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超音频脉冲电流叠加对高氮钢GMA增材制造组织性能的影响

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兵工学报 2024年

作者：马立范霁康张建从保强杨东青彭勇王克鸿南京理工大学受控电弧智能增材技术工业和信息化部重点实验室北京航空航天大学机械工程及自动化学院

针对高氮钢增材过程中氮损失及力学性能降低等问题，采用常规脉冲熔化极气保电弧（Pulsed Gas Metal Arc，P-GMA）及在脉冲电流峰值阶段叠加超音频脉冲电流的P-GMA对高氮钢进行电弧增材制造实验，分别制备不同工艺参数下的单道多层高氮... 详细信息

针对高氮钢增材过程中氮损失及力学性能降低等问题，采用常规脉冲熔化极气保电弧（Pulsed Gas Metal Arc，P-GMA）及在脉冲电流峰值阶段叠加超音频脉冲电流的P-GMA对高氮钢进行电弧增材制造实验，分别制备不同工艺参数下的单道多层高氮钢直壁体，研究超音频脉冲电流叠加对高氮钢电弧增材制造凝固方式、显微组织演变及力学性能的影响规律。研究结果表明：由于高氮钢在电弧增材过程中存在氮损失现象，不同增材模式下高氮钢金属熔池的凝固方式均由A转变为FA；相比于常规P-GMA，叠加超音频脉冲电流后P-GMA产生的高频超声效应能够提高氮元素的扩散，促进奥氏体相变，限制铁素体枝晶生长；经过对比分析，超音频脉冲电流对铁素体树枝晶Y轴方向的影响大于Z轴方向，对Y轴方向力学性能的影响也大于Z轴方向，当频率为60 kHz时Y轴方向抗拉强度提高9.9%，屈服强度提高15.9%。

关键词：高氮钢电弧增材制造超音频脉冲电流组织演变力学性能

中厚铝合金DP-VPTIG焊接深熔小孔作用机制研究

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机械工程学报 2024年

作者：姜自昊肖宏曾才有张权杨清福谢非马康王亚森齐铂金从保强北京航空航天大学机械工程及自动化学院天津航天长征火箭制造有限公司中国核电工程有限公司

双频复合脉冲变极性TIG焊通过激发动态深熔小孔实现中厚铝合金结构不开坡口、单面焊双面成形深熔焊接。深熔小孔的动态行为与形貌特征对焊缝熔深有重要影响，为探究小孔对焊缝熔深作用机制，基于高速图像采集技术采集分析小孔于低频脉... 详细信息

双频复合脉冲变极性TIG焊通过激发动态深熔小孔实现中厚铝合金结构不开坡口、单面焊双面成形深熔焊接。深熔小孔的动态行为与形貌特征对焊缝熔深有重要影响，为探究小孔对焊缝熔深作用机制，基于高速图像采集技术采集分析小孔于低频脉冲周期、高频脉冲周期以及变极性周期内的动态演变规律；基于双频复合脉冲变极性TIG焊接特点建立焊接过程瞬态数值模型，分析小孔作用下熔池温度场与流场动态特性以及小孔与熔池的关系。结果表明，双频复合脉冲变极性TIG焊熔池随电流脉冲变化而表现出多种动态行为，低频脉冲峰值阶段熔池形成深熔小孔，使焊接热源下移以及于熔池内激发高速流体传热通道，可提高电弧向熔池底部传热的效率，进而促进熔池深度的增加，且小孔深度与熔池深度之间存在互相促进的耦合关系，进一步提升焊缝熔透程度。

关键词：中厚铝合金结构脉冲调制电弧小孔深熔焊数值模拟焊缝成形

TIG电弧增材制造AZ31镁合金成形尺寸控制研究

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金属加工（热加工） 2024年第7期 6-12页

作者：李子淇常子金姜自昊曹千卉曾才有从保强北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

镁合金作为航天装备结构件轻量化和一体化制造的关键轻质结构金属材料,电弧增材制造镁合金过程中成形尺寸精确控制一直是研究的重点。基于二次回归通用旋转组合试验设计法,建立了电弧增材关键工艺参数(基值电流、送丝速度、运动速度)与... 详细信息

镁合金作为航天装备结构件轻量化和一体化制造的关键轻质结构金属材料,电弧增材制造镁合金过程中成形尺寸精确控制一直是研究的重点。基于二次回归通用旋转组合试验设计法,建立了电弧增材关键工艺参数(基值电流、送丝速度、运动速度)与成形尺寸特征参数间的回归模型,采用响应面法深入分析了单一参数及耦合作用对增材成形尺寸的影响规律。结果表明:在试验设计参数范围内,基值电流的增大对成形高度起抑制作用,对成形宽度起促进作用;随着送丝速度的增大,成形宽度略微减小,层高呈现增大趋势;运动速度的增大使得沉积层的层高和层宽均减小。各工艺参数对成形高度影响最大的是送丝速度,其次是基值电流,影响最小的是运动速度;基值电流对成形宽度影响最大,其次是运动速度,对成形宽度影响最小的是送丝速度。

