课程文献中心 更多>>

关键词： 开放式阵列微流控   表面张力   浓度梯度阵列   药物筛选   材料合成  

摘要： 在过去的30年中,具有微型化的设计的微流控技术已在生物学和化学合成分析领域得到普遍的发展和应用,得益于微加工技术的进步,微流控技术的发展日新月异。微流控技术是一种在微升到皮升范围内操纵流体的技术,通常采用微流控芯片,被称为“芯片上的实验室”,因为它能够涵盖生物和化学实验室的最基本的功能。由于液滴适用于分割和隔离反应物,并具有类似于宏观反应器的各种条件的模拟能力,能够使化学和生物分析达到常规实验室工作流程无法实现的规模和速率,因此将微液滴应用于微生物/化学实验对于研究人员来说具有极为开阔的研究前景。然而,由于传统的液滴微流控技术需要使用复杂的外部设备,且在液滴的稳定形成、保存及可跟踪分析方面存在诸多问题和挑战,众多研究人员开始采用基于表面张力的开放式微阵列技术,以应对在实际应用中的各种需求。与传统液滴微流控技术中的生成液滴的周围油相或孔板中的物理壁表面不同,化学图案化区域表现出疏液边界的特性,可防止液体在表面的移动和合并。因此,在不需要表面活性剂的情况下,在平坦的表面上也可以产生具有复杂的几何形状、尺寸可达几微米甚至纳米的液滴。开放式阵列微流控技术由于其具有平台易于制造、高密度的阵列排布以及开放的特点,使其在开发下一代高通量应用的微型化平台方面具有巨大的潜力,比如高通量筛选活细胞和在表面液滴阵列中的化学合成反应。在本论文中,我们着眼于开放式阵列微流控技术,试图解决该技术在实际应用中出现的一些问题,基于表面的亲疏水修饰技术,搭建了不同的开放式微阵列平台,并将它们应用于生物分析和化学合成。首先,本文提出了一种基于开放式阵列微流控技术的浓度梯度阵列的形成方法。与传统液滴微流控芯片相比,不需要复杂的外部设备和装置,仅仅需要一台涂布仪和自制的三明治结构刷头,即可通过涂布法在微孔板芯片上形成浓度梯度的阵列。通过在涂布过程中控制环境的湿度,可以抑制微孔内溶液的蒸发。该平台可用于肺癌细胞的培养,通过自制的容器可以在细胞的培养过程中减少细胞培养液的损失。通过在细胞阵列上涂布形成药物的浓度梯度,能够研究药物浓度梯度作用下细胞的生存凋亡情况。本平台的开放特征为实验过程中多步操作提供了机会,并且在一定程度上为该平台在生物分析方面的应用提供了更多可拓展的空间。其次,本文建立了一个多层可对准的开放式阵列微流控平台,用于材料的合成与原位表征。针对普鲁士蓝类化合物的化学合成过程,对于多种反应物参与共沉淀反应的特点,设计了一个定位底座,用于多种反应物溶液微阵列之间的对准和反应,并且在底部放置表面亲水图案化的硅片,用于承接沉淀的样品,方便后续对样品进行原位的后处理和表征。通过对不同环境条件下以及不同反应物浓度下得到的样品进行原位的扫描电镜和X射线衍射的表征,可以研究得到不同的反应条件对于普鲁士蓝类化合物的形貌、尺寸分布以及晶相的影响,对于材料的合成条件的高通量筛选具有一定的参考价值和借鉴意义。最后,本文开发了一种在开放式阵列微流控平台上高通量制备形貌和尺寸分布可控的全无机钙钛矿纳米棒单晶阵列的方法,并将其应用于全光子式密码原语的形成和加密通信。采取了一种溶剂气氛辅助的重结晶方法,通过控制前驱物溶液液滴的蒸发环境条件,使晶体的形核和生长过程缓慢进行,从而优化了单晶形貌。这对于全无机钙钛矿在表面的微液滴合成具有重要的研究意义。借助于单晶阵列具有的尺寸分散特征,结合钙钛矿单晶的尺寸依赖性激光发射行为,可将这样的单晶阵列作为一个天然的物理不可复制函数。在制定相应的编码规则的前提下,通过激光扫描收集单晶阵列的激光发射信息,可将单晶阵列转化编码为密码原语,用于加密通信。综上所述,本论文针对开放式阵列微流控技术在实际应用中遇到的一些问题和需求,搭建了三种不同的开放式微阵列平台,实现了开放式浓度梯度阵列的高通量制备,并将其应用于癌细胞的高通量药物筛选以及普鲁士蓝类化合物的高通量合成和原位表征,还制备了全无机钙钛矿纳米棒单晶阵列,并将其应用于全光子式密码原语的形成。

