1 东南大学材料科学与工程学院, 江苏省土木工程材料重点实验室, 南京211189
2 青岛理工大学土木工程学院, 山东 青岛 266033
高原低气压环境会影响气泡稳定性, 进而影响引气混凝土的孔结构和抗冻性。通过自建低气压搅拌装置, 研究了气压对新拌引气砂浆气孔结构的影响。结果表明: 气压降低会导致引气砂浆初始含气量降低, 气泡间距系数增大, 含气量经时损失增大, 孔结构劣化明显。低气压环境下引气砂浆孔结构劣化的主要机理是由于低气压加速了气泡体系的Ostwald熟化过程, 使得小气泡越来越小直至消失, 大气泡越来越大直至破裂, 气泡体系平均孔径增加, 加快了气泡体系的失稳速度。该研究结果对于理解低气压环境下气泡失稳机理和开发相应的稳泡技术具有指导意义。
低气压 引气砂浆 气泡稳定性 气孔结构 low atmosphere pressure air-entraining mortar bubble stability air-void structure
1 北京航空航天大学宁波创新研究院，浙江 宁波 315800
2 北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室，北京 100191
3 北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191
4 北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院，北京 100191
研究激光粉末床熔融工艺参数与熔道形貌、气孔缺陷的关联是优化工艺参数、提升成形效率的基础。使用不同激光功率成形TC4钛合金单条熔道，并建立基于流体体积法的气‐液两相流三维细观熔池模型，对激光粉末床熔融增材制造过程中熔池内的传热、熔化、气‐液两相流动等物理行为进行仿真分析。实验研究结果表明，随着激光功率由100 W增加至400 W，熔道深度大幅度增加，而熔道宽度只在较小功率（100~150 W）下随激光功率的增加而明显增大，此后（150~400 W）不再随功率变化而明显变化。同时，在大激光功率下（400 W）下，部分熔道底部可以发现不规则的气孔缺陷。熔池形貌的预测结果与实验结果的对比验证了仿真模型的有效性。仿真结果表明，随着激光功率增加，熔池底部在反冲力作用下形成匙孔，激光直接照射在熔池底部并使能量向下传递，表现为熔道深度明显增加，熔道宽度变化不明显。在高激光功率下，较深匙孔的底部呈“J”字形，其尾部不能直接受到激光作用，能量不足，易坍塌形成气泡，随后气泡滞留凝固形成气孔缺陷。
激光技术 激光粉末床熔融 熔道形貌 工艺参数 数值模拟 气孔缺陷 laser technique laser powder bed fusion track morphology process parameters numerical simulation pore defect 中国激光
2023, 50(12): 1202304
北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院高功率及超快激光先进制造实验室，北京 100124
本文基于焊接过程中线性提高激光功率的方法研究了光纤激光‐TIG复合焊接焊缝中小孔型气孔的影响因素。结果表明，在复合焊接过程中将激光功率由0 kW线性增加至3 kW，可以获得激光功率和电弧电流对小孔型气孔的影响规律。当激光功率小于0.8 kW或大于2.2 kW时，焊缝内部均无小孔型气孔产生；当激光功率处于0.8~2.2 kW或保护气流量大于15 L/min时，焊缝内气孔相对较多，气孔率分别可达3.5%和5.5%；当激光功率为2 kW时，150 A的TIG电弧电流使熔宽提高了94%，熔深提高了35%，并控制了飞溅数量，改善了焊缝表面成形质量。进一步分析表明：电弧作用于小孔口的力是增加小孔不稳定性、提高焊缝中小孔型气孔数量的主要原因；激光功率变化导致孔内激光致蒸发量的变化是复合焊接焊缝中气孔数量改变的主要因素。
激光技术 光纤激光 复合焊接 小孔型气孔 工艺参数 laser technique fiber laser hybrid welding small hole-type porosity process parameters 中国激光
