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复杂载荷、极端环境下焊接结构疲劳寿命预测研究综述

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中国机械工程 2024年第5期35卷 829-839页

作者：董志波王程程李承昆李峻臣赵耀邦历吴恺徐爱杰哈尔滨工业大学材料结构精密焊接与连接全国重点实验室哈尔滨150001 上海航天精密机械研究所上海201600

焊接接头易出现缺陷和应力集中,在疲劳载荷作用下将成为疲劳裂纹萌生和扩展的薄弱区域。与均质材料相比,接头各区域微观组织及应力局部化使得焊接结构疲劳问题进一步复杂化。区别于理想实验条件,实际焊接结构服役环境复杂,疲劳寿命预测... 详细信息

焊接接头易出现缺陷和应力集中,在疲劳载荷作用下将成为疲劳裂纹萌生和扩展的薄弱区域。与均质材料相比,接头各区域微观组织及应力局部化使得焊接结构疲劳问题进一步复杂化。区别于理想实验条件,实际焊接结构服役环境复杂,疲劳寿命预测须考虑环境因素与焊接结构耦合特性。为此,对影响焊接结构的内在因素进行总结分析,从复杂载荷和极端服役环境两方面对现有焊接结构寿命预测模型进行综述,结合最新研究进展对改进焊接结构疲劳寿命评估方法提出建议。

关键词：焊接结构影响因素复杂载荷极端环境寿命预测模型

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搅拌摩擦沉积增材2219铝合金组织及性能

航空材料学报 2024年第1期44卷 152-162页

作者：王瑞林杨新岐唐文珅罗庭赵耀邦窦恩惠天津大学材料科学与工程学院天津300354 上海航天精密机械研究所上海201600

在主轴转速250~350 r/min、横向移动速度50~150 mm/min工艺参数下进行2219-T87铝合金搅拌摩擦沉积增材(additive friction stir deposition,AFSD)实验,探究工艺参数与多层热循环对沉积层宏观成形、微观组织和力学性能的影响。结果表明:... 详细信息

在主轴转速250~350 r/min、横向移动速度50~150 mm/min工艺参数下进行2219-T87铝合金搅拌摩擦沉积增材(additive friction stir deposition,AFSD)实验,探究工艺参数与多层热循环对沉积层宏观成形、微观组织和力学性能的影响。结果表明:在主轴转速250 r/min,移动速度100 mm/min工艺参数下可获得成形良好的单道16层增材试样。增材区晶粒尺寸发生显著细化,在4~6μm之间,细小等轴晶组织取代沉积棒料粗大的无规则晶粒组织。增材试样发生剧烈的动态再结晶,整体再结晶晶粒在80%以上,试样底部(第1层)受到多次热循环影响,再结晶晶粒达到91.8%。增材区域织构基本由Cube、Copper、P和RtB四种再结晶织构以及S、T和Brass织构构成。增材试样的硬度和抗拉强度相比于沉积棒料都明显降低,其中,第16层沉积层硬度最大为80HV,约为沉积棒料母材的55.6%;第1~8层沉积层硬度均匀在60HV。增材区水平(longitudinal direction,LD)方向第9~16层和1~8层的平均抗拉强度分别为243.0 MPa和219.3 MPa,约为母材的60.0%和52.9%;平均伸长率为19.4%和24.5%,分别约为母材的181.1%和229.0%。增材试样LD方向断裂模式均为韧性断裂。

关键词：搅拌摩擦沉积增材 2219-T87铝合金微观组织力学性能

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搅拌摩擦固相沉积增材制造研究现状

材料导报 2024年第9期38卷 162-177页

作者：王子健孙舒蕾肖寒冉旭东陈强黄树海赵耀邦周利黄永宪哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨150001 哈尔滨工业大学(威海)山东省特种焊接技术重点实验室山东威海264209 中国兵器工业第五九研究所重庆400039 上海航天精密机械研究所上海201600

