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Multi-physics multi-scale simulation of unique equiaxed-to-columnar-to-equiaxed transition during the whole solidification process of Al-Li alloy laser welding

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Journal of Materials Science & Technology 2024年第4期171卷 235-251页

作者： Chu Han Ping Jiang shaoning geng Liangyuan Ren School of Mechanical Science and Engineering Huazhong University of Science&Technology(HUST)Wuhan430074China

In this study,a novel multi-physics multi-scale model with the dilute multicomponent phase-field method in three-dimensional(3D)space was developed to investigate the complex microstructure evolu-tion in the molten pool during laser welding of Al-Li *** accurately compute mass data within both two and three-dimensional computational domains,three efficient computing methods,including central processing unit parallel computing,adaptive mesh refinement,and moving-frame algorithm,were *** was placed on the distinctive equiaxed-to-columnar-to-equiaxed transition phenomenon that occurs during the entire solidification process of Al-Li alloy laser *** results indi-cated that the growth distance of columnar grains that epitaxially grew from the base metal(BM)de-creased as the nucleation rate *** the nucleation rate increased,the morphology of the newly formed grains near the fusion boundary(FB)changed from columnar to equiaxed,and newly formed equiaxed grains changed from having high-order dendrites to no obvious dendrite *** the nucleation rate was sufficiently high,non-dendritic equiaxed grains could directly form near the FB,and there was nearly no epitaxial growth from the ***,simulation results illustrated the com-petition among multiple grains with varying orientations that grow in 3D space near the ***,how equiaxed grain bands develop was *** equiaxed band not only hindered the growth of early columnar grains but also some of its grains could grow epitaxially to form new columnar *** predicted results were in good agreement with experimental measurements and observations.

关键词： Laser welding Al-Li alloy Equiaxed-to-columnar-to-equiaxed transition Multi-physics multi-scale model Multicomponent alloys 3D phase-field model

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超高功率激光-电弧复合焊接飞溅演化行为及抑制方法

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机械工程学报 2024年第16期60卷 98-107页

作者：李艳耿韶宁蒋平李元泰顾思远王建庄华中科技大学机械科学与工程学院武汉430074

超高功率激光-电弧复合焊接为实现厚壁构件的高效焊接提供有效手段,但面临焊接飞溅严重的问题。针对超高功率激光-电弧复合焊接飞溅问题,开展飞溅演化行为及抑制方法研究,阐明电弧热输入对飞溅的影响及抑制机制,并分析不同电弧热输入对... 详细信息

超高功率激光-电弧复合焊接为实现厚壁构件的高效焊接提供有效手段,但面临焊接飞溅严重的问题。针对超高功率激光-电弧复合焊接飞溅问题,开展飞溅演化行为及抑制方法研究,阐明电弧热输入对飞溅的影响及抑制机制,并分析不同电弧热输入对焊缝宏观成形及组织性能的影响。结果表明,电弧热输入增加能显著增大匙孔开度,抑制飞溅形成。电弧热输入由139 J/mm提升至479 J/mm,匙孔开口尺寸由56.57 mm^(2)增至243.29 mm^(2),匙孔周围熔融金属与金属蒸汽/等离子体间的摩擦剪切力减小,熔融金属柱高度由15.96 mm降至5.27 mm,且在匙孔前沿熔融金属表面张力及流体静压力作用下,熔融金属柱回落至熔池,焊缝表面飞溅数量减少87%,焊缝成形质量显著提高。并发现电弧热输入增加在提高焊缝熔宽熔深同时,虽会导致微观组织粗化、热影响区宽度增加,但所有试样焊缝均表现出良好拉伸性能。超高功率激光-电弧复合焊接过程中飞溅的有效抑制为该技术在厚板焊接领域的工艺参数调控提供数据及理论支撑。

关键词：超高功率激光-电弧复合焊接飞溅形成抑制方法电弧热输入匙孔开口

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Heat transfer and fluid flow and their effects on the solidification microstructure in full-penetration laser welding of aluminum sheet

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Journal of Materials Science & Technology 2020年第11期42卷 50-63页

作者： shaoning geng Ping Jiang Xinyu Shao Lingyu Guo Xuesong Gao The State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology School of Mechanical Science and EngineeringHuazhong University of Science Technology430074 WuhanChina Key Laboratory for Liquid-Solid Structural Evolution and Processing of Materials Ministry of EducationShandong University250061 JinanChina