2023, 50(12): 1202102
1 宁夏大学宁夏光伏材料重点实验室, 银川 750021
2 宁夏大学物理与电子电气工程学院, 银川 750021
连续拉晶用石英坩埚的内壁会随拉晶次数的增多而形成更多的气泡, 易在晶体中产生位错和侵蚀性硅熔体, 导致坩埚随时间溶解和腐蚀等。为研究侵蚀性硅熔体与气泡相互作用对坩埚的影响, 研究人员期望对石英坩埚的性能进行原位观察, 然而, 单晶炉内的极端高温环境使得很难通过实验手段对其内部进行研究。本文以石英坩埚内表面气孔-裂纹为研究对象, 采用有限元模拟获得了高温循环载荷下石英坩埚不同气孔形态、裂纹形状和裂纹倾斜角度的各拉晶阶段应力强度因子(KⅠ、KⅡ、KⅢ), 分析了总应力强度因子的分布规律。结果表明: 随着裂纹倾斜角的增加, KΙ值呈现逐渐减小的趋势, KⅢ值呈现先增大后减小的趋势, 且KⅢ值沿倾斜角45°对称; 随气孔深径比增大, KΙ值呈现减小趋势, 且减小速率以深径比等于1为界有明显的增大, KⅢKΙ, 说明裂纹主导形式为Ⅰ型; 裂纹形状比对KΙ或KШ值影响显著, 形状比越小, 裂纹尖端应力强度因子值越大; 当倾斜角为0°时, 总应力强度因子K值最大, 此时裂纹扩展趋势最强, 对石英坩埚危害最高; 此外, 连续拉晶下放肩阶段的总应力强度因子总是大于等径、收尾、冷却阶段。仿真结果对实际生产有一定的理论指导意义。
石英坩埚 气孔 深径比 裂纹形状 应力强度因子 有限元模拟 quartz crucible pore depth/diameter ratio crack shape stress intensity factor finite element simulation
1 国网浙江省电力有限公司湖州供电公司，浙江 湖州 313000
2 浙江泰仑电力集团有限责任公司配电工程分公司，浙江 湖州 313099
3 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北 武汉 430074
4 华中科技大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074
采用10 000 W光纤激光器开展磁场辅助激光摆动焊接10 mm厚6061-T6铝合金的工艺试验。利用超景深显微镜和扫描电子显微镜(SEM)分析焊缝截面的宏观形貌和微观组织形貌。观察到在磁场辅助激光摆动焊接的作用下，焊接接头的下塌、飞溅和凹坑等缺陷得到了明显抑制。进而通过高速摄像机对焊接过程中熔池和小孔的行为特征进行了直接观测，观察到磁场有稳定磁场流动的作用。然后进行了X射线探伤测试了焊缝的气孔率，200 mT磁场辅助激光摆动焊接的气孔率最小，能达到0.856%。最后进行了拉伸性能测试，磁场辅助激光摆动焊接的拉伸强度最高能达到318.85 MPa。
磁场 6061铝合金 激光摆动焊接 气孔率 magnetic field 6061 aluminum alloy laser-weaving welding porosity
1 浙江泰仑电力集团有限责任公司送变电工程分公司，浙江 湖州 313099
2 国网浙江省电力有限公司湖州供电公司，浙江 湖州 313000
3 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北 武汉 430074
4 华中科技大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074
针对7075-T6铝合金10 mm中厚板开展了激光扫描焊试验和模拟研究，通过X射线无损检测以及熔池流动模拟，探究激光扫描焊接对焊缝气孔的抑制规律。试验结果表明，随着扫描频率和扫描振幅的增加，焊缝气孔率有降低趋势。分析不同扫描频率下的模拟结果发现，高频扫描下由于匙孔叠加会产生“大匙孔”结构，此结构相较低频扫描下的细长匙孔来说更加稳定，更不容易坍塌形成气泡；同时光束扫描增加了熔池宽度，增大了气泡逸出的概率。分析不同扫描振幅下的模拟结果发现，大振幅显著降低了匙孔的深度，从而降低了匙孔的深宽比，增强了匙孔的稳定性；同时增大振幅进一步扩大了熔池的宽度，增大了气泡逸出概率，进而降低了焊缝中的气孔率。
