改进后的表面自由能模型,对受表面张力作用的自由面运动问题进行了研究和分析.研究了包括气液、固液和不互溶液液界面在内的表面张力收缩和液滴浸润过程,并提取了接触角及浸润面积等特征量进行分析.数值计算结果与理论分析结果吻合较好,从结果中可以明显观察到固液浸润过程的3个发展阶段,浸润速度随时间递减且与浸润接触角成反比.研究结果验证了MPS方法结合改进后的表面自由能模型可以更加有效、准确地模拟多界面张力的作用.     

激光表面合金化制备TiC/Ti复合涂层的组织与性能

利用激光表面合金化技术在工业纯钛表面制备TiC/Ti复合涂层,并对复合涂层的组织与性能进行了分析和测试,对TiC的合成机理进行了探讨.研究结果表明,复合涂层由合金化层和热影响区组成.合金化层由TiC和α′-Ti构成,TiC的生长形貌包括树枝状、十字花瓣状、胞枝状以及针状,热影响区主要由α-′Ti构成.合金化层的平均显微硬度为HV 420.TiC的合成过程分为三个阶段:激光辐照时,固态C颗粒迅速扩散至激光熔池并被液态Ti包围;首先固-液结合界面处的Ti和C直接反应形成TiCx,随后液Ti扩散并穿过TiCx层与剩余的C进行反应,直至TiCx中C的浓度达到TiC中C的浓度,生成的TiC溶于液相中;快速凝固过程中,TiC从溶液中析出并长大.     

增材-微锻造加工工艺应力场数值模拟研究

激光熔丝增材制造过程中,材料快热快冷的特点使熔覆层产生不利于表面强度的残余应力,而增材-微锻加工工艺可提高增材制件的加工质量,改善增材制件微观组织及力学性能缺陷.以TC4为研究对象,通过超声微锻造工具头与熔池保持一定的相对距离做进给运动,对材料表面进行高频次冲击与滚压,使熔覆层表面得到改善和强化.对增材-微锻加工工艺进行顺序热结构耦合数值模拟研究,分析加工过程中熔覆层应力场变化情况.研究表明:对尚未冷却的增材熔覆层表面进行超声微锻造,熔覆层由于热源加载产生的残余拉应力转化为较为有益的残余压应力,降低了熔覆层表层缺陷发生的概率.不同的超声振幅、进给速度以及锻造温度参数对残余压应力及法向变形量有较大影响.     

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．     

液体表面张力对气泡声散射的影响

气泡在液体中受液体的表面张力和液体静态压力相当的情况下,研究了表面张力对气泡声散射的影响.建立球形气泡表面的速度和压力连续性方程,并在方程中引入气泡受液体表面张力的影响,求出了气泡在对称振动模式下的散射系数及散射声功率,并进一步推导了在多气泡的情况下的等效入射声场.通过数值分析发现,当球形气泡在液体中受液体的表面张力和液体静态压力相当时,球形气泡的半径约为10^-6m,在此情况下,液体表面张力对气泡声散射的影响只在驱动声场的角频率小于10^5rad/s时才能表现出来,并且在多气泡的情况下对等效入射声场的等效声压振幅会产生较大影响.而在驱动声场的角频率大于10^5rad/s的情况下,液体表面张力对气泡的散射系数、散射声功率及等效入射声场声压振幅的影响不明显.对于气泡的声散射问题,气泡受液体表面张力的影响需根据所研究的具体问题进行取舍.     

氧化锆陶瓷表面激光釉化组织形貌

为验证氧化锆陶瓷表面釉化的可行性,通过进行室温环境下连续激光对氧化锆陶瓷进行表面釉化处理的实验研究,研究了激光加工参数（包括激光输出功率、扫描速度和离焦量等）对陶瓷表面釉化组织形貌的影响及规律。结果表明,氧化锆陶瓷表面釉化组织的形貌可以通过改变激光加工参数进行优化。可见,改变激光输出功率以及扫描速度都可以减少热裂纹以及过热组织的出现;离焦量的变化可以拓宽釉化区域以及改善釉化组织的形貌。     

QT700球墨铸铁曲轴的激光冲击强化试验

选用不同涂层对QT700曲轴激光冲击处理,研究激光冲击强化条件下,QT700曲轴的硬度和表面残余应力等力学性能的变化.发现在激光冲击过程中,黑漆涂层、铝箔涂层和硅酸乙脂涂层均能有效提高冲击试样的表面硬度和表面应力.经过激光连续冲击后,在曲轴试件表面能形成1.0 mm厚的硬化层,其表面硬度最大能达到590 HV.激光脉冲功率从2.8 GW/cm2提高到3.6GW/cm2时,轴颈表面残余压应力相应由326 MPa提高到495 MPa,两次冲击后提高幅值更大.     

碲抑制铝硅合金针孔作用的研究

本文通过测定ZL102合金液经碲变质后的表面张力和含氢量,以及浇注针孔试样等方法,对碲抑制铝硅合金针孔的作用进行了研究。研究结果表明:碲对铝硅合金液有很强的脱氢作用;碲变质后铝液表面张力的减小,有利于脱氢产物的逸出;作常规脱气处理后再实施碲变质工艺的铝液,虽经长期保温,仍然能浇注出针孔度很低的铸件。经碲变质处理的铝硅合金是制造高气密性铸件的理想材料。