异种金属填粉激光焊接的粉末作用机理及其在线监测方法研究

异种金属填粉激光焊接是激光焊接技术中一个新的发展方向。较普通激光焊接，填粉激光焊接降低了焊件装配精度要求；较填丝激光焊接的焊丝，金属粉末制备方便，且粉末成分可根据实际需要任意配比及粉末输送量易于控制。本项目将针对车用高强钢、铝合金、高强镀锌钢的焊接问题系统研究异种金属填粉激光焊接：通过多参数工艺优化及其对焊缝质量的影响，形成异种金属填粉激光焊接工艺优化理论；研究激光、粉末及试件间的相互作用关系，建立基于"激光-小孔-熔池-等离子体-粉末"系统的填粉激光焊接数学模型；分析粉末在减少或抑制气孔及脆性金属间化合物等焊接缺陷中的作用，揭示粉末在填粉激光焊接中的作用机制；开展焊接过程中熔池、等离子体温度及电子密度等过程特征信息与送粉量、焊缝质量间的相关性研究，阐明填粉激光焊接在线监测原理与方法。研究成果将丰富和发展填粉激光焊接及粉末作用的基础理论，为填粉激光焊接在线监测技术提供重要理论和试验基础。

汽车轻量化是解决汽车能源消耗和环境污染问题的主要措施之一，而高强钢、铝合金等异种金属复合结构在汽车轻量化研究中占有着重要的地位。针对车用高强钢、铝合金、镀锌钢、钛合金等异种金属间的焊接问题，本项目开发了填粉焊接用送粉器、同轴喷粉、侧轴喷粉、同轴视觉检测等装置，通过无粉末、侧向送冷丝、侧向送热丝、涂层预置粉末、同轴喷粉、侧轴喷粉等方式开展激光填粉焊接对比实验，分析了无填粉、填充高强钢热丝、填充AlSi5、AlSi12、AlCu5和ZnAl15粉末的焊接工艺及焊缝表面形貌、力学性能、微观组织、界面成分；基于焊接过程中小孔、熔池和等离子体的特征信息，开发基于辅助光源的异种金属激光焊接在线监测技术；系统研究了激光、试件、粉末之间的相互作用机理并建立了激光-粉末-试件的能量耦合模型，研究了填加粉末的有效输送与烧损控制；建立了基于level-set方法的快速气-液界面搜索模型和固溶体结构相界模型，实现焊接过程模拟时的气-液、固-液界面快速确定。项目组成员在国内外知名期刊发表高质量论文18篇，其中SCI收录11篇次、EI收录16篇次；授权发明专利4项，实用新型专利3项，软件著作权1项，申请发明专利3项；应邀作国际会议特邀报告1人次，国内会议分组报告6人次；获得湖南省普通高校青年骨干教师1人、晋升正高职称1人，培养毕业博士研究生1人、硕士研究生8人，在读硕士研究生3人，其中获湖南省优秀硕士学位论文1人，湖南大学优秀硕士学位论文2人；获机械工业科学技术进步一等奖1项、教育部科学技术进步二等奖1项，Elsevier Publisher颁发的Most downloaded paper award奖励1项，中国产学研合作创新成果奖1项，长沙市2012届自然科学学术年会优秀论文一等奖1项。项目研究成果在大族激光科技产业集团股份有限公司、中航工业成都飞机工业（集团）有限责任公司、湖大三佳车辆技术装备有限公司的激光焊接在线监测装置、某机型大尺寸大曲率半径的机翼焊接以及中气轿车的样车研发试制得到了应用。