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激光清洗引起金属材料表面特征变化的研究进展

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热加工工艺 2024年

作者：许敏恒张昱彭珍珍梁志敏汪殿龙石家庄邮电职业技术学院河北科技大学材料科学与工程学院河北省材料近净成形技术重点实验室

激光清洗技术作为新型的清洗技术，具有高效、环保、节能等特点，已被应用于轮胎模具清洗、飞机机体除漆、汽车零件再制造等领域。但该方法在将材料表面污垢层去除的同时，还会对材料表面组织特征产生一定影响。基于此，首先对激光清洗... 详细信息

激光清洗技术作为新型的清洗技术，具有高效、环保、节能等特点，已被应用于轮胎模具清洗、飞机机体除漆、汽车零件再制造等领域。但该方法在将材料表面污垢层去除的同时，还会对材料表面组织特征产生一定影响。基于此，首先对激光清洗引起金属材料表面粗糙度、硬度、耐磨性和耐蚀性等组织性能的变化进行分析；再从引起金属材料表面温度升高、引起基体表面元素改变两方面分析金属材料表面特征变化的原因。最后，在此基础上对激光清洗技术的挑战和未来研究方向进行总结和展望。

关键词：激光清洗金属材料表面性能微观组织

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金属超声点焊工艺优化研究进展

热加工工艺 2024年第15期53卷 1-7页

作者：孙卓彬梁永梅王立伟汪殿龙梁志敏河北科技大学材料科学与工程学院河北省材料近净成形技术重点实验室河北石家庄050018

超声点焊(ultrasonic spot welding,USW)作为一种低温、低能耗和高效率的固相连接技术,能够实现传统焊接方法难以完成的Al、Cu、Ti等同种及异种金属的连接,具有广阔的应用前景。接头强度是评估USW焊接质量的重要指标之一,其影响因素众... 详细信息

超声点焊(ultrasonic spot welding,USW)作为一种低温、低能耗和高效率的固相连接技术,能够实现传统焊接方法难以完成的Al、Cu、Ti等同种及异种金属的连接,具有广阔的应用前景。接头强度是评估USW焊接质量的重要指标之一,其影响因素众多且相互之间的作用较为复杂。本文围绕USW工艺设计和接头强度的内在联系,从声级尖端设计、材料预处理、焊接参数、中间层金属添加和复合焊接等五方面介绍了优化接头强度的研究进展,并展望了研究方向,以期为进一步提高接头强度提供可行思路。

关键词：超声点焊声级尖端预处理中间层金属复合焊

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铝合金表面氧化物激光清洗机理研究进展

表面技术 2024年第15期53卷 21-33页

作者：王瑞洋许敏恒彭珍珍王立伟刘宏伟汪殿龙梁志敏河北科技大学材料科学与工程学院石家庄050018 河北省材料近净成形技术重点实验室石家庄050018 京津冀再制造产业技术研究院河北沧州062450 燕山大学机械工程学院河北秦皇岛066004

激光清洗作为21世纪新兴的清洗技术,以其独有的高精度、环保节能等优势,很大程度契合了当前可持续发展的要求。在归纳众多试验和理论研究的基础上,以激光能量密度为变量,重点综述了随着激光能量密度的变化,激光去除铝合金表面氧化层的... 详细信息

激光清洗作为21世纪新兴的清洗技术,以其独有的高精度、环保节能等优势,很大程度契合了当前可持续发展的要求。在归纳众多试验和理论研究的基础上,以激光能量密度为变量,重点综述了随着激光能量密度的变化,激光去除铝合金表面氧化层的不同机理,包括热机械膨胀、熔化蒸发、相爆炸、蒸发压力冲击、等离子体冲击,传统意义上的清洗机理“热烧蚀”应被理解为一种实验观察到的现象。介绍了当前激光清洗机理研究中常用手段,包括高速摄像和热力学模拟。介绍了当前激光清洗机理分析中遇到的一些困难,包括升温过程的复杂性和微观清洗过程的难观测性等。在此基础上,介绍了不同清洗机理作用下的铝合金表面质量变化,包括表面粗糙度及烧蚀坑形貌。对清洗机理与应用之间的联系进行说明,包括激光清洗对样品表面性能(如硬度、耐蚀性等)的影响。同时针对激光作用过程中涉及的多因素耦合作用进行了说明,包括各种能量场耦合,以及因界面声阻抗不同而产生的拉应力等对清洗过程的影响。最后提出当前制约激光清洗技术发展存在的一些问题,并对激光清洗技术的发展方向进行了展望。

关键词：激光清洗铝合金氧化层清洗机理能量密度

激光能量密度对TWIP钢表面氧化物清洗效果及机理的影响

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热加工工艺 2024年第16期53卷 101-105页

作者：刘宏伟杨文光彭珍珍汪殿龙姚云峰迟永波上海新孚美变速箱技术服务有限公司上海201100 河北科技大学材料科学与工程学院河北省材料近净成形技术重点实验室河北石家庄050018 京津冀再制造产业技术研究院河北沧州062450

