水下湿法激光增材再制造技术

前言

水下湿法激光增材维修技术是一种新型水下在线再制造技术, 能够直接在水下特殊环境中通过激光增材的方式将材料逐层累加, 以修复船体缺陷或形状复杂的关键零部件, 未来可满足远洋舰船及深海空间站等深远海大型平台对快速维修及应急保障的需求。与其他水下维修技术相比, 水下激光增材再制造技术拥有系统易于集成、控制精度高、热输入较低、残余应力水平低等优点, 使激光焊接技术成为水下应急抢修有发展前景的方法。特别是水下湿法激光焊接, 由于其工艺简单、适应能力强而备受瞩目。然而, 目前水下湿法激光焊接技术尚处于研究探索阶段, 水下湿法焊接过程中的工艺及材料设计缺乏理论指导, 在水下湿法焊接中, 激光与水、激光与金属、水与金属之间的相互作用机制研究少之又少; 本书采用模拟仿真与试验研究相结合的方式, 针对水下环境中存在散热快、模拟仿真难度大等问题, 探索水下激光焊接修复过程中的冶金作用机理, 分析激光-熔池-热影响区-母材的热场、流场、力场交互作用机制, 开展水下湿法激光增材再制造可行性探索, 为装备水下关键零部件高性能应急抢修提供理论指导与技术支撑。
全书以45 钢、TC4 钛合金及QAl9-4 铝青铜等不同材料水下激光焊接的工艺、性能和激光-水-金属之间的相互作用机制等问题为主线, 并模拟海水环境探索了在高压、高盐环境下921A 钢水下湿法激光填丝焊接成形工艺, 对水下湿法激光增材再制造技术进行了探索, 全书分为8章。第1 章主要叙述了水下湿法焊接技术的特点、应用和研究进展及激光辅助焊接技术; 第2 章研究了45 钢水下湿法焊接焊缝的成形行为和组织性能, 探索了水下湿法激光增材再制造的可行性; 第3 章研究了TC4钛合金的水下湿法激光自熔焊接、送丝焊接工艺与成形行为, 比较了在常压与高压不同环境下水下湿法激光焊缝成形和组织性能; 第4 章开展了铝青铜水下湿法激光焊接工艺研究, 揭示焊缝气孔缺陷的形成原因;第5 章研究了在高压、高盐环境下921A 钢水下湿法激光填丝焊接成形工艺, 探索921A 钢水下湿法激光填丝焊接成形规律。第6 章模拟了水下湿法激光焊接过程的温度场分布和残余应力场的分布情况, 探究了激光功率对熔池中流体流动、气泡逸出行为的影响; 第7 章、第8 章开发了适用于TC4 钛合金、QAl9-4 铝青铜水下湿法激光焊接的焊接辅助剂,对辅助剂配方成分、涂覆厚度等进行优化, 探讨了辅助剂对水下湿法焊接过程的影响规律。

本书从探索水下湿法激光焊接的可行性入手, 研究水下激光焊接修复过程中的工艺与冶金作用机理, 明确了激光-水-金属之间的相互作用机制, 分析了水下湿法焊接焊缝的成形行为和组织性能, 揭示了水下湿法激光焊接机理。全书共8 章, 主要包括: 45 钢、TC4 钛合金、铝青铜、921A 钢等不同材料的水下湿法激光焊接工艺与性能、水下湿法激光焊接辅助剂设计及机理研究、水下湿法激光焊接模拟仿真等。本书可供与水下工程有关的海洋、核电、船舶、桥梁、港口等专业的学生、工程技术人员、研究人员参考。

本书从探索水下湿法激光焊接的可行性入手, 研究水下激光焊接修复过程中的工艺与冶金作用机理, 明确了激光-水-金属之间的相互作用机制, 分析了水下湿法焊接焊缝的成形行为和组织性能, 揭示了水下湿法激光焊接机理。全书共8 章, 主要包括: 45 钢、TC4 钛合金、铝青铜、921A 钢等不同材料的水下湿法激光焊接工艺与性能、水下湿法激光焊接辅助剂设计及机理研究、水下湿法激光焊接模拟仿真等。本书可供与水下工程有关的海洋、核电、船舶、桥梁、港口等专业的学生、工程技术人员、研究人员参考。