激光焊接 激光扫描 气孔 数值模拟 laser welding laser scanning porosity numerical simulation
1 新疆大学机械工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830017
2 新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院, 新疆 乌鲁木齐 830047
焊缝表面气孔缺陷的存在减少了工件的有效截面积, 降低了工件抵抗外载荷的能力, 严重时会导致工件断裂, 为此提出一种基于涡流脉冲热成像技术的焊缝表面多缺陷检测方法。首先, 采用一种新型电磁传感器结构, 通过涡流脉冲热成像原理对不同直径和深度的碳钢缺陷进行检测, 并分析了图像序列中缺陷区域与非缺陷区域的温度信号; 为了提高该检测系统的灵敏度, 采用主成分分析方法对图像序列进行图像重构, 增强原始图像中缺陷特征。最后, 通过实验验证了该方法, 实验结果表明该方法能够减小焊缝边缘效应的影响, 实现对焊缝表面缺陷的大面积检测, 并为红外热像仪提供一个开放的视野。
焊缝气孔 涡流脉冲热成像 缺陷检测 主成分分析 weld porosity eddy current thermography defect detection principal component analysis
1 北京石油化工学院机械工程学院，北京 102617
2 北京宇航系统工程研究所，北京 100076
以3 mm厚6082-T6铝合金为母材进行激光-MIG复合焊接，研究激光功率与送丝速度对焊缝成形、微观组织及力学性能的影响，并对不同功率下的焊接接头进行气孔缺陷分析。结果表明，在激光功率为1 900 W、送丝速度为4 m/min时，焊缝成形最好，接头显微硬度从母材到焊缝中心呈现先减小后增大的趋势，热影响区处存在软化现象，接头抗拉强度可达313 MPa，延伸率达6.18%。焊缝中心组织为细小等轴晶粒，熔合区为垂直于熔合线生长的柱状晶。另外，随着激光功率的不断增大，接头气孔数量、尺寸及气孔率均随之增大。
激光-MIG复合焊 焊接工艺 组织与性能 气孔率 laser-MIG composite welding welding process microstructure and property porosity
武汉科技大学, 省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室, 武汉科技大学高温材料与炉衬技术国家地方联合工程研究中心, 武汉 430081
高温下刚玉质浇注料中铝酸钙水泥结合剂与基体发生反应生成片状六铝酸钙相, 可以有效改善材料的抗热震性, 但引入过多水泥会产生较大的体积膨胀, 从而影响材料性能。为此, 采用六铝酸钙骨料部分或全部取代板状刚玉骨料制备浇注料, 在确保体积稳定性的同时发挥了六铝酸钙的增韧效应, 研究了骨料气孔特性对浇注料养护后和高温处理后材料力学性能的影响, 并借助楔形劈裂实验, 研究其断裂行为。结果表明, 25℃养护下, 相比于板状刚玉, 六铝酸钙骨料中气孔产生的吸释水效应, 促进了在骨料周围生成更多水化产物, 加快了水泥水化反应, 使骨料与基质间的界面结合更好。经 1 600℃热处理后水化产物转变成为 CA6相, 使材料中骨料与基质界面强度提高, 且材料断裂过程中裂纹在骨料内扩展的比例增加, 结合样品的断裂能和特征长度等参数, 浇注料中加入 30%CA6骨料时具备昀好的抗裂纹扩展能力。
刚玉质浇注料 六铝酸钙骨料 骨料气孔特性 吸释水效应 楔形劈裂实验 corundum castables calcium hexaluminate aggregate porosity characteristics of aggregate water absorption and release effect wedge splitting experiment