基于搅拌摩擦焊与增材制造技术开发的搅拌摩擦固相沉积增材制造为金属增材制造提供了一种独特的固相加工路线,其具有适用材料范围广、构件综合性能良好、效率高、成本低等优点,在航空航天、武器装备等领域金属及金属基复材结构件制备方... 详细信息

基于搅拌摩擦焊与增材制造技术开发的搅拌摩擦固相沉积增材制造为金属增材制造提供了一种独特的固相加工路线,其具有适用材料范围广、构件综合性能良好、效率高、成本低等优点,在航空航天、武器装备等领域金属及金属基复材结构件制备方面具有广阔的应用潜力。鉴于搅拌摩擦固相沉积增材制造的独特优势,本文首先对搅拌摩擦固相沉积增材制造技术的基本原理、完全耦合的热变形过程以及沉积层宏观成形进行了简单介绍,之后对增材沉积层微观组织演变和力学性能进行了重点论述,大量研究表明搅拌摩擦固相沉积增材制造中独特固相成形可使增材构件产生类锻造态显微组织,该技术已被逐步应用于结构件制备、修复、涂层加工等领域中。最后对搅拌摩擦固相沉积增材制造技术进行了展望,指出该技术未来需在仿真模拟、制造工艺、技术优化、质量监测、复杂构件制备等领域中进一步研究和突破。

关键词：搅拌摩擦固相沉积增材制造材料热变形行为宏观成形微观组织演变力学性能

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铝合金连续进给搅拌摩擦增材制造技术

焊接学报 2022年第11期43卷 63-67,I0006页

作者：陈会子孟祥晨陈佳霖谢聿铭赵耀邦黄永宪哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨150001 上海航天精密机械研究所上海201600

为解决固相增材制造过程送料不连续及层间界面弱连接的难题,提出了连续进给搅拌摩擦增材制造的方法,设计了一个带孔的储料腔和一个可对丝材进行热塑化并连续挤压的螺杆拓扑结构搅拌头.结果表明,Al-Si合金丝材经由送丝孔进入储料腔,搅拌... 详细信息

为解决固相增材制造过程送料不连续及层间界面弱连接的难题,提出了连续进给搅拌摩擦增材制造的方法,设计了一个带孔的储料腔和一个可对丝材进行热塑化并连续挤压的螺杆拓扑结构搅拌头.结果表明,Al-Si合金丝材经由送丝孔进入储料腔,搅拌头连续热塑化并向下挤压材料,搅拌针在堆积层间的搅拌作用有效地提高了堆积层间的界面结合能力,成功实现了铝合金连续进给搅拌摩擦增材制造成形并解决了层间界面弱连接的难题.单层增材制造堆积层厚度平均为1.2 mm,Al-Si合金增材制造成形件沿堆积方向的抗拉强度和断后伸长率分别为207.1 MPa±3.2 MPa和19.6%±5.3%,该技术为实现大型铝合金构件全固相增材制造提供了一种可行性方案.

关键词：搅拌摩擦增材制造固相增材制造铝合金工艺特性力学性能

电弧电场强度对激光等离子体引燃TIG电弧性能的影响

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焊接学报 2012年第2期33卷 9-12,16页

作者：雷正龙陈彦宾李颖赵耀邦哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨150001

以峰值时间为10 ms的CO2脉冲激光进行TIG电弧的引弧试验,并采用高速摄像观察了激光等离子体引燃TIG电弧过程中的等离子体形态.结果表明,成功引燃TIG电弧的必要条件之一是必须使激光等离子体在电场作用下向阴极(钨极)方向偏移,致使激光... 详细信息

以峰值时间为10 ms的CO2脉冲激光进行TIG电弧的引弧试验,并采用高速摄像观察了激光等离子体引燃TIG电弧过程中的等离子体形态.结果表明,成功引燃TIG电弧的必要条件之一是必须使激光等离子体在电场作用下向阴极(钨极)方向偏移,致使激光等离子体与阴极接触产生热电子发射和场致发射并形成自持放电.在此基础上,为了探索激光等离子体引燃TIG电弧过程中电弧电场强度的影响,通过改变TIG电弧钨极形状、高度、激光与钨极相对位置等物理试验的方法,进一步分析了不同电场强度对CO2激光等离子体引燃TIG电弧引弧特性的影响规律.