蔡志海，男，博士，副研究员，博士生导师，中国人民解放军陆军装甲兵学院机械产品再制造国家工程研究中心主任，长期从事装备维修、表面工程与再制造工程领域研究工作，主持和参与国家自然科学基金、国家重点研发计划项目等课题10余项，发表科研论文120余篇，主编和参编专著8部，获国家发明专利20余项，曾获全军优秀博士论文和全国优秀博士论文提名奖，获省部级科技进步一等奖3项，省部级科技进步二等奖1项、三等奖1项。参编国家标准4项，团体标准2项。

录
第1 章 绪论……………………………………………………………… 1
1. 1 研究背景……………………………………………………… 1
1. 2 水下焊接方法研究现状……………………………………… 2
1. 3 激光在水下焊接中的应用…………………………………… 13
1. 4 激光辅助焊接研究进展……………………………………… 14
1. 5 水下湿法激光焊接存在的挑战和问题……………………… 17
1. 6 研究内容……………………………………………………… 18
第2 章 45 钢水下湿法激光焊接工艺研究…………………………… 21
2. 1 引言…………………………………………………………… 21
2. 2 水下湿法激光焊接试验系统………………………………… 22
2. 3 试验材料与方法……………………………………………… 24
2. 4 水下湿法激光焊接可行性…………………………………… 25
2. 5 水下湿法激光焊接机理分析………………………………… 29
2. 6 水下湿法激光焊接焊缝成形行为…………………………… 34
2. 7 水下湿法激光焊接焊缝组织性能…………………………… 40
2. 8 水下湿法激光焊接焊缝缺陷………………………………… 44
2. 9 小结…………………………………………………………… 46
第3 章 TC4 钛合金水下湿法激光焊接工艺研究…………………… 48
3. 1 引言…………………………………………………………… 48
3. 2 试验材料与方法……………………………………………… 49
3. 3 TC4 钛合金水下湿法激光自熔焊接………………………… 50
3. 4 TC4 钛合金水下湿法激光送丝焊接………………………… 62
3. 5 压力环境下TC4 钛合金水下湿法激光焊接………………… 69
3. 6 小结…………………………………………………………… 73
第4 章 铝青铜水下湿法激光焊接工艺研究………………………… 74
4. 1 引言…………………………………………………………… 74
4. 2 试验材料与方法……………………………………………… 75
4. 3 基板表面水深对焊接的影响………………………………… 75
4. 4 激光功率对焊接的影响……………………………………… 78
4. 5 焊接速度对焊接的影响……………………………………… 82
4. 6 离焦量对焊接的影响………………………………………… 87
4. 7 讨论…………………………………………………………… 92
4. 8 小结…………………………………………………………… 94
第5 章 921A 钢水下湿法激光填丝焊接工艺研究…………………… 95
5. 1 引言…………………………………………………………… 95
5. 2 水下激光填丝焊接试验系统………………………………… 95
5. 3 试验材料与方法……………………………………………… 98
5. 4 水下湿法成形工艺研究……………………………………… 99
5. 5 小结………………………………………………………… 105
第6 章 TC4 钛合金水下湿法激光焊接模拟仿真…………………… 106
6. 1 引言………………………………………………………… 106
6. 2 水下湿法激光焊接模拟仿真……………………………… 107
6. 3 温度场、残余应力场有限元分析………………………… 110
6. 4 熔池流场模拟仿真………………………………………… 118
6. 5 小结………………………………………………………… 135
第7 章 TC4 钛合金水下湿法激光焊接辅助剂设计及机理研究…… 136
7. 1 引言………………………………………………………… 136
7. 2 焊接辅助剂设计…………………………………………… 137
7. 3 水下湿法激光焊接辅助剂工艺研究……………………… 143
7. 4 水下湿法激光焊接辅助剂焊接焊缝性能………………… 149
7. 5 小结………………………………………………………… 162
第8 章 QA19-4 铝青铜水下湿法激光焊接辅助剂设计及机理研究…… 163
8. 1 辅助剂的设计与制备……………………………………… 164
8. 2 辅助剂成分对焊接的影响………………………………… 166
8. 3 辅助剂湿法焊接工艺探索………………………………… 168
8. 4 辅助剂厚度对焊接的影响………………………………… 172