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等离子弧增材交织结构的组织与力学性能

焊接 2023年第1期 16-21页

作者：周凡顾介仁王克鸿南京理工大学受控电弧智能增材技术工信部重点实验室南京210094 北京北方车辆集团有限公司北京100072

采用等离子弧增材贝氏体钢−316L不锈钢异种金属交织构件,该结构件整体无缺陷,成形良好,有良好的综合力学性能,突破了传统材料的“强−韧”性矛盾。通过显微组织观察和力学性能测试,研究了交织金属不同成分比例对交织结构力学性能的影响... 详细信息

采用等离子弧增材贝氏体钢−316L不锈钢异种金属交织构件,该结构件整体无缺陷,成形良好,有良好的综合力学性能,突破了传统材料的“强−韧”性矛盾。通过显微组织观察和力学性能测试,研究了交织金属不同成分比例对交织结构力学性能的影响。结果表明,结构件在贝氏体钢区域的组织为板条状贝氏体和残余奥氏体,不锈钢区域主要为奥氏体和铁素体,交织部分存在重熔区,重熔区晶粒细小,其中贝氏体钢部分组织为粒状贝氏体和薄膜状的残余奥氏体,不锈钢部分组织主要为等轴晶。拉伸和冲击试验表明,随着不锈钢含量的增加,结构件的抗拉强度下降,其冲击性能上升,当不锈钢含量比较低时,其抗拉强度达到1200 MPa以上,断后伸长率为9.5%,平均冲击吸收能量为159.25 J/cm^(2),具有良好的强韧性,冲击断口为韧性断裂。

关键词：等离子弧异质异构贝氏体钢-不锈钢微观组织力学性能

等离子弧增材制造过程原位监测与实时特征提取

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等离子弧增材制造过程原位监测与实时特征提取

作者：张亿凯武汉大学

学位级别：硕士

等离子弧增材制造(Plasma Arc Additive Manufacturing,PAM)是一种先进的金属增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术,可以大幅度降低生产周期和成本,适用于制造许多领域各种复杂的金属零件。PAM加工过程监测的无损检测方法要求较高... 详细信息

等离子弧增材制造(Plasma Arc Additive Manufacturing,PAM)是一种先进的金属增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术,可以大幅度降低生产周期和成本,适用于制造许多领域各种复杂的金属零件。PAM加工过程监测的无损检测方法要求较高的精度和实时性。在PAM工艺中,熔池和等离子弧是表征动态制造过程的关键对象,可以用于加工过程预测和实时反馈控制。因此,实现PAM过程的原位实时监测极为重要。本文从基于图像处理的原位监测角度出发,对熔池与等离子弧进行特征提取与数据分析研究与初步的工件质量分析。首先详细分析了基于图像处理的金属AM过程原位实时监测现状,为实现PAM过程的原位实时监测提供了极佳的理论基础与国际视野。接着设计了PAM过程原位监测系统的软硬件部分并搭建了实验平台,该实验平台使用了30000帧每秒的超高速相机实现了对加工过程图片的实时拍摄。基于该平台进行了大量工件加工实验,采集不同电流强度和等离子加工头扫描速度下的熔池与等离子弧加工图像,形成人工智能(Artificial Intelligence,AI)算法的原始数据集,为后续训练AI算法奠定基础。然后提出了一种全卷积网络(Full Convolutional Network,FCN)对于熔池与等离子弧进行实时特征提取,其中,采用可分离卷积技术降低网络参数,膨胀空间金字塔结构提取多尺度特征。在平均处理时间仅为84ms的情况下,准确率可达95.1%,有效实现了既保证图像处理的精确度又保证数据特征的高速处理。本文还将该AI算法与四种传统图像处理算法和三种AI方法的图像分割性能进行了比较。实验结果表明,本文提出的FCN方法图像处理效果优于上述七种算法,能够同时快速、准确地同时提取熔池和等离子弧形貌特征。最后本文对所获得的数据进行了详细的定量定性分析比较,得到平均捕获面积(熔池和等离子弧)与PAM工艺加工参数(电流强度和扫描速度)之间的关系,基于测量的样品表面粗糙度初步分析了样品质量,明确了其与熔池平均捕获面积的关系。本研究提供了一种PAM过程原位监测的有效新思路,这将有助于提高PAM工艺的可重复性和稳定性,提升金属零件的质量,并为航空、汽车、船舶等领域的应用提供更好的解决方案。

