异种金属激光焊接熔池动态特性及其力学行为

本项目主要对异种金属激光焊接热量传递、熔池形态、物质传输及力学特性进行了深入系统的研究。通过考虑异种金属激光焊接过程中的主要物理现象，建立了高密度激光异种金属焊接过程热量传递、物质传输与气液界面演化耦合的数值模型。研究了焊接过程Marangoni效应对流体流动的驱动机制，模拟分析了高密度激光异种金属焊接过程中的瞬态温度场、流场、浓度场、匙孔形态及演化过程，对焊接过程中的蒸发和溅射机制进行了系统的研究，计算分析了由此引起的能量损失及质量损失。在此基础上，针对不同材料体系，对异种金属激光焊接过程的焊接方法、工艺优化、显微组织及力学性能进行了系统深入的研究。建立了输入参数-熔池动态特性-微观组织-力学行为的对应关系。对零部件的异种金属激光焊接在工程上的具体应用进行了探索，包括发动机涡轮增压器涡轮与转轴的激光焊接、陀螺马达主体与马达盖的激光焊接、平衡支架与配重铅块的焊接等。

由于具有高功率密度、高精度、高速度、高效率和低变形等突出优点，激光焊接已经越来越广泛的应用在异种金属的焊接上，在航空航天、汽车、电子等领域中发挥着重要作用。然而，异种金属的激光焊接是一个多场、多尺度、多参数的动态复杂过程，涉及到众多物理现象。金属热物性参数的差异易使接头产生残余应力和变形，以及脆性金属间化合物，影响异种金属的激光焊接的性能和质量。其中，焊接熔池的动态特性是异种金属激光焊接中的核心问题，决定着焊件凝固后最终的力学性能。本课题从制造工艺力学的角度，通过深入研究焊接过程中的传热传质机理, 开展温度场、流体速度场、浓度场以及气-液界面演化等动态过程的耦合模拟分析，探索传热传质和熔池流体流动对力学行为的影响机制，从而进行工艺参数的定量分析与优化，获得所需要的组织和力学性能，提高异种金属激光焊接的效率和质量，满足异种金属激光焊接在不同领域的特定需求，进一步推动其在工业各领域的成功应用。

针对高性能金属材料中厚板重大复杂结构焊接制造面临的效率、质量和成本问题，基于工程热物理与材料焊接加工的学科交叉，研究受控脉冲穿孔等离子弧焊接新工艺所涉及的熔池与小孔动态耦合传热特性。研究受控脉冲穿孔条件下等离子弧热-力特性及其与熔池的相互作用、等离子弧-液-固之间的界面热-力作用机制及其所引起的熔池流体流动与传热过程、小孔形成-长大-缩小-闭合的瞬态演变特性及其描述与追踪方法。定量分析带有快速周期性变化小孔的熔池动态传热特性与热滞后效应，实测不同工艺条件下等离子弧焊接熔池、小孔和焊缝的形状尺寸与温度分布以及熔池的穿孔状态。基于熔池与小孔特殊热物理形态的理论与实验研究结果，建立焊接工艺参数－熔池与小孔动态传热机制－焊缝成形质量之间的定量关系，为优化受控脉冲穿孔等离子弧焊接工艺参数、实现新型高性能金属材料的优质、高效和低成本焊接加工，促进我国重大装备制造技术水平的提升奠定坚实基础。

针对中厚板结构焊接制造面临的效率、质量和成本问题，基于工程热物理与材料焊接加工的学科交叉，研究了受控脉冲穿孔等离子弧焊接新工艺所涉及的熔池与小孔动态耦合传热特性。解决的关键问题和创新性研究成果概述如下： （1）自主研制了“受控脉冲穿孔等离子弧焊接系统”，搭建了穿孔等离子弧焊接熔池与小孔传热特性的实验研究平台。（2）在不同工艺条件下测试了熔池内小孔的形状尺寸与位置信息，揭示了熔池穿孔过程各阶段小孔特征参数的动态演变规律。（3）实现了双视觉传感器的信息融合，同步获取了工件背面的小孔图像及熔池温度场图像。选用合适的采集窗口，利用单一CCD摄像头获得了熔池与小孔的一体化图像。（4）基于熔池表面的受力状态，建立了小孔形状的瞬态模型，定量分析了受控脉冲条件下熔池内小孔在一个脉冲周期内“形成-长大-缩小-闭合”的周期性演变过程。（5）建立了穿孔等离子弧焊接三维瞬态流场与热场的数值分析模型，追踪小孔界面的演变过程，实现了带有瞬态变化小孔的熔池流体流动与传热过程的数值模拟。（6）综合上述的理论与实验研究结果，优化了受控脉冲穿孔等离子弧焊接工艺与系统，实现了中厚度不锈钢板的优质、高效、低成本焊接。 总结研究结果，已经发表论文67篇。其中，国际期刊论文18篇、国内核心期刊论文19篇、国际会议论文19篇、全国性会议论文11篇。在美国出版英文专著1部。申请中国发明专利1项。发表的论文中，被SCI收录22篇、EI收录12篇。在国际会议做大会报告(Keynote) 2次、特邀报告(Invited) 4次。 2100433B

结构动态特性（dynamic properties of structure），是表示结构动态特征的基本物理量。一般指结构的自振周期或自振频率、振型和阻尼。结构动力特性的一种现代方法，模态分析以振动理论作为基础，以模态参数作为目标函数，以辨别系统模态参数为最终目的，为结构的振动分析、设备故障诊断和和结构动力特性的优化提供了理论支持。

结构固有动态分析在数学上称之为特征值和特征向量分析，包含固有频率与固有模态分析，是结构动力学中的主要任务之一。结构固有特性分析是为了研究结构振动的固有规律和内在本质，为结构动力学的进一步分析打下基础，在工程的实际应用以及在求解结构动力响应方面具有重要的意义。已经发展了许多求解动态特性问题的数值方法。2100433B