高功率光纤激光焊接中超细长小孔内部羽辉气体动力学行为的演变规律和调控机理

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51675202
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0508.成形制造
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

In high power (~10kW-100kW) fiber laser welding, evaporation of the irradiated material is very intense, the high temperature, high speed, and transient metallic vapor plume is difficult to flow out from the super deep keyhole. Hence, process defects are very easy to be produced. Quantitative understanding the evolutions and process controlling mechanisms of metallic vapor plume dynamics in the dynamic keyhole could be served as a scientific basis for optimizing the quality of the heavy thick single pass welding joints. However, current theoretical modelling methods usually neglect the macroscale discontinuous Knudsen layer between keyhole, weld pool and vapor plume, or usually assume the fluid flow of the vapor plume outside the Knudsen layer is steady that is, unfortunately, fully distinct from the real physical situations in which the fluid flow of vapor plume is highly transient and self-consistently related to the Knudsen layer. Therefore, they cannot be used to accurately simulate the plume behaviors. To solve the problems, this project proposes a new theoretical modelling framework for revealing the controlling and evolutions mechanisms of the gas dynamics of metallic vapor plume in keyhole. In the proposed method, a mesoscale Lattice Boltzmann model is proposed to accurately simulate the physical behaviors of the boundary layer between keyhole and vapor plume, since the boundary layer may violate the macroscale assumptions of continuum mechanics. Besides, a transient aerodynamics model of vapor plume inside keyhole, and a model of keyhole and weld pool dynamics are constructed based on the macroscale assumptions of continuum mechanics for efficient modelling.Two-way coupling boundary conditions are theoretically proposed to simulate the self-consistent behaviors between the boundary layer and the vapor plume, as well as the keyhole and weld pool. Controlling and evolutions mechanisms of metallic vapor plume dynamics behaviors in super deep keyhole are quantitatively revealed based on the proposed macro-meso scale coupling theoretical framework and experimental characterizations.
几十至上百千瓦的高功率光纤激光焊接中材料蒸发异常剧烈,超细长小孔内部的高温、高速、瞬态金属蒸汽羽辉难以逸出小孔,易产生严重缺陷。定量理解孔内羽辉气体动力学行为的演化规律和调控机理,可为厚壁构件激光单道焊接的工艺优化和缺陷抑制提供依据。现有理论常忽略小孔熔池与羽辉间存在的宏观不连续Knudsen边界层;或者假设Knudsen层外羽辉流动处于稳态,这与羽辉流动的高度瞬态、且与边界层自洽相关的物理事实不符,因而难以精确描述羽辉的演化行为。针对上述问题,考虑宏观假设在羽辉边界可能失效,根据分子动理论,提出可准确描述边界行为的介观尺度Lattice Boltzmann模型;同时耦合孔内羽辉空气动力学和小孔熔池动力学宏观理论模型;构建宏-介观模型间的双向耦合边界,描述羽辉、边界和小孔熔池间的自洽作用;通过宏-介观集成模拟和实验观测,定量揭示超细长小孔内部羽辉气体动力行为的演变规律和调控机理。

结项摘要

超高功率的激光导致材料的剧烈蒸发,焊接过程稳定性差,易产生缺陷,是超高功率激光焊接在制造业中广泛应用的突出问题。超细长小孔内高温高速的蒸汽羽辉与小孔的剧烈热力交互作用是影响焊接稳定性和最终焊接质量的关键。本项目通过建立超高光纤激光焊接小孔熔池-羽辉蒸汽动力学自洽耦合模型,并结合高速摄像和光谱测量等试验手段,揭示了高功率光纤激光焊接过程中小孔、熔池、蒸汽羽辉的瞬态动力学行为,阐明了孔内蒸汽羽辉对孔壁的力学作用及缺陷诱导机制,能够为光纤激光焊接的工艺优化和过程监测提供直接的理论依据。开发了首款专门面向激光焊接工艺过程CAE软件iLaser,可为激光焊接的机理研究、缺陷预测和工艺优化提供可靠的数值仿真工具。

项目成果

期刊论文数量(21)
专著数量(1)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(2)
Metal transfer in wire feeding-based electron beam 3D printing: Modes, dynamics, and transition criterion
基于送丝的电子束 3D 打印中的金属转移:模式、动力学和转变标准
  • DOI:
    10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.06.033
  • 发表时间:
    2018-11-01
  • 期刊:
    INTERNATIONAL JOURNAL OF HEAT AND MASS TRANSFER
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Hu, Renzhi;Chen, Xin;Pang, Shengyong
  • 通讯作者:
    Pang, Shengyong
A CFD-FEM Model of Residual Stress for Electron Beam Welding Including the Weld Imperfection Effect
包括焊缝缺陷效应的电子束焊接残余应力 CFD-FEM 模型
  • DOI:
    10.1007/s11661-019-05154-8
  • 发表时间:
    2019-05-01
  • 期刊:
    METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A-PHYSICAL METALLURGY AND MATERIALS SCIENCE
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    Liang, Lvjie;Hu, Renzhi;Pang, Shengyong
  • 通讯作者:
    Pang, Shengyong
Effects of groove constraint space on plasma characteristics during Laser-MIG hybrid welding of Titanium alloy
坡口约束空间对钛合金激光-MIG复合焊等离子体特性的影响
  • DOI:
    10.1016/j.jmapro.2019.11.004
  • 发表时间:
    2019-12
  • 期刊:
    JOURNAL OF MANUFACTURING PROCESSES
  • 影响因子:
    6.2
  • 作者:
    Anguo Huang;Jiajia Zhang;Chuang Gao;Renzhi Hu;Shengyong Pang
  • 通讯作者:
    Shengyong Pang
An octree-based adaptive mesh refinement method for three-dimensional modeling of keyhole mode laser welding
基于八叉树的小孔模式激光焊接三维建模自适应网格细化方法
  • DOI:
    10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.07.061
  • 发表时间:
    2017-12-01
  • 期刊:
    INTERNATIONAL JOURNAL OF HEAT AND MASS TRANSFER
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Hu, Renzhi;Pang, Shengyong;Shao, Xinyu
  • 通讯作者:
    Shao, Xinyu
Vapor plume oscillation mechanisms in transient keyhole during tandem dual beam fiber laser welding
串联双束光纤激光焊接瞬态小孔中的蒸气羽流振荡机制
  • DOI:
    10.1016/j.optlaseng.2017.09.010
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    OPTICS AND LASERS IN ENGINEERING
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Xin Chen;Xiaosi Zhang;Shengyong Pang;Renzhi Hu;Jianzhong Xiao
  • 通讯作者:
    Jianzhong Xiao

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其他文献

镍基高温合金纳秒激光脉冲制孔再铸层形成过程数值模拟
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    庞盛永
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    陈涛
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  • 发表时间:
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  • 作者:
    陈彬斌;庞盛永;周建新;锁红波;陈哲源;巩水利
  • 通讯作者:
    巩水利

其他文献

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庞盛永的其他基金

高能束焊接与增材制造
  • 批准号:
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    2020
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    120 万元
  • 项目类别:
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光纤激光焊接瞬态阶段的小孔、熔池和金属蒸汽耦合行为研究
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相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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