关键词：等离子弧熔池人工智能图像处理

等离子弧粉末堆焊条件下粉末颗粒的热行为 Ⅰ 粉末颗粒与等离子弧之间的传热过程研究

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焊接学报 2002年第4期23卷 13-16页

作者：王惜宝王晓峰贾凤锁天津大学材料学院表面工程中心天津300072 河北省安装公司石家庄050031

运用传热学理论对等离子弧粉末堆焊过程中粉末颗粒与转移型等离子弧之间的传热过程进行了分析计算 ,发现等离子弧粉末堆焊时 ,当堆焊粉末颗粒被送入等离子弧后粉末颗粒受等离子弧加热的速度主要取决于等离子弧的温度、热传导势及粉末颗... 详细信息

运用传热学理论对等离子弧粉末堆焊过程中粉末颗粒与转移型等离子弧之间的传热过程进行了分析计算 ,发现等离子弧粉末堆焊时 ,当堆焊粉末颗粒被送入等离子弧后粉末颗粒受等离子弧加热的速度主要取决于等离子弧的温度、热传导势及粉末颗粒的密度、尺寸和热物理性能等。对于 10 0～ 2 0 0A的氩等离子弧 ,无论是熔点较低的铁基粉末颗粒还是熔点较高的碳化硼颗粒 ,被加热到熔化温度所需要的时间都在毫秒级水平 (几毫秒至几十毫秒 )。只是铁基粉末颗粒在等离子弧中的升温速度要比碳化硼颗粒快约

关键词：等离子弧粉末堆焊粉末颗粒传热

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送粉式等离子弧增材制造系统设计及工艺试验

河南科技大学学报（自然科学版） 2023年第6期44卷 1-8,M0002页

作者：朱锦洪王斌尹丹青李茂昌张凯歌陈云峰河南科技大学材料科学与工程学院河南洛阳471023 龙门实验室河南洛阳471023

针对激光、电子束为热源的增材制造设备存在成本高、需要真空环境等问题,本文利用可编程逻辑控制器(PLC)设计并自主搭建了一套送粉式等离子弧增材制造设备,并通过单一变量法研究了不同工艺参数对单层单道熔覆层宏观形貌尺寸、显微组织... 详细信息

针对激光、电子束为热源的增材制造设备存在成本高、需要真空环境等问题,本文利用可编程逻辑控制器(PLC)设计并自主搭建了一套送粉式等离子弧增材制造设备,并通过单一变量法研究了不同工艺参数对单层单道熔覆层宏观形貌尺寸、显微组织以及力学性能的影响。结果表明:当焊机焊接电流为190 A、焊枪移动速度为180 mm/min、送粉速度为21 g/min时,能够得到表面光滑的熔覆层,此时熔覆层平均硬度为864HV。随着焊接电流的增大,熔覆层的宽度由7.0 mm增大到8.6 mm,高度从1.9 mm降低到1.7 mm,组织和硬度都逐渐增大。随着焊枪移动速度的增大,熔覆层宽度由10.0 mm降低到7.4 mm,高度由2.3 mm降低到1.5 mm,组织逐渐细化,硬度先升高后降低。随着送粉速度的增大,熔覆层宽度先增大到最大值11.2 mm,然后开始减小,高度逐渐增高,组织逐渐细小,硬度变化规律与焊枪移动速度导致的结果变化一致。

关键词：等离子弧增材制造工艺参数显微组织

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等离子弧淬火条纹对表面摩擦磨损的影响

东北大学学报（自然科学版） 2004年第5期25卷 486-488页

作者：张剑赵文珍丁津原马先贵东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110004 沈阳工业大学辽宁沈阳110004