关键词：镁合金电弧增材制造工艺参数成形尺寸

2219中厚铝合金VPTIG深熔焊接熔池行为与组织性能

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航天制造技术 2024年第3期 34-40,78页

作者：姜自昊曾才有杨清福张权齐铂金从保强北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

针对2219-T87铝合金双频复合脉冲变极性TIG(DP-VPTIG)深熔焊接过程,采用高速图像采集和多物理场数值仿真技术对熔池传热传质行为进行研究,解耦了双频脉冲电流和方波变极性电流的作用机制,并探究了DP-VPTIG电弧对接头组织性能的影响。结... 详细信息

针对2219-T87铝合金双频复合脉冲变极性TIG(DP-VPTIG)深熔焊接过程,采用高速图像采集和多物理场数值仿真技术对熔池传热传质行为进行研究,解耦了双频脉冲电流和方波变极性电流的作用机制,并探究了DP-VPTIG电弧对接头组织性能的影响。结果表明:双频脉冲能有效激发熔池内小孔,方波变极性电流能保证焊接过程稳定,DP-VPTIG可实现中厚板铝合金的高效高质量深熔焊接。相比常规VPTIG接头,DP-VPTIG接头焊缝组织更加细小,接头抗拉强度、屈服强度和延伸率分别提高了8%、17%和22%。

关键词：中厚铝合金变极性TIG焊数值模拟组织性能

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2219高强铝合金双频复合脉冲VPTIG焊接受激脉冲小孔行为

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稀有金属材料与工程 2022年第10期51卷 3596-3601页

作者：尹玉环王义朋高焓钟豪齐铂金张铁民从保强上海航天设备制造总厂上海200245 北京工业大学材料与制造学部轻合金材料与加工研究所北京100124 北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191 北京卫星制造厂北京100086

K-TIG(Keyhole TIG)是TIG焊接工艺的一种变体,通过在熔池内部形成小孔,大幅提高焊缝熔深。然而,由于铝合金热导率较高,K-TIG通常被认为不适用于铝合金焊接。采用一种新型双频复合脉冲变极性TIG(DP-VPTIG)焊接工艺,成功实现了7 mm厚2219... 详细信息

K-TIG(Keyhole TIG)是TIG焊接工艺的一种变体,通过在熔池内部形成小孔,大幅提高焊缝熔深。然而,由于铝合金热导率较高,K-TIG通常被认为不适用于铝合金焊接。采用一种新型双频复合脉冲变极性TIG(DP-VPTIG)焊接工艺,成功实现了7 mm厚2219高强铝合金的稳定全熔透小孔焊接。采用视觉传感技术研究了DP-VPTIG焊接小孔瞬态行为及其动态演变过程。结果表明,熔池表面同时受到向上的电弧压力以及向下的表面张力和静水压力作用。DP-VPTIG低频脉冲峰值阶段,在电弧压力主导作用下熔池表面发生凹陷变形并在熔池内部形成深熔小孔;低频脉冲基值阶段,在表面张力和静水压力的主导作用下,熔池表面上移,小孔闭合。DPVPTIG焊接过程中低频脉冲的周期性变化激发了熔池内部小孔的周期性“打开”和“闭合”。小孔的形成使电弧沿熔池表面下移,直接加热熔池下部的固态金属,有利于焊缝熔深的提升,且小孔尺寸随低频脉冲频率的增加而减小。

关键词：小孔焊接双脉冲钨极氩弧焊铝合金

基于NiTi形状记忆合金的航空解锁装置设计与研制

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机械设计 2023年第12期40卷 91-96页

作者：崔江梅杜旭荧从保强曾志成都工业学院材料与环境工程学院四川成都611730 电子科技大学机械与电气工程学院四川成都611731 北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

现有航空火工解锁技术存在冲击大、污染大和难以重复利用等技术问题,文中设计研制了一种基于NiTi形状记忆合金的模块化航空解锁装置,分别采用有限元软件Workbench和ADAMS对解锁机构进行静强度校核和解锁运动分析,并开展了其动态执行过... 详细信息

现有航空火工解锁技术存在冲击大、污染大和难以重复利用等技术问题,文中设计研制了一种基于NiTi形状记忆合金的模块化航空解锁装置,分别采用有限元软件Workbench和ADAMS对解锁机构进行静强度校核和解锁运动分析,并开展了其动态执行过程的瞬态受力及行程分析。针对关键驱动部件——记忆合金驱动弹簧,研究了热处理工艺对相变及形变的影响作用机制,对试制的航空解锁装置进行了回复率和疲劳寿命测试。结果表明:基于形状记忆合金的航空解锁装置可实现大行程解锁,在3.0 A电流下驱动弹簧回复率可达到13.0%,有效疲劳寿命达到80次以上,满足了航空器安全和重复投放的技术需求。

