變厚截面材料填粉激光焊接的自適應(yīng)監(jiān)控機(jī)理研究中文摘要

采用變厚截面優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造則是實(shí)現(xiàn)輕量化的新途徑，解決變厚截面材料的連接問(wèn)題是實(shí)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(duì)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(wèn)題，本項(xiàng)目提出，為保證測(cè)量位置與焊接位置的一致性，通過(guò)特定輔助光源照射以避免激光干擾，主動(dòng)視覺(jué)同步監(jiān)測(cè)焊縫位置、對(duì)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(cè)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(shí)現(xiàn)熔透、焊縫組織、氣孔缺陷等質(zhì)量控制，并通過(guò)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(guò)程。本研究將有利于占領(lǐng)汽車輕量化設(shè)計(jì)及制造領(lǐng)域的學(xué)術(shù)高點(diǎn)，提升我國(guó)自主研發(fā)和制造的能力。

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(shì)，采用變厚截面優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造則是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化新途徑。針對(duì)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(shí)現(xiàn)原位同步監(jiān)測(cè)的技術(shù)難題，本項(xiàng)目搭建了強(qiáng)光干擾下熔透與焊縫同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出強(qiáng)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(duì)接間隙的同步測(cè)量方法。開(kāi)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(yùn)模型，探明不同光束形態(tài)作用下的光-粉耦合能量輸運(yùn)機(jī)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(tái)系統(tǒng)并開(kāi)發(fā)相應(yīng)監(jiān)控軟件。項(xiàng)目組成員在國(guó)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(xiàng)，實(shí)用新型專利2項(xiàng)，申請(qǐng)發(fā)明專利3項(xiàng)。應(yīng)邀作國(guó)際會(huì)議特邀報(bào)告或分組報(bào)告共12人次，國(guó)內(nèi)會(huì)議分組報(bào)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(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。譚建榮院士評(píng)價(jià)項(xiàng)目成果創(chuàng)新性強(qiáng)，總體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。 2100433B

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(xì)粉物料顆粒篩分是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，由于顆粒間存在強(qiáng)烈的范德華作用力，具有強(qiáng)吸附性，易于粘結(jié)成團(tuán)聚體，從而堵塞篩孔，使篩分效率低下。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)超聲輔助篩分的機(jī)理缺乏而導(dǎo)致超聲輔助篩分設(shè)備盲目設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，因此，本文提出了超聲波輔助細(xì)粉物料篩分的機(jī)理研究。本文主要的研究?jī)?nèi)容如下三個(gè)方面： 首先，對(duì)超聲波作用下細(xì)粉顆粒團(tuán)聚體分散的機(jī)理進(jìn)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(dòng)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(duì)超聲波振動(dòng)篩進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并對(duì)篩面物料在振動(dòng)篩振動(dòng)與超聲振動(dòng)綜合作用下進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析； 其次，利用離散元法，在EDEM中對(duì)細(xì)粉物料顆粒團(tuán)聚體凝聚和超聲波作用下的分散過(guò)程進(jìn)行了模擬。同時(shí)，對(duì)顆粒的分層與透篩過(guò)程進(jìn)行了模擬研究，比較了不同形狀顆粒對(duì)分層過(guò)程的影響和有無(wú)超聲波振動(dòng)的分層效果，模擬分析了不同的振動(dòng)參數(shù)對(duì)物料顆粒透篩的影響。探索了物料顆粒的分層透篩機(jī)理，獲得了物料顆粒透篩時(shí)的最佳振動(dòng)參數(shù)； 最后，以硅粉為研究對(duì)象,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)超聲波輔助破壞物料團(tuán)聚性、吸附性的機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，超聲波振動(dòng)能夠有效地打散顆粒團(tuán)聚體，解決篩孔堵塞的問(wèn)題，從而顯著地提高篩分效率。同時(shí),對(duì)影響篩分效率的各種振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究，獲得了硅粉物料在振動(dòng)篩振動(dòng)與超聲波振動(dòng)共同作用下篩分時(shí)的最佳組合參數(shù)。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)因超聲輔助篩分的機(jī)理缺乏而導(dǎo)致超聲輔助篩分設(shè)備盲目設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，提出進(jìn)行超聲輔助細(xì)粉物料篩分的機(jī)理研究。. 本項(xiàng)目以揭示超聲輔助細(xì)粉難篩物料篩分的機(jī)理為目標(biāo)，以粉體顆粒技術(shù)、超聲波技術(shù)、散體動(dòng)力學(xué)和機(jī)械振動(dòng)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(xì)粒物料的團(tuán)聚模型；采用離散元理論和統(tǒng)計(jì)能量方法研究團(tuán)聚物料在超聲激勵(lì)下運(yùn)動(dòng)行為；采用正交試驗(yàn)和優(yōu)化方法選擇典型物料振動(dòng)與超聲篩分時(shí)最佳組合參數(shù)。. 項(xiàng)目預(yù)期將建立振動(dòng)與超聲混合篩分過(guò)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(shí)現(xiàn)典型物料振動(dòng)與超聲篩分時(shí)最佳組合參數(shù)選擇，從而提高細(xì)粉物料的篩分效率，徹底掌握超聲輔助細(xì)粉難篩物料篩分的機(jī)理。