通过改变等离子弧淬火条纹与运动方向的夹角,在不同载荷、不同速度条件下测试其在往复运动条件下的摩擦因数·研究表明,等离子弧淬火可以改变局部金相结构,提高硬度,大幅度改善其摩擦学性能;改变等离子弧淬火条纹与运动方向的夹角,可以... 详细信息

通过改变等离子弧淬火条纹与运动方向的夹角,在不同载荷、不同速度条件下测试其在往复运动条件下的摩擦因数·研究表明,等离子弧淬火可以改变局部金相结构,提高硬度,大幅度改善其摩擦学性能;改变等离子弧淬火条纹与运动方向的夹角,可以改变摩擦副的摩擦因数,并且当等离子弧淬火条纹与运动方向夹角成90°～78°时,润滑条件最好,因此摩擦因数最小,减摩性能最好;在相同速度下,随着载荷的增加等离子弧淬火条纹摩擦因数减小;摩擦表面的等离子弧淬火条纹的方向设计将成为提高材料寿命、减少能源消耗的一种简单可行的方法·

关键词：等离子弧淬火条纹摩擦因数减摩性耐磨性摩擦磨损

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等离子弧淬火硬度对表面摩擦磨损的影响

润滑与密封 2006年第12期31卷 113-115页

作者：张剑周强赵文珍沈阳工业大学机械工程学院辽宁沈阳110023

通过研究等离子弧淬火硬度对表面摩擦磨损的影响,从摩擦学角度寻求等离子弧淬火的最佳范围,为今后淬火参数控制提供理论依据。研究表明:等离子弧淬火使被扫描表面产生了5μm左右的波度,促使相互运动表面产生油楔作用,使边界润滑向混合... 详细信息

通过研究等离子弧淬火硬度对表面摩擦磨损的影响,从摩擦学角度寻求等离子弧淬火的最佳范围,为今后淬火参数控制提供理论依据。研究表明:等离子弧淬火使被扫描表面产生了5μm左右的波度,促使相互运动表面产生油楔作用,使边界润滑向混合润滑状态转变,使摩擦因数降低,耐磨性提高;等离子弧可以控制表面的硬度,使之满足不同的使用需求;由于表面波度的作用,在低速低载情况下,硬度在HRC 60左右,其减摩性与耐磨性最佳;在较高速度与载荷下,硬度在HRC 63左右,其减摩性与耐磨性最佳。

关键词：等离子弧硬度摩擦因数减摩性耐磨性

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等离子弧金属表面熔覆处理的研究

金属热处理 2002年第2期27卷 3-5页

作者：赵程田丰侯俊英青岛化工学院等离子体表面技术研究所青岛266042

在钢的表面上用Ni基合金粉末进行等离子弧熔覆处理。试验结果表明 ,用优化后的等离子弧熔覆工艺可以在钢的表面获得致密、结合牢固和零稀释率的熔覆层。因此等离子弧熔覆处理是一种有发展前途。

关键词：等离子弧熔覆表面活性表面处理

基于光束扫描的激光-等离子弧复合热源增材制造工艺研究

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基于光束扫描的激光-等离子弧复合热源增材制造工艺研究

作者：刘娟重庆理工大学

学位级别：硕士

随着计算机技术的快速发展,计算机辅助的净成型技术在制造行业中崭露头角,增材制造技术成为制造行业备受瞩目的新星。本研究提出基于光束扫描的激光-等离子弧复合热源增材制造工艺,分析了不同工艺参数下增材制造试样微观组织结构演变和... 详细信息