关键词：航空解锁装置形状记忆合金热处理疲劳性能回复率

热处理对2219铝合金双频复合脉冲TIG焊接头组织演变及力学性能影响

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焊接学报 2022年第4期43卷 42-49,I0005页

作者：尹玉环曾才有高焓张铁民齐铂金从保强上海航天设备制造总厂有限公司上海200240 北京航空航天大学北京100191 北京卫星制造厂有限公司北京100190

系统对比研究了直接时效处理和固溶时效处理对2219-T6铝合金双频复合脉冲TIG焊接头强化的影响.分析了焊后热处理工艺对α-Al晶粒、共晶组织及时效析出行为的影响,讨论了接头组织不均匀性对塑性变形行为的影响机制.结果表明,直接时效处... 详细信息

系统对比研究了直接时效处理和固溶时效处理对2219-T6铝合金双频复合脉冲TIG焊接头强化的影响.分析了焊后热处理工艺对α-Al晶粒、共晶组织及时效析出行为的影响,讨论了接头组织不均匀性对塑性变形行为的影响机制.结果表明,直接时效处理对α-Al晶粒和共晶组织影响较小,在焊缝区引入低密度粗大θ’-Al_(2)Cu析出相,对接头强化效果有限,且对塑性有损害;而固溶时效处理导致α-Al晶粒粗化、共晶组织含量降低且尺寸细化,在焊缝区引入高密度细小θ’’-Al3Cu析出相(平均直径22 nm),并显著提升接头强度和塑性,使得接头强度系数达到0.84,断后伸长率升高至7.0%.固溶时效处理导致的接头强塑化源于焊缝区内高密度纳米θ’’-Al3Cu相所产生的析出强化效应,使得接头强度匹配更加均衡,促进了接头均匀塑性变形,并提升了接头抗拉强度.

关键词：热处理铝合金脉冲焊接显微组织力学性能

CMT工艺对Al-Cu合金电弧增材制造气孔的影响

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稀有金属材料与工程 2014年第12期43卷 3149-3153页

作者：从保强丁佳洛北京航空航天大学北京100191 Cranfield University MK43 0AL UK

分析不同纯氩保护气体流量和冷金属过渡(CMT)工艺方法对Al-Cu合金电弧填丝增材制造(WAAM)气孔的影响规律。结果表明:纯氩保护气体流量和CMT工艺方法对Al-Cu合金WAAM制造过程的气孔特征均具有重要影响。提高纯氩保护气体流量有助于减少气... 详细信息

分析不同纯氩保护气体流量和冷金属过渡(CMT)工艺方法对Al-Cu合金电弧填丝增材制造(WAAM)气孔的影响规律。结果表明:纯氩保护气体流量和CMT工艺方法对Al-Cu合金WAAM制造过程的气孔特征均具有重要影响。提高纯氩保护气体流量有助于减少气孔;CMT-PADV工艺因其热输入低及电弧对Al-Cu合金填充丝端部表面氧化膜的高效清理而有利于减少甚至消除气孔,提高纯氩保护气体流量至25 L/min时可消除气孔。

关键词：铝合金电弧填丝增材制造冷金属过渡纯氩保护气体气孔

NiTi形状记忆合金电弧熔融涂覆及微连接机理

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机械工程学报 2022年第2期58卷 176-184页

作者：柯文超从保强祁泽武敖三三庞博文郭伟彭倍曾志电子科技大学机械与电气工程学院成都611731 北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191 天津大学材料科学与工程学院天津300350

NiTi形状记忆合金作为表面涂覆材料,有利于提高构件的耐磨和抗氧化性能。基于非熔化极氩弧焊(Tungsten inert gas welding,TIG)电弧熔融涂覆技术,分别采用常规直流、超高频脉冲(Ultra high-frequency pulsed,UHFP)电流两种模式,在TA1纯... 详细信息

NiTi形状记忆合金作为表面涂覆材料,有利于提高构件的耐磨和抗氧化性能。基于非熔化极氩弧焊(Tungsten inert gas welding,TIG)电弧熔融涂覆技术,分别采用常规直流、超高频脉冲(Ultra high-frequency pulsed,UHFP)电流两种模式,在TA1纯钛板表面沉积3层NiTi涂层。基于有限体积法,利用FLUENT建立计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)仿真模型开展熔融涂覆工艺及微连接机理研究,模拟对比了两种电流模式下的熔池传热传质、NiTi熔滴过渡、熔覆涂层及微连接界面的Ni元素传输和分布规律,数值计算和试验结果吻合较好。结果表明,涂层主要由NiTi(B19’)和NiTi_(2)相组成,其中近等原子比的NiTi占主导地位;直流模式下涂层主要为粗糙的球状晶粒,而超高频模式下涂层为细化的树状晶粒,且超高频电流有助于熔池振动和元素均匀分布,并有效提升成形质量。

关键词： NiTi形状记忆合金电弧熔融涂覆超高频脉冲计算流体力学元素分布