钛合金激光直接成形过程中热力耦合场的数值模拟

为控制成形过程的热应力,根据有限元法中的生死单元技术,利用ANSYS参数化设计语言编程实现对多道多层激光金属沉积成形过程三维温度场和应力场的数值模拟,并对熔池与粉末、激光与粉末的相互作用进行能量补偿,更加准确地计算成形过程中温度场和应力场的动态变化,得到成形过程中模型温度场、温度梯度、热应力场和残余应力的分布规律.结果表明,成形件不同层上的各节点虽然被激活的时间不一样,但它们具有相似的温度变化规律;试样内的温度梯度主要沿z轴方向分布,熔池区的温度梯度非常大,但其他方向不明显;瞬态热应力集中在温度梯度变化较大的区域,这与热应力形成的机理是一致的;通过对成形件中各方向的残余应力分析,从温度梯度的角度总结各方向残余应力变化规律,侧面验证残余应力的形成机理.通过相同工艺参数下的试验验证,证明上述分析与实际情况是基本吻合的.     

外加横向磁场作用电弧增材成形过程中的传热传质仿真

为了揭示外加横向磁场对电弧增材成形过程中电弧和熔池传热传质以及成形件微观组织影响的内在机理,建立基于GMAW电弧增材成形过程中电弧和熔池的弱耦合数值模型,通过数值模拟对比分析了有/无外加横向磁场作用下熔池电磁力分布、电弧和熔池传热传质的差异,发现横向磁场作用使电弧向熔池后方偏转,使熔池发生单向强制对流并驱动熔融金属和热量向熔池后方运动,从而更加直接地冲刷熔池结晶面。由此预测横向磁场作用能降低熔池凝固过程中枝晶前沿温度梯度和溶质浓度,提高枝晶前沿的成分过冷,使得靠近熔池中心的枝晶前端生长加速并细化晶粒。相同工艺条件的对比试验表明:相比无外加磁场的普通熔积,横向磁场作用下熔池底部等轴晶区域减小,整个结晶面上细密的胞状枝晶区域面积增大,验证了数值模拟的预测。研究结果可为外加磁场在电弧增材成形微观组织控制中的应用提供依据和参考。     

新型变极性等离子弧横焊热-力特性及成形研究

针对铝合金穿孔型等离子弧横向焊接,开展新型变极性等离子电弧热-力特性及横焊成形研究。通过设计变极性等离子弧喷嘴,控制电弧热-力特性来提高横焊穿孔稳定性。对不同热-力特性进行研究,比较三种喷嘴的电弧形态、电弧力和电弧阳极电流密度的数值与分布,分析认为新型电弧的热-力特性在横焊穿孔成形稳定性方面具有优势。依据电弧压力波形稳定性和穿孔稳定性进一步验证新型等离子电弧的作用效果,验证得出新型等离子电弧瞬间电弧压力波动较小,背面穿孔形状似圆形,且穿孔面积变化较小。通过分析穿孔熔池宏观轮廓,得到新型热-力特性对熔池行为的直接影响。利用高速摄像捕捉横焊穿孔熔池的稳定形成过程,证明较高电弧能量、较低电弧压力相配合更有利于穿孔熔池形成和稳定;同时观察到横焊熔池的稳定流动过程,并对熔池金属进行受力分析,认为新型热-力特性容易满足横焊熔池金属在流动过程中达到受力平衡,最终实现了8 mm铝合金穿孔等离子弧横焊稳定成形。     

选择性激光熔化成形温度场模拟与分析

在316L不锈钢的选择性激光熔化(SLM)三维成形过程模拟中,针对目前普遍采用单层热源加载进行模拟的局限性,采用ABAQUS软件建立了一个三维多层有限元模型来解决此问题。主要研究了在成形过程中,激光功率和扫描速率对粉床热行为的影响,在软件子程序中考虑了材料的粉末-液态-实体状态变化、相变潜热的影响,同时实现多层铺粉以及多层热源的加载。模拟结果表明:多层扫描中,随着扫描时间的增加,单层熔池的温度越来越高,熔池三维尺寸也逐渐增加,第二层比第一层粉床中心位置处的温度增加0.04%,熔池的宽和高分别增加1.33%、29%,第三层比第二层粉床中心位置处的温度增加0.02%,熔池宽和高分别增加1.35%、25.8%;成形过程中,熔池前端的温度梯度较大,随着线性能量密度(LED)的增加,熔池的温度和三维尺寸也逐渐增加。功率比扫描速率对粉床热行为的影响大,能量密度的范围在1.5~2.5 J/cm时,成形件的质量较好。     

激光参数对Ti-6Al-4V粉末SLM成形质量的影响

为了在金属3D打印产品中获得合适的加工参数,提高金属成形件的产品性能,利用有限元方法对Ti-6Al-4V粉末激光选区熔化（SLM）成形进行模拟。以APDL编程语言建模,逐步施加热源获得成形件的温度场,通过熔池演变研究了Ti-6Al-4V粉末SLM成形过程中材料接合情况;以温度场为载荷研究了SLM成形的应力场和位移场。结果表明：激光扫描速度保持恒定,激光功率增大,熔池的长度、宽度、深度均增大;激光功率保持恒定,扫描速度增大,熔池的长度变大,宽度和深度变小。最后获得了一组能够较好地满足成形需求,成形件不易产生翘曲和开裂的激光参数。     