针对孪晶诱发塑性(TWIP)钢板表面氧化层难去除的问题,采用近年来兴起的激光清洗方法,通过观察和测量不同能量密度激光清洗TWIP钢表面的形貌以及氧元素含量,研究了激光清洗技术对TWIP钢表面氧化层的作用效果及机理。结果表明:当能量密度... 详细信息

针对孪晶诱发塑性(TWIP)钢板表面氧化层难去除的问题,采用近年来兴起的激光清洗方法,通过观察和测量不同能量密度激光清洗TWIP钢表面的形貌以及氧元素含量,研究了激光清洗技术对TWIP钢表面氧化层的作用效果及机理。结果表明:当能量密度高于12.7 J/cm^(2)时,氧化层开始发生热膨胀而从表面剥离,因此确定此值为氧化层的清洗阈值;当能量密度高于38.2 J/cm^(2)时,材料蒸发引起的热烧蚀起主导作用;当能量密度高于50.9 J/cm^(2)时,增大激光能量会造成基体的氧化,因此确定此值为氧化层的损伤阈值。本研究不仅可为激光清洗在TWIP钢表面氧化层的去除方面提供理论指导,同时也可为TWIP钢的高效、清洁化生产加工提供有效方法。

关键词：激光清洗 TWIP钢清洗阈值损伤阈值清洗机理

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激光清洗Q345钢表面氧化层的数值模拟

激光与红外 2024年第1期54卷 31-39页

作者：赵子康杨文光宋春霄申俊伟彭珍珍汪殿龙河北科技大学材料科学与工程学院河北省材料近净成形技术重点实验室河北石家庄050018

为了探索激光搭接率和激光平均功率等物理参数在激光清洗时对Q345钢表面氧化层温度场分布和烧蚀深度的影响。本文针对钢铁产业工程中常用材料Q345钢表面的氧化层开展激光清洗过程模拟研究。首先对Q345钢表面氧化层进行物理化学性质分析... 详细信息

为了探索激光搭接率和激光平均功率等物理参数在激光清洗时对Q345钢表面氧化层温度场分布和烧蚀深度的影响。本文针对钢铁产业工程中常用材料Q345钢表面的氧化层开展激光清洗过程模拟研究。首先对Q345钢表面氧化层进行物理化学性质分析,从而建立氧化物和基体的激光清洗分层模型。接下来借助COMSOL Multiphysics软件,将Q345钢激光清洗模型进行网格划分和瞬态研究,并用实验来验证,从而得出激光参数对清洗温度场和清洗深度的影响。结果表明光斑搭接率对温度场影响不大,但随着搭接率的提高,烧蚀深度越深。而激光平均功率越大,温度场峰值越高,烧蚀深度也显著加深。该研究结果可为激光清洗氧化层的工艺研究提供理论参考。

关键词：激光技术激光清洗有限元模拟 Q345钢温度场烧蚀深度

异质双丝间接电弧增材制造Al-Mg-Cu合金组织与力学性能

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焊接学报 2023年第10期44卷 64-70,I0006页

作者：吴涛谭振王立伟梁志敏汪殿龙河北科技大学石家庄050018 河北省材料近净成形技术重点实验室石家庄050018

提出了一种新型异质双丝间接电弧增材制造(TWIA-AM)方法,同步送进ER2319和ER5356两种焊丝,制备了Al-3.5Mg-1.7Cu合金试样,并对沉积的Al-3.5Mg-1.7Cu铝合金试样的组织和力学性能进行了研究.结果表明,Al-3.5Mg-1.7Cu合金试样第二相主要由A... 详细信息

提出了一种新型异质双丝间接电弧增材制造(TWIA-AM)方法,同步送进ER2319和ER5356两种焊丝,制备了Al-3.5Mg-1.7Cu合金试样,并对沉积的Al-3.5Mg-1.7Cu铝合金试样的组织和力学性能进行了研究.结果表明,Al-3.5Mg-1.7Cu合金试样第二相主要由Al,Mg和Cu元素组成,为α-Al相和S相(Al2CuMg),晶粒形态在层间区域呈现粗大的柱状晶,层中心区域为等轴晶和细小的胞状晶组成;试样平均硬度为73.7HV,存在周期性低硬度区.试样平行增材方向(BD方向)、垂直于增材方向的平均抗拉强度和断后伸长率分别为225,235 MPa和9.0%,13.0%,力学性能表现为各向异性,观察断口形貌呈现典型的韧性断裂特征.创新点:提出了一种新型的异质双丝间接电弧增材制造方法,实现了Al-Mg-Cu合金的增材制造原位合成.