Understanding the behaviors of heat transfer and fluid flow in weld pool and their effects on the solidification microstructure are significant for performance improvement of laser *** paper develops a three-dimensional numerical model to understand the multi-physical processes such as heat transfer,melt convection and solidification behavior in full-penetration laser welding of thin 5083 aluminum *** parameters including temperature gradient G and solidification rate R,and their combined forms are evaluated to interpret solidification *** predicted weld dimensions and the microstructure morphology and scale agree well with *** indicate that heat conduction is the dominant mechanism of heat transfer in weld pool,and melt convection plays a critical role in microstructure *** mushy zone shape/size and solidification parameters can be modulated by changing process *** structures form because of the low G/R *** scale of dendritic structures can be reduced by increasing GR via decreasing heat *** columnar to equiaxed transition is predicted quantitatively via the process related G^3/*** findings illustrate how heat transfer and fluid flow affect the solidification parameters and hence the microstructure,and show how to improve microstructure by optimizing the process.

关键词： Laser welding Heat transfer Fluid flow Solidification microstructure Aluminum

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Spatial distribution of laser energy and its influence on the stability of extreme narrow keyholes during ultra-high power laser welding

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Science China(Technological Sciences) 2022年第9期65卷 2079-2088页

作者： WANG YiLin JIANG Ping geng shaoning SHU LeShi SHAO XinYu The State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology School of Mechanical Science and EngineeringHuazhong University of Science&TechnologyWuhan 430074China

The instability of extremely narrow keyholes is the main challenge in high-power laser *** this work,the spatial energy distribution and its influence on the stability of extremely narrow keyholes during ultra-high power laser welding are studied.A multiphase flow model that considers the vapor plume impact and the multiple scattering of laser radiation is built to simulate the topology and downstream wave flow on the keyhole *** keyhole fluctuation is due to excessive energy accumulation,which arises from the abnormal wrinkle structures that form on the front keyhole *** the periodic cutting phenomena on the keyhole opening and the hump accumulation effect on the solid-liquid interface help smooth the keyhole *** welding processes are obtained,producing fine,closed,and evenly distributed wrinkle structures,and the keyhole stability is correspondingly *** simulation results agree well with the experiment.

关键词： ultra-high power laser welding extreme narrow keyhole spatial energy distribution keyhole stability

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A Diffuse-Interface Lattice Boltzmann Method for the Dendritic Growth with Thermosolutal Convection

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Communications in Computational Physics 2023年第4期33卷 1164-1188页

作者： Chengjie Zhan Zhenhua Chai Baochang Shi Ping Jiang shaoning geng Dongke Sun School of Mathematics and Statistics Huazhong University of Science and TechnologyWuhan430074P.R.China Institute of Interdisciplinary Research for Mathematics and Applied Science Huazhong University of Science and TechnologyWuhan 430074P.R.China Hubei Key Laboratory of Engineering Modeling and Scientific Computing Huazhong University of Science and TechnologyWuhan430074P.R.China The State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology School of Mechanical Science and EngineeringHuazhong University of Science and TechnologyWuhan 430074P.R.China School of Mechanical Engineering Southeast UniversityNanjing 211189P.R.China

In this work,we proposed a diffuse-interface model for the dendritic growth with thermosolutal *** this model,the sharp boundary between the fluid and solid dendrite is firstly replaced by a thin but nonzero thickness diffuse interface,which is described by the order parameter,and the diffuse-interface based governing equations for the dendritic growth are *** solve the model for the dendritic growth with thermosolutal convection,we also developed a diffuse-interface multirelaxation-time lattice Boltzmann(LB)*** this method,the order parameter in the phase-field equation is combined into the force caused by the fluid-solid interaction,and the treatment on the complex fluid-solid interface can be *** addition,four LB models are designed for the phase-field equation,concentration equation,temperature equation and the Navier-Stokes equations in a unified ***,we performed some simulations of the dendritic growth to test the present diffuse-interface LB method,and found that the numerical results are in good agreements with some previous works.

关键词： Dendritic growth diffuse interface lattice Boltzmann method phase-field method.