关键词：激光技术激光等离子体 TIG电弧引弧电场强度

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双向预置应力控制焊接变形及防止热裂纹研究

双向预置应力控制焊接变形及防止热裂纹研究

作者：赵耀邦哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

焊接变形大和热裂敏感性高是铝合金薄板结构焊接加工中存在的较为严重的问题。基于焊接变形和热裂纹的产生都与焊接过程中的应力应变演变密切相关,本文从力学角度出发,首次提出双向预置应力控制焊接变形和防止热裂纹新工艺,同时解决了... 详细信息

焊接变形大和热裂敏感性高是铝合金薄板结构焊接加工中存在的较为严重的问题。基于焊接变形和热裂纹的产生都与焊接过程中的应力应变演变密切相关,本文从力学角度出发,首次提出双向预置应力控制焊接变形和防止热裂纹新工艺,同时解决了焊接变形和热裂纹问题。预置纵向拉应力控制焊接变形和降低焊接残余应力,与此同时预置横向压应力抵消焊缝金属固有的凝固收缩时受到的拉应变以及预置纵向拉应力对焊缝金属造成的额外拉应变,从而起到防止热裂纹的作用。采用有限元数值模拟和工艺试验相结合的研究方法,首先模拟了双向预置应力下的静力学应力应变场,然后模拟了双向预置应力作用下焊接过程中的应力演变过程和焊后残余应力。模拟结果表明了双向预置应力控制焊接变形和防止热裂纹工艺的可行性,研究了预置纵向拉应力和横向压应力这两个重要参数对其作用效果的影响以及交互作用,初步揭示了其作用机理,并为工艺试验中制定合理的工艺参数提供指导。自主设计制造了双向预置应力焊接机构,在此基础上针对尺寸为300mm×200mm×2mm的LY12CZ铝合金进行了双向预置应力焊接工艺试验。试验结果表明:预置横向压应力保持0.2σs不变时,随着预置纵向拉应力的增加,焊接挠曲变形量越来越小,从常规焊时的最大挠曲变形量的13mm下降到预置纵向拉应力为0.7σs时的2mm,同时焊接残余应力峰值从常规焊时的213.4MPa下降到41.6MPa;随着预置纵向拉应力的增加焊接热裂纹的倾向有增大的趋势,施加横向压应力能很好的解决预拉伸控制焊接变形中出现的热裂纹问题,在施加0.5σs预置纵向拉应力而无预置横向压应力时热裂纹率高达13.4%,而施加0.3σs预置横向压应力后基本上无宏观热裂纹的出现;预置横向压应力对焊接变形的控制也起到一定的作用,但是预置横向压应力值较小时,其作用有限;用0.6σs～0.7σs的预置纵向拉应力配合0.2σs～0.3σs的预置横向拉应力时,得到了低应力、小变形且无焊接热裂纹的试件。

关键词：双向预置应力焊接变形焊接热裂纹数值模拟

充压镦形对先进高强钢弯曲管状件回弹的控制效果

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锻压技术 2023年第5期48卷 117-122,161页

作者：林才渊简翰鸣寇晗涛宋柯冯苏乐赵耀邦孙磊初冠南上海航天精密机械研究所上海201600 哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院山东威海264209

为了解决先进高强度钢弯曲管状零件存在的严重回弹缺陷问题,提出了一种利用充压镦形工艺来控制此类零件回弹的新方法。该工艺的力学原理是通过上模的合模运动(垂直于弯曲轴线),对弯管施加环向压缩使环向材料发生塑性变形和后继屈服,使... 详细信息

