變厚截面材料填粉激光焊接的自適應(yīng)監(jiān)控機理研究

汽車車身輕量化已經(jīng)成為世界汽車技術(shù)發(fā)展的趨勢，采用變厚截面優(yōu)化設(shè)計與制造則是實現(xiàn)汽車輕量化新途徑。針對車用變截面材料高效、優(yōu)質(zhì)焊接的迫切需求以及焊接熔透性和焊縫位置難以實現(xiàn)原位同步監(jiān)測的技術(shù)難題，本項目搭建了強光干擾下熔透與焊縫同步監(jiān)測系統(tǒng)，提出強激光輻照干擾條件下焊縫、小孔、熔池等圖像輪廓提取算法和成形面積、對接間隙的同步測量方法。開展了光致等離子體與氣孔等缺陷的相關(guān)性分析。建立了激光能量衰減模型，粉末熱輸運模型，探明不同光束形態(tài)作用下的光-粉耦合能量輸運機制。基于level-set方法的填粉激光焊接數(shù)值模擬和小孔、熔池特征分析，提出了激光焊接熔透狀態(tài)的判定算法。搭建了連續(xù)變厚截面材料自適應(yīng)激光焊接平臺系統(tǒng)并開發(fā)相應(yīng)監(jiān)控軟件。項目組成員在國內(nèi)外知名期刊發(fā)表高質(zhì)量論文12篇，其中SCI收錄11篇，SCI他引61次。授權(quán)發(fā)明專利1項，實用新型專利2項，申請發(fā)明專利3項。應(yīng)邀作國際會議特邀報告或分組報告共12人次，國內(nèi)會議分組報告13人次。培養(yǎng)畢業(yè)碩士研究生7人，在讀博士生3人，在讀碩士研究生3人，其中獲湖南省優(yōu)秀碩士學(xué)位論文2人，湖南大學(xué)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文2人。獲2019年國家科技進步二等獎1項。譚建榮院士評價項目成果創(chuàng)新性強，總體技術(shù)達到國際先進水平。 2100433B

采用變厚截面優(yōu)化設(shè)計與制造則是實現(xiàn)輕量化的新途徑，解決變厚截面材料的連接問題是實現(xiàn)該技術(shù)的制造基礎(chǔ)。變截面材料焊接要求熔深隨厚度變化而適應(yīng)性變化，填粉激光自適應(yīng)焊接則為滿足該類材料焊接質(zhì)量要求提供了保障。針對變厚截面材料填粉激光焊接的熱輸入流量與質(zhì)量流量的適應(yīng)性匹配監(jiān)控問題，本項目提出，為保證測量位置與焊接位置的一致性，通過特定輔助光源照射以避免激光干擾，主動視覺同步監(jiān)測焊縫位置、對接間隙、熔寬、熔深、熔透等焊縫狀態(tài)參量，利用激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的光致等離子體監(jiān)測焊縫組織粗大、氣孔等缺陷，基于自適應(yīng)控制熱輸入流量與質(zhì)量流量實現(xiàn)熔透、焊縫組織、氣孔缺陷等質(zhì)量控制，并通過level-set方法追蹤氣-液界面、固-液混合模型追蹤固-液界面及光-粉-熔池耦合模型模擬填粉激光焊接變厚截面材料物理過程。本研究將有利于占領(lǐng)汽車輕量化設(shè)計及制造領(lǐng)域的學(xué)術(shù)高點，提升我國自主研發(fā)和制造的能力。

篩分廣泛應(yīng)用于冶金、礦業(yè)、化工、醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域，是物料顆粒分離的主要技術(shù)之一。細粉物料顆粒篩分是一個比較復(fù)雜的過程，由于顆粒間存在強烈的范德華作用力，具有強吸附性，易于粘結(jié)成團聚體，從而堵塞篩孔，使篩分效率低下。針對目前國內(nèi)超聲輔助篩分的機理缺乏而導(dǎo)致超聲輔助篩分設(shè)備盲目設(shè)計的現(xiàn)狀，因此，本文提出了超聲波輔助細粉物料篩分的機理研究。本文主要的研究內(nèi)容如下三個方面： 首先，對超聲波作用下細粉顆粒團聚體分散的機理進行了理論分析，結(jié)合DLVO理論,并根據(jù)顆粒在篩分中由范德華力和超聲波振動產(chǎn)生的能量和作用力，建立了顆粒的能量模型和受力模型。其次，對超聲波振動篩進行了動力學(xué)及運動學(xué)分析，并對篩面物料在振動篩振動與超聲振動綜合作用下進行了運動分析； 其次，利用離散元法，在EDEM中對細粉物料顆粒團聚體凝聚和超聲波作用下的分散過程進行了模擬。同時，對顆粒的分層與透篩過程進行了模擬研究，比較了不同形狀顆粒對分層過程的影響和有無超聲波振動的分層效果，模擬分析了不同的振動參數(shù)對物料顆粒透篩的影響。探索了物料顆粒的分層透篩機理，獲得了物料顆粒透篩時的最佳振動參數(shù)； 最后，以硅粉為研究對象,通過實驗對超聲波輔助破壞物料團聚性、吸附性的機理進行了實驗驗證。研究結(jié)果表明，超聲波振動能夠有效地打散顆粒團聚體，解決篩孔堵塞的問題，從而顯著地提高篩分效率。同時,對影響篩分效率的各種振動參數(shù)進行了實驗驗證研究，獲得了硅粉物料在振動篩振動與超聲波振動共同作用下篩分時的最佳組合參數(shù)。

針對目前國內(nèi)因超聲輔助篩分的機理缺乏而導(dǎo)致超聲輔助篩分設(shè)備盲目設(shè)計的現(xiàn)狀，提出進行超聲輔助細粉物料篩分的機理研究。. 本項目以揭示超聲輔助細粉難篩物料篩分的機理為目標，以粉體顆粒技術(shù)、超聲波技術(shù)、散體動力學(xué)和機械振動學(xué)為基礎(chǔ)，綜合考慮范德華力、靜電力等因素，結(jié)合DLVO理論建立細粒物料的團聚模型；采用離散元理論和統(tǒng)計能量方法研究團聚物料在超聲激勵下運動行為；采用正交試驗和優(yōu)化方法選擇典型物料振動與超聲篩分時最佳組合參數(shù)。. 項目預(yù)期將建立振動與超聲混合篩分過程的數(shù)學(xué)模型，獲得物料特性與超聲頻率和振幅的關(guān)系，實現(xiàn)典型物料振動與超聲篩分時最佳組合參數(shù)選擇，從而提高細粉物料的篩分效率，徹底掌握超聲輔助細粉難篩物料篩分的機理。