大型复杂结构件高功率激光焊接的基础研究

本项目针对大功率海洋动力定位推进器等高服役性能装备中大型复杂构件的焊接制造难题，从高功率激光焊接机理、工艺和过程控制三方面展开研究，取得的主要成果包括：建立了高功率激光焊接多相流数值模型，阐明了熔池、小孔、等离子体的相互作用机制，揭示了熔池与小孔多旋涡紊流动态行为、焊缝成形机理以及介观熔池非平衡凝固过程中的组织转变行为；发现了高功率激光焊接工艺参数与接头形状和组织分布相关性规律，揭示了接头形状和组织对接头性能的影响机制，建立了获得3种典型材料良好接头完整性的工艺条件；分析了高功率激光焊接拼装状态对整体焊缝形状及性能的影响，提出了复杂拼缝形貌的变基准测量与动态建模方法，建立了面向拼装状态的参数在线生成策略，实现了基于实时检测和动态补偿的焊接过程闭环控制。 本项目取得了以下核心创新：①建立了能精确描述高功率激光焊接小孔宽开口特点的复合自适应热源模型，为熔池小孔精确模拟提供基础；②发现了高功率激光焊接熔池多漩涡流动行为，从本质上阐明了焊缝成形机理；③发现了高功率激光焊缝中存在轴向晶粒，并阐明轴向晶粒对焊缝组织性能的影响机制。以上创新工作为解决高功率激光焊接快速熔化与凝固过程中多物态的热质传递机理、熔凝区形状和组织与接头性能的相关性规律等关键科学问题提供了有效途径。 在Corrosion Science、Journal of Alloys and Compounds、Materials & Design、International Journal of Heat and Mass Transfer、Applied Thermal Engineering、Journal of Materials Processing Technology等权威期刊上发表SCI论文41篇，在国际焊接学会年会（IIW）、国际光电子与激光应用会议（ICALEO）等高水平学术会议上发表论文6篇，项目成员获“第一届激光复合制造协同创新国际论坛”杰出青年学者奖，申请发明专利9项（授权6项）、授权实用新型专利4项。本项目相关研究成果为2015年国家科技进步一等奖“汽车制造中的高质高效激光焊接、切割关键工艺及成套装备”、2017年湖北省科技进步一等奖“大型高参数压力容器制造成套装备及其关键技术的研发与应用”提供了支撑。

本项目针对大功率海洋动力定位装备、大推力火箭发动机等高服役性能装备中大型复杂结构件的焊接制造难题，开展高功率激光焊接基础问题研究，丰富和完善大型复杂结构件高功率激光焊接制造控形控性的理论和技术基础，提升高功率激光焊接制造的科学性。重点探索高功率激光作用下快速熔化凝固过程中多物态传热传质机理，寻求焊接熔池小孔稳定性的动力学条件；基于连续冶金反应模型和多相流数值模拟，定量预测熔凝区形状、成分和组织；研究接头微观组织演变规律，掌握接头微观组织及介观熔凝区形状与力学性能相关性规律；建立面向拼装状态和动态工况的复杂结构件高功率激光焊接参数在线生成与实时控制方法；最终实现大型复杂结构件高功率激光焊接制造的精确控形控性。

飞机复杂结构件的数控加工能力是衡量一个国家航空制造水平的重要标志。新一代飞机结构件更复杂、精度要求更高、制造周期要求更短，尤其是对加工变形控制提出了更高的要求。新一代飞机结构件的最大允许变形量仅为0.05mm/m，原有方法大型结构件加工变形量仅能控制到0.2mm/m，对现有制造技术提出了严峻挑战。加工变形控制是材料、设计及制造等多个领域的研究热点。在制造领域，加工变形控制研究主要有两种思路：一种是基于变形预测的工艺优化，另一种是基于实时监测数据的加工闭环控制。 在第二种思路下，本项目针对传统基于固定装夹的工艺方法将工件在整个加工过程中完全夹紧从而无法监测工件整体变形的局限，提出了6 x定位与夹紧方法，发明了嵌入压力、位移传感器的浮动装夹装置和加工过程中自适应释放并消除工件变形的新工艺。 本项目引入位形空间理论，提出了包含加工全过程几何、工艺、监测及检测间的交互作用和演化关系的加工动态特征概念及其建模方法。基于时序法建立了特征加工全过程准确的几何形状与监测、检测信息之间的同步关联关系，进而建立了加工动态特征模型，为加工变形控制奠定了基础。 突破了基于加工动态特征的加工-检测-监测一体化系列关键技术，实现了飞机复杂结构件数控加工变形精确控制。飞机大型结构件加工变形量由0.2mm/m减小到0.05mm/m以内。 本项目共发表论文19篇，其中SCI收录16篇，分别发表在CIRP Annals、IJMT&M、ICAE等制造领域顶级期刊，论文SCI他引88次。申请国家发明专利 39项，其中授权28项。受邀在德国、英国和中国举办的重要国际学术会议上作大会主题报告5次，举办国际学术会议3次，出版Special Issue 2期。项目成果获2016年度国家技术发明二等奖，项目负责人排名第一。 项目负责人入选2017年度教育部“长江学者奖励计划”。培养博士生10名，其中4人已毕业，1人获江苏省优博，1人任教于瑞典舍夫德大学；培养硕士研究生31人，其中毕业17人。 2100433B

《大型工程的复杂性管理――组织、文化与决策》是2015年3月出版的书，作者是周晶。

大型工程的复杂性管理――组织、文化与决策

本书介绍了工程与工程组织，用系统科学的视角，分析大型工程组织的复杂性，用SoS视角分析大型工程的跨组织协同，分了工程文化及其自组织演化机制等，是一部高水平的学术研究著作。

系列名：南京大学工程管理学院文库

作者：周晶

编辑：陈兰兰

ISBN：978-7-305-14642-8

出版时间：201503

字数：444

定价：112.00

开本：16开

页数：448

装订：平装

版次：1 2100433B