为了解决先进高强度钢弯曲管状零件存在的严重回弹缺陷问题,提出了一种利用充压镦形工艺来控制此类零件回弹的新方法。该工艺的力学原理是通过上模的合模运动(垂直于弯曲轴线),对弯管施加环向压缩使环向材料发生塑性变形和后继屈服,使内、外侧的轴向弯曲应力完全转化为轴向压应力,消除了由弯曲引起的内层压应力和外层拉应力之间的轴向应力差,实现了基本控制回弹的目的,这与拉弯法的力学原理正好相反。采用有限元分析和实验验证两种方法来揭示充压镦形控制管状件弯曲回弹的力学机理。研究结果表明,管材的弯曲回弹量随着压缩量的增加而减小,并且存在一定的临界压缩量。对于抗拉强度分别为600和800 MPa的先进高强钢,通过该方法可将回弹量降低95%以上。

关键词：充压镦形先进高强钢弯曲管状件回弹控制临界压缩量

7150高强铝合金自支撑搅拌摩擦焊接头成形与组织研究

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热加工工艺 2023年第7期52卷 135-138页

作者：刘立安陈思浩赵耀邦孟祥晨黄永宪上海航天精密机械研究所上海201600 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室黑龙江哈尔滨150001

为解决高强铝合金搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)背部需刚性支撑的问题,设计了自支撑搅拌摩擦焊分体式焊具,由上轴肩、搅拌针和下支撑体组成。采用下支撑体的结构设计可以进行7150-T77511铝合金的无垫板支撑FSW,并消除了传统FS... 详细信息

为解决高强铝合金搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)背部需刚性支撑的问题,设计了自支撑搅拌摩擦焊分体式焊具,由上轴肩、搅拌针和下支撑体组成。采用下支撑体的结构设计可以进行7150-T77511铝合金的无垫板支撑FSW,并消除了传统FSW背部的弱连接缺陷。通过焊接工艺参数优化,当转速为550 r/min,焊接速度为500 mm/min时,焊缝成形良好,无内部缺陷。焊缝横截面组织呈“哑铃”形,工件上下层分别受上轴肩和下支撑体作用产生上焊核区和下焊核区,这两个区域的晶粒尺寸相近,相比焊核区晶粒更细小。

关键词：高强铝合金搅拌摩擦焊接头成形显微组织

铝合金激光-电弧双面焊接激光稳定、压缩电弧的机制分析

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机械工程学报 2013年第4期49卷 51-57页

作者：赵耀邦雷正龙李俐群陈彦宾哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨150001 上海航天精密机械研究所上海201600

为了阐释铝合金激光-电弧双面焊激光稳定、压缩电弧的物理机理,采用对比试验的研究方法和红外测温、电弧光谱分析的技术手段,分析激光对电弧作用的物理本质。结果表明,在激光匙孔未穿透条件下,激光形成的大梯度温度场为电弧提供阳极斑... 详细信息

为了阐释铝合金激光-电弧双面焊激光稳定、压缩电弧的物理机理,采用对比试验的研究方法和红外测温、电弧光谱分析的技术手段,分析激光对电弧作用的物理本质。结果表明,在激光匙孔未穿透条件下,激光形成的大梯度温度场为电弧提供阳极斑点是铝合金激光-电弧双面焊电弧稳定、收缩的根本原因,高能量密度的激光热源和高热导率的材料二者不可或缺;而在激光匙孔穿透条件下,光谱分析显示常规钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas arc,TIG)焊电弧的Ar谱线强度最高,不锈钢激光-电弧双面焊电弧次之,而铝合金激光-电弧双面焊电弧Ar谱线最弱,这表明铝合金较高的饱和蒸汽压使得激光在匙孔底部产生较多的激光等离子体,为电弧提供了更加容易的导电通道,因而电弧弧根作用于此。

关键词：激光-电弧双面焊电弧收缩光谱分析红外测温