车用发动机高密度激光制造熔凝过程中的力学问题

针对新一代车用发动机高转速、大功率、结构紧凑的制造要求，突破传统工艺不能精确控制关键部件形状与性能的制造瓶颈，开展高能密度激光制造熔凝过程中的关键力学问题研究。主要包括：研究激光作用下熔池形成及演化，表面毛细张力、温度梯度、压力梯度等变化对熔池自由表面形貌的影响，开展熔池温度场、应力场及流场的力学分析及数值模拟，探索匙孔（keyhole）形成机制及其对熔池气-液界面的扰动特征；研究熔池凝固过程的物理机制及多尺度力学建模，构建宏、细观物理模型与数值模拟方法，侧重研究凝固过程液-固界面区中微结构、微缺陷及残余应力的产生与演化；研究激光制造过程中工艺参数优化控制与性能检测，运用物理建模和数值模拟结果及先进的测试方法，在量纲分析基础上，确定影响质量控制的关键参量。通过本项目的深入研究，为激光制造中形状与性能的精确控制奠定科学基础，发展激光制造力学，加速我国高功率密度车用发动机的研制进程与更新换代。

本项目主要对车用发动机激光先进制造熔凝过程的力学问题开展了深入系统的研究。针对不同激光束功率密度作用下激光制造过程的不同物理力学机制，建立了相应的高密度激光制造熔池形成与演化的物理和数学模型。该模型考虑了激光与材料的相互作用，热传递、熔池热流体的不可压粘性流动，熔池形成的驱动力，气-液、液-固相变，以及高温下引起的蒸发和溅射等复杂的物理和力学现象。基于此模型计算的瞬态温度场结果，建立了描述结构-热应力-变形关系的宏观数值模型，计算了激光制造结构件的三维瞬态应力变形场，研究了瞬态应力与变形的分布与演化规律、并从焊接热循环的角度解释应力变形的特点。针对高密度激光制造快速、非平衡凝固过程，深入研究了不同激光功率密度下微结构特征及其影响因素。利用等应变法获取了激光异种焊接焊缝材料的准静态应力应变曲线。针对焊接结构特征创新性地采用广义的SHP(T)B技术，设计了装置的卡套式连接方式，对焊接构件在高温高应变率加载条件下的动态变形特征进行了深入的研究，并对母材应变率及温度相关的Johnson-Cook本构方程参数进行了测试和拟合。另外，结合发动机实际应用，对涡轮蜗杆异种金属激光焊接，气缸盖火力面、气门座的激光表面处理，进行了工艺力学分析与评价。尤其针对发动机喷油嘴激光精微打孔，结合喷油孔的喷油特性，包括孔内的燃油流动及孔外的燃油喷射雾化效果对激光打孔工艺进行了优化和评价。