水下湿法激光增材再制造技术

1. 6 研究内容

激光焊接是一种重要的激光加工技术。在20 世纪70 年代, 主要用于薄壁材料焊接和低速焊接, 其焊接过程属于热传导型。由于其独特的优点, 在微小型零件的精密焊接中得到了广泛应用。高功率激光器的出现开辟了以匙孔效应为基础的深熔焊接。激光焊接技术在机械加工、汽车制造等领域获得了日益广泛的应用。时至今日, 人们对空气中的激光焊接已经有了深刻的认识, 然而, 在水下直接进行激光焊接的研究却很少。由于水环境的存在, 水下激光焊接过程将比在空气中进行的焊接更加复杂, 涉及激光-水-金属之间复杂的物理、化学过程。水下激光焊接具有能量密度大、远距离传输损失小、便于实现自动化等优点, 为水下实时在线维修提供了很好的技术手段。本研究以TC4 钛合金、铝青铜、921A 钢等金属材料为研究对象, 针对水下湿法激光焊接的等离子体与熔池特性进行研究, 探索水下湿法激光焊接金属的工艺, 重点分析焊接辅助剂对湿法焊接过程的影响。

具体研究内容如下:

(1) 45 钢水下湿法激光焊接工艺研究。以45 钢为基体, 在水下进行湿法激光自熔焊接试验, 探索水下湿法焊接的可行性, 在工艺优化的基础上, 得到水下湿法焊接工艺参数对焊接成形性能的影响规律, 并对水下湿法激光焊接的可行性进行初步探讨, 探索激光-水-金属之间的互相作用机制。

(2) TC4 钛合金水下湿法激光焊接工艺研究。对TC4 钛合金进行水下湿法焊接, 在探索自熔焊接工艺参数对成形性能的影响基础上, 进行湿法送丝焊接和压力环境下焊接的研究, 并对TC4 钛合金水下湿法焊接焊缝的组织性能进行表征。

(3) 铝青铜水下湿法激光焊接工艺研究。分别在空气环境中和水下湿法环境中对铝青铜焊接进行工艺探索试验, 对比分析水环境对焊接的影响。通过对焊缝截面气孔分布情况和几种可能导致气孔的气体进行分析, 判断气孔的类型和大致形成过程。

(4) 921A 钢水下湿法激光填丝焊接工艺研究。选用921A 钢为母材, 采用前送丝方式, 送丝角度为45°, 光丝间距为1mm, 保护气流量为50L/ min, 在不同的焊接参数及焊接环境条件下进行湿法试验, 并对焊缝表面成形和横截面的宏观形貌进行初步分析, 研究焊接参数对水下激光焊接质量的影响规律。

(5) TC4 钛合金水下湿法激光焊接模拟仿真。使用SYSWELD 和FLUENT 软件分别对熔池的温度场、残余应力场和熔池流场进行模拟仿真。通过仿真计算结果, 研究熔池温度场分布和残余应力场的分布情况, 研究激光功率对熔池中流体流动、气泡逸出行为的影响, 为水下湿法激光焊接TC4 钛合金提供理论支撑。

(6) TC4 钛合金水下湿法激光焊接辅助剂设计及机理研究。针对水下湿法激光焊接焊缝及热影响区出现的裂纹、气孔等焊接缺陷, 开发适用于TC4 钛合金水下湿法焊接的焊接辅助剂, 并对辅助剂成分、涂覆厚度等进行优化, 探讨辅助剂对水下湿法激光焊接过程的影响规律, 并对辅助剂保护下湿法焊接的焊缝进行表征分析。

(7) 铝青铜水下湿法激光焊接辅助剂设计及机理研究。使用焊接辅助剂对铝青铜进行湿法焊接, 比较焊缝成型质量, 优选辅助剂成分, 优化湿法焊接工艺, 分析和讨论辅助剂对焊缝成型和气孔缺陷的影响, 以及辅助剂对激光传输和熔池的作用。