关键词：双丝间接电弧增材制造 Al-Mg-Cu合金微观组织力学性能

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质子交换膜燃料电池的快速活化方法展望

工程热物理学报 2022年第12期43卷 3331-3343页

作者：蓝弋林杨代军楚天阔明平文李冰汪殿龙同济大学汽车学院上海每201804 河北科技大学材料科学与工程学院石家庄050091

新制造的质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)通常需要所谓的活化过程使其它达到其额定或最佳性能。通过活化过程,可以使得其膜电极组件充分润湿,并建立有效的电子、质子、气体以及液态水的传输通道,提高了PE... 详细信息

新制造的质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)通常需要所谓的活化过程使其它达到其额定或最佳性能。通过活化过程,可以使得其膜电极组件充分润湿,并建立有效的电子、质子、气体以及液态水的传输通道,提高了PEMFC的发电性能和稳定性。根据活化工艺的不同,这一过程可能需要数小时甚至更久的时间才能完成,并可能消耗大量的氢燃料,从而导致无法接受的时间成本和经济成本;活化工艺亟待优化。为了能够在足够短的时间内完成该活化过程,本文回顾了行业内普遍应用的活化方法,总结了关于PEMFC调节和潜在机制的可用信息,将活化类型分为四种:在线活化、离线活化、综合活化和恢复性活化。对于每种活化技术,都概述了实验程序和结果,并对PEMFC活化工艺的未来研究发展方向进行了展望。

关键词：质子交换膜燃料电池活化工艺活化机理快速活化

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PEMFC电化学氢泵活化方法及其强化机制

材料工程 2023年第6期51卷 20-28页

作者：戴海勤杨代军明平文李冰张存满汪殿龙同济大学汽车学院新能源汽车工程中心上海201804 河北科技大学材料科学与工程学院石家庄050018

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)通常需活化才能发挥其最佳性能。与传统的活化方法相比,电化学氢泵可以节约时间和氢气成本。电化学氢泵是一种使氢气在阳极氧化成质子,然后质子在外加电场作用下迁移到阴... 详细信息

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)通常需活化才能发挥其最佳性能。与传统的活化方法相比,电化学氢泵可以节约时间和氢气成本。电化学氢泵是一种使氢气在阳极氧化成质子,然后质子在外加电场作用下迁移到阴极并且被还原成氢气的方法。借助极化曲线测试、交流阻抗测试和循环伏安测试等方法研究电化学氢泵活化后PEMFC的发电性能、内部阻抗和催化剂电化学活性比表面积(electrochemical specific area,ECSA)的变化,进而分析其活化机理。此外,研究不同电流密度、进气湿度和活化温度对氢泵活化效果的影响。结果表明:氢泵活化后,燃料电池发电性能显著提升,Tafel斜率降低,电荷传输阻抗和质量传输阻抗降低,欧姆阻抗基本不变,ECSA增加,因此氢泵活化机制与催化剂活性物种数量、催化层微观结构有关。在电流密度200 mA·cm^(-2)下氢泵活化的效果强于100 mA·cm^(-2)。在进气湿度为150%RH下氢泵活化的效果强于100%RH和200%RH。另外,活化温度对氢泵活化效果的影响不大,在常温下氢泵活化30 min即可使燃料电池完全活化。

关键词：质子交换膜燃料电池电化学氢泵活化交流阻抗循环伏安

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大功率低纹波等离子喷涂斩波电源研制

焊接学报 2023年第3期44卷 92-97,I0008页

作者：汪殿龙黄浩邹显鑫梁志敏吴朝军河北科技大学河北省材料近净成形技术重点实验室石家庄050000 航天材料及工艺研究所北京100076

等离子喷涂电源通常采用可控硅整流电源或逆变电源,存在效率低、输出电流纹波大等问题,难以满足等离子喷涂工艺的特殊要求.文中提出了一种基于八相交错并联Buck变换器的大功率等离子喷涂斩波电源.首先设计了斩波电源的电路拓扑,分析了... 详细信息

等离子喷涂电源通常采用可控硅整流电源或逆变电源,存在效率低、输出电流纹波大等问题,难以满足等离子喷涂工艺的特殊要求.文中提出了一种基于八相交错并联Buck变换器的大功率等离子喷涂斩波电源.首先设计了斩波电源的电路拓扑,分析了斩波电源的工作原理和电流纹波产生机理,阐明了并联相数、占空比对电流纹波的影响规律,并进行了仿真验证.然后,基于等离子喷涂工艺对电源特性的要求,设计出功率为40 kW的四相交错并联模块,在CAN总线协同控制下,组成80 kW的八相交错并联斩波式等离子喷涂电源.最后,搭建了等离子喷涂斩波电源样机,进行了喷涂试验,测试了电源的输出纹波和效率.试验结果表明,与传统的可控硅整流电源和逆变电源相比,斩波电源的电流纹波率降低50%以上,电源效率最高达到94.5%.

关键词：等离子喷涂斩波电源 Buck变换器交错并联电流纹波