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铝合金中厚板高功率激光搅拌焊气孔缺陷工艺调控

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焊接学报 2021年第12期42卷 26-33,I0002页

作者：杨文耿韶宁蒋平韩楚顾思远华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室武汉430074

高功率激光焊接为铝合金中厚板高质高效焊接提供了有效手段,然而面临焊缝气孔多发的问题.文中开展了铝合金中厚板高功率激光搅拌焊接气孔缺陷的工艺调控研究,阐明了搅拌振幅和搅拌频率对接头气孔率的影响,并提出了工艺参数优化方法.结... 详细信息

高功率激光焊接为铝合金中厚板高质高效焊接提供了有效手段,然而面临焊缝气孔多发的问题.文中开展了铝合金中厚板高功率激光搅拌焊接气孔缺陷的工艺调控研究,阐明了搅拌振幅和搅拌频率对接头气孔率的影响,并提出了工艺参数优化方法.结果表明,搅拌振幅主要影响光束运动轨迹横向分布和小孔开口面积;搅拌频率主要影响激光光束运动速度和对后方熔池的搅拌次数;搅拌振幅和频率越大,气孔抑制效果越明显,但焊缝熔深难以满足应用要求;通过控制光束运动轨迹和能量密度,可以实现工艺参数的设计,获得大熔深、少气孔的最佳工艺区间,最终得到熔深高达6.4 mm的少气孔焊接接头.

关键词：铝合金中厚板高功率激光搅拌焊接气孔抑制工艺调控

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基于机器视觉的高功率激光焊接过程飞溅监测方法与飞溅特征研究

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中国激光 2023年第24期50卷 47-58页

作者：蔡旺蒋平舒乐时耿韶宁周奇曹龙超武汉纺织大学机械工程与自动化学院湖北省数字化纺织装备重点实验室湖北武汉430073 华中科技大学机械科学与工程学院湖北武汉430074 智能制造装备与技术全国重点实验室湖北武汉430074 华中科技大学航空航天学院湖北武汉430074

飞溅是不锈钢高功率激光焊接中的严重缺陷之一,会导致焊缝尺寸不合格和焊板污染,影响构件服役性能。飞溅的快速、准确监测是保证焊接质量的基础。提出了一种基于机器视觉的飞溅监测方法。首先,建立了基于微距高速摄像机的高时空分辨率... 详细信息

飞溅是不锈钢高功率激光焊接中的严重缺陷之一,会导致焊缝尺寸不合格和焊板污染,影响构件服役性能。飞溅的快速、准确监测是保证焊接质量的基础。提出了一种基于机器视觉的飞溅监测方法。首先,建立了基于微距高速摄像机的高时空分辨率飞溅原位观测平台,观察了飞溅的产生和运动过程;然后,提出了基于多阈值分割-形状识别-图像融合的飞溅识别方法,获得了飞溅中心坐标、尺寸和速度特征;最后,研究了飞溅轨迹重构方法,获得了飞溅轨迹和数量特征,分析了飞溅的动态行为对焊缝质量的影响。结果表明,提出的飞溅监测方法可以准确获取飞溅特征,为高功率激光焊接状态监控和焊接质量评估提供了可靠的数据支撑。

关键词：激光技术激光焊接飞溅机器视觉过程监测动态行为

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汽车车身激光焊接技术的现状与发展趋势

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中国激光 2022年第12期49卷 178-195页

作者：王瑜舒乐时耿韶宁李斌王春明蒋平华中科技大学机械科学与工程学院制造装备数字化国家工程研究中心湖北武汉430074 武汉新耐视智能科技有限责任公司湖北武汉430074 华中科技大学材料科学与工程学院湖北武汉430074

汽车产业是国民经济的重要支柱产业,高新技术与高端装备密集,体现了国家制造技术水平。激光焊接技术具有能量密度高、焊接变形小、柔性好等优势,被广泛应用于汽车车身成形制造,是汽车车身焊接的主要技术手段。激光焊接技术能实现钢、铝... 详细信息