具有独立温控单元的模具温控凝固成形装置的研制

为深入研究模具温控凝固成形工艺,研制出一种柱状件成形的试验装置,包括成形模具和温度测控系统。设计独立的加热及冷却温控单元各8组,均匀分布在模具中,加热单元采用16根远红外加热管,模具冷却采用冷却水管道强迫对流方式进行,模壁内的冷却管道通过机加工完成。使用8个位于模具不同位置的热电偶检测成形过程中熔体的实时温度,系统根据数据采集模块采集到的温度数据,输出控制信号分别控制各加热及冷却单元的通断,从而实现模具温度的自动控制。流程控制通过基于工控组态软件MCGS开发的应用系统实现,可进行整个过程的温度数值、曲线显示及报警、循环策略控制。数值模拟与成形试验的结果表明,计算值与试验值之间的误差基本在8%以下,零件内部成形质量较好,无缩孔等缺陷。     

5A06铝合金超声辅助激光填丝焊接熔池流动与结晶行为研究

为解决铝合金激光焊接过程中由于焊缝成形不良及组织不均匀引起的接头性能下降的问题,针对3mm厚的5A06铝合金开展超声振动辅助激光填丝焊接试验研究.超声变幅杆与焊接试件直接接触,进而将超声波引入熔池.超声导入熔池后,增强了熔池的稳定性和流动性,可以有效地改善焊缝成形,增加焊缝熔深.不同焊速的试验表明,低焊速下熔池的高温停留时间长、成分均匀性好,超声波的引入增强了熔池成分均匀性.超声波在熔池内传播时引起的空化效应、声流效应以及机械搅拌效应既可以有效地提高熔池内的形核率又可以促使晶粒的生长方式由柱状晶向等轴晶转变,具有细化晶粒的作用.细晶强化作用改善了接头断裂方式,提高了接头塑韧性和抗失稳能力.与未施加超声辅助相比,当超声变幅杆压力为125.7 N时,焊缝晶粒明显细化,接头抗拉强度从258.3 MPa提高到293.1 MPa左右,延伸率从11.2％提高到13.1％左右.     

AZ31B镁合金板热成形温度优化及合理温度下成形件的组织与性能

研究了温度对AZ31 B镁合金板显微组织与拉伸性能的影响,分析了不同温度热成形件的成形质量,确定了合理的热成形温度并研究了该温度下热成形件的显微组织与拉伸性能.结果表明:200℃热处理后AZ31B镁合金板能较好地保持细小等轴晶组织,随温度升高,晶粒明显粗化;随温度升高,合金的强度下降而塑性提高,200℃时即可具有良好的...     

选区激光熔化成形H13钢缺陷、组织调控及拉伸性能

成形工艺-组织-性能一体化调控一直是选区激光熔化成形工具钢领域重要研究内容。利用高激光功率、高扫描速度选区激光熔化工艺直接获得马氏体组织H13钢构件,表征了不同工艺条件下H13成形件的缺陷、显微组织及拉伸性能。研究表明:在较高的激光体能量密度ω(130.0 J/mm~3)下,熔池前端和后端易产生较大的表面张力差异,使得熔池中心的熔体更倾向于向熔池后端流动,从而造成熔池后端的突起现象,进而降低成形致密度。过低的ω(52.0 J/mm~3)引起过大的液相动力学粘度μ,显著降低了熔体的流动性,熔体的润湿性下降,从而导致较差的层间结合。当ω=86.7 J/mm~3时,熔池具有较适宜的动力学粘度μ及较好的熔体润湿能力,熔体得以顺利铺展,增强了层与层之间的冶金结合,成形致密度提升到98.2%,此时成形件内残余奥氏体含量仅为3.4%,表现出该工艺下良好的自淬火效应。成形件力学性能存在各向异性,其制造方向强度和延伸率都低于水平方向。最优参数下,水平方向成形件的平均拉伸强度为1 576 MPa,而平均延伸率仅为5.6%,成形件中的非均匀组织、较大的热应力及相变应力是成形件延伸率较低的主要因素。研究表明如何提升H13钢选区激光熔化成形件的塑韧性是目前亟待解决的问题。     

基于有限元逆向模拟技术的预成形模具设计

介绍了基于刚一粘塑性有限元方法的正向和逆向模拟技术,并将该技术应用于链轨节锻件的复杂锻造工艺的预成形设计,实现了从理想形状的终锻件设计预成形件和预成形模具的目标。所设计的预成形件和预成形模具降低了终锻模具的磨损,提高了材料的利用率,保障了预成形件在后续模具中的定位稳定性,井应用于生产实际,取得了较好的经济效益。