随着计算机技术的快速发展,计算机辅助的净成型技术在制造行业中崭露头角,增材制造技术成为制造行业备受瞩目的新星。本研究提出基于光束扫描的激光-等离子弧复合热源增材制造工艺,分析了不同工艺参数下增材制造试样微观组织结构演变和力学性能变化,结合高速摄像技术、结构负载声发射检测技术以及数值模拟技术研究振镜激光作用机制。以316L不锈钢板作为基板,采用同轴送粉的方式进行15-5PH不锈钢粉末振镜激光-等离子弧复合热源增材制造实验,探索激光功率、激光扫描振幅、激光扫描速度等工艺参数对单道多层沉积层微观组织结构的影响。结果表明:激光功率为1000W时,大角度晶界取向差角占比较多,有利于阻碍晶粒间的相对滑移。振镜激光扫描振幅为0.5mm时,促进熔池液态金属对流,有效减小晶粒尺寸。振镜激光扫描速度为2000mm/s时,增强熔池对流效应,进一步细化晶粒,改善晶粒择优生长趋势。热处理之后,达到最小晶粒尺寸,晶粒择优取向最弱。力学性能试验表明:扫描速度为2000mm/s的试样横向和纵向平均抗拉强度分别达到了925.2MPa和1079.8MPa,与静止激光试样相比,扫描速度为2000mm/s的试样横向和纵向平均抗拉强度分别提升了18.00%和13.31%,同时提高了增材试样的延伸率;热处理后的试样平均抗拉强度进一步提升,扫描速度为2000mm/s的热处理试样纵向平均抗拉强度达到1519.6MPa,横向平均抗拉强度达到1501.3MPa,与热处理前的试样相比,纵向平均抗拉强度提高了40.73%,横向平均抗拉强度提高了62.27%,同时延伸率也得到提升,塑韧性和强度均显著增加,纵向平均抗拉强度和横向平均抗拉强度基本一致,各向异性得到改善。振镜激光作用机制研究表明:激光的加入促进了等离子弧熔池的对流效应,其中振镜激光拓宽了液态金属对流范围;同时激光能量特别是扫描激光束能量能够产生具有一定强度的高频超声能量场分布,可能以密集超声脉动冲击的形式改变熔池固液界面液相对流和温度分布,从而影响晶粒生长;数值模拟计算时加载超声驱动力源项降低了熔池整体温度,并减小熔池温度梯度,增强熔池液态金属在固液相区的流动速度,加强熔池对流效应。正是因为振镜激光加强了等离子弧熔池的对流效应,以及激光可能激励熔池超声效应,优化了增材试样的微观组织结构。

关键词：振镜激光增材制造等离子弧 15-5PH不锈钢数值模拟

穿孔等离子弧焊接弧与熔池的耦合模拟及正交分析

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金属学报 2015年第11期51卷 1365-1376页

作者：吴宣楠冯妍卉李岩李亚飞张欣欣武传松北京科技大学机械工程学院北京100083 北京科技大学冶金工业节能减排北京市重点实验室北京100083 山东大学材料科学与工程学院济南250061

针对穿孔等离子弧焊接工艺,建立了定点焊的二维轴对称非稳态数理模型,描述高温流动的电弧与工件熔池的耦合输运过程,通过数值模拟获得了电场、磁场、流场与温度场的演变规律.模拟焊缝熔合线与实验结果吻合较好,验证了数学模型的合理性.... 详细信息

针对穿孔等离子弧焊接工艺,建立了定点焊的二维轴对称非稳态数理模型,描述高温流动的电弧与工件熔池的耦合输运过程,通过数值模拟获得了电场、磁场、流场与温度场的演变规律.模拟焊缝熔合线与实验结果吻合较好,验证了数学模型的合理性.研究结果表明:W阴极尖端附近的电流密度与温度是最高的;等离子弧在工件上部呈现出"钟形",而在中心轴线处因进入小孔呈细长的"锥形";高速Ar气等离子体冲击到小孔壁面时速度急剧降低,小孔内出现高压区和Ar气等离子体的返流现象;熔池内流动与传热的综合作用使焊缝熔合线呈倒"喇叭形".进一步对焊接的操作参数及焊枪结构参数进行了影响因素的正交试验模拟.极差分析表明,焊枪的结构因素比焊接操作参数更重要,即对电极间距、电极内缩量、喷嘴孔径需予以重点考虑,以获得良好的焊缝形状.

关键词：等离子弧焊接熔池耦合正交试验