汽车产业是国民经济的重要支柱产业,高新技术与高端装备密集,体现了国家制造技术水平。激光焊接技术具有能量密度高、焊接变形小、柔性好等优势,被广泛应用于汽车车身成形制造,是汽车车身焊接的主要技术手段。激光焊接技术能实现钢、铝合金、镁合金等常用汽车车身材料的高质量焊接,对推动汽车车身轻量化和制造柔性化发展具有重要意义。首先结合汽车车身结构及材料特点,详细介绍了激光深熔焊、激光填丝焊、激光钎焊以及激光-电弧复合焊接等激光焊接工艺的原理及其在汽车车身焊接领域中的应用现状;然后从焊缝跟踪技术和缺陷在线检测技术两方面,对汽车车身激光焊接智能化技术的研究现状进行了介绍;最后对汽车车身激光焊接技术进行了总结并分析了其未来发展趋势。

关键词：激光技术汽车车身激光焊接焊接工艺焊接智能化技术

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动力电池1060铝合金薄板可调环形光斑激光搭接焊工艺优化

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焊接学报 2023年第11期44卷 67-79,I0006,I0007页

作者：宫照亮蒋平施建宏徐凯钦耿韶宁舒乐时华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室武汉430074 锐科光纤激光技术股份有限公司武汉430073

激光焊接为动力电池铝合金薄板焊接提供了有效技术手段,然而传统激光焊接工艺在高焊接速度要求下易产生飞溅、气孔等缺陷,影响构件的服役性能.文中开展可调环形光斑激光搭接焊工艺调控研究,阐明了中心-环形激光功率对焊缝成形的影响规律... 详细信息

激光焊接为动力电池铝合金薄板焊接提供了有效技术手段,然而传统激光焊接工艺在高焊接速度要求下易产生飞溅、气孔等缺陷,影响构件的服役性能.文中开展可调环形光斑激光搭接焊工艺调控研究,阐明了中心-环形激光功率对焊缝成形的影响规律,在此基础上,确定了无飞溅、少气孔、大搭接面熔宽的高速稳定焊接工艺窗口.在上述工艺窗口范围内,以小熔深波动与大搭接面熔宽作为目标,基于Kriging模型与NSGA-Ⅱ遗传算法开展多目标工艺参数优化.经验证,在焊接速度70 mm/s以上,焊缝成形质量进一步得到提升,搭接面熔宽提高8.89%、熔深波动小于10%、无明显成形缺陷.

关键词：动力电池铝合金薄板可调环形光斑高速激光搭接焊工艺调控多目标工艺参数优化

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铝合金激光清洗表面形貌变化的实验研究及工艺参数优化

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中国激光 2021年第22期48卷 155-165页

作者：李宇强郭玲玉蒋平耿韶宁王春明高嵩韩楚华中科技大学机械科学与工程学院湖北武汉430074 华中科技大学材料科学与工程学院湖北武汉430074

铝合金密度低、比强度高,是理想的新能源汽车车身材料,但表面氧化层的存在严重影响焊接质量。激光清洗是一种基于脉冲激光的热烧蚀作用去除表面氧化层的方法,具有非接触、可控性好等优点。激光清洗处理会使铝合金表面形貌发生明显变化,... 详细信息

铝合金密度低、比强度高,是理想的新能源汽车车身材料,但表面氧化层的存在严重影响焊接质量。激光清洗是一种基于脉冲激光的热烧蚀作用去除表面氧化层的方法,具有非接触、可控性好等优点。激光清洗处理会使铝合金表面形貌发生明显变化,对后续加工(如焊接、涂装等)有显著影响。研究了6061铝合金激光清洗表面形貌的变化规律,并建立了表面自然氧化层的激光清洗工艺窗口;基于此窗口,构建了6061铝合金表面粗糙度变化函数模型,对工艺参数进行优化。结果表明:平均功率影响凹坑形貌的变化尺寸,进而改变表面粗糙度,随着功率由15 W升高至75 W,粗糙度逐渐增大;扫描速度和线间距影响相邻凹坑的搭接形貌,进而改变粗糙度,随着扫描速度由2000 mm/s升高至6000 mm/s,线间距由0.02 mm升高至0.06 mm,粗糙度先增大后减小。6061铝合金自然氧化层的激光清洗工艺窗口的参数为:平均功率为30~60 W,扫描速度为3000~5000 mm/s,线间距为0.03~0.05 mm,采用此窗口的工艺参数进行激光清洗后,粗糙度最大为1.584μm。

关键词：激光技术激光制造激光清洗铝合金表面形貌粗糙度工艺参数优化

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