关键词： Origin软件   物理、化学实验   表面张力  

摘要： Origin软件能够精准高效地分析处理实验数据,现多用于物理、化学实验中。以溶液表面张力的测定为例,对Origin软件在物理、化学实验中的应用进行介绍。经实践表明,Origin软件的数据处理具有便捷、简单、准确率高等优势,同时适用性较强,能有效提升学生学习效率和对相关知识的综合应用能力。

关键词： 两相流   连续表面张力模型   相场模型   Level Set方法   多相格子Boltzmann通量求解器  

摘要： 两相流广泛出现在自然界和工业应用中,因此研究两相流问题具有十分重要的意义。由于表面张力对流体流动和界面运动起着至关重要的作用,因此对表面张力精确建模是数值模拟两相流问题的关键。故本文基于相场方法研究具有良好性质的表面张力模型和高效数值算法是一项具有重要意义的工作。本文利用Level Set函数与相场函数的关系,基于Level Set函数的连续表面张力模型计算表面张力,提出了一种基于相场方法的连续表面张力的模型。该模型不仅具有相场模型求解多相流问题的优点,且继承了基于Level Set函数的连续表面张力模型的优点。进一步,在该表面张力模型的基础上,结合多相格子Boltzmann通量求解器(MLBFS),给出了两相流体问题的数学模型,并设计了高效、稳定且具有较好守恒性的数值算法。最后,成功模拟了 Laplace Law、液滴合并、剪切流中的液滴形变等问题,验证了本文提出的模型和算法具有良好的稳定性和守恒性。

关键词： 分类资本流动   顺周期特征   逆周期调节   非参数Bootstrap分析  

摘要： 20世纪90年代至今,规模大幅增加的国际资本流动对全球经济产生的影响日渐明显,一方面促进了各国经济发展,但在另一方面却使各国经济波动变得更加剧烈,表现出了随一国宏观经济变化而变化的周期特征。在这种情况下,明确我国国际资本流动的周期特征,对我国顺利应对各种内外部冲击并保持宏观经济稳健发展有着非常重要的理论与现实意义。首先,本文从定性和描述性统计的角度研究了我国各类国际资本流动的周期特征,然后基于我国宏观经济及国际资本流动的相关数据,通过相关性分析、格兰杰因果关系检验、误差修正模型、脉冲响应分析考察了我国各类国际资本流动的周期特征,最后选取突变点并运用非参数bootstrap方法分析了突变点前后我国各类国际资本流动的波动性及周期特征变化。研究结果显示:（1）直接投资资本流动是我国稳定性最高的一项资本流动,且在多数情况下,其流入的波动性要高于流出;（2）我国分类国际资本流动具备异质性的周期特征,总体资本流动、直接投资及其他投资资本流动的流入额及净流动额具备顺周期特征,证券投资和分类国际资本流出的周期特征则并不显著;（3）一般情况下,资本流动突然中断的出现会使宏观经济和各类国际资本流动的波动性加剧,与此同时,国际资本流入突然中断的发生会导致其顺周期特征进一步加强,而国际资本流出突然中断的发生通常会导致其周期特征发生显著逆转。最后,通过结合理论与实证分析结果,本文从进一步优化我国国际资本流动的分类管理,加强对直接投资及其他投资的逆周期监管,进一步完善对国内资本市场的建设以及证券投资项目的对外开放,建立健全资本流动风险预警及应急管理体系几个方面提出了相关政策建议。

关键词： 泥火山   地球化学特征   地质流体   同位素   油-气-水-岩相互作用   碳排放  

摘要： 泥火山(Mudvolcano)是地层深部以气体、水和泥砂等为主要成分的混合地质流体喷出地表后所形成的外貌形似火山构造的地质体。泥火山活动可以将地下深部的相关物质携带到地表，对泥火山喷发物进行系统的分析研究不仅可以了解地下深部的物质组成及其循环，还可以为区域地质构造等相关科学研究提供参考依据，尤其是泥火山系统的“油-气-水-岩相互作用”研究意义重大。泥火山还通过各种复杂的疏导格架向大气中释放大量以甲烷和二氧化碳等为主的“地质源”温室气体，是全球碳收支和碳循环所必须考虑的重要因素。准噶尔盆地南缘分布有大量的泥火山，主要包括安集海、独山子、艾其沟、白杨沟等泥火山群，目前尚有几十座泥火山处于活动状态，对其溢出地质流体的研究调查程度较低。因此，对其开展系统的研究不仅对油气勘探和监测地下流体的活动等具有重要的指导意义，同时还可能为我国制定碳排放相关政策提供一定的参考依据。　　基于以上问题，选取准噶尔盆地南缘白杨沟、艾其沟、独山子和安集海等4处泥火山群为主要研究对象，通过野外地质考察和系统的样品采集与室内地球化学分析测试，系统分析了研究区泥火山释放气体的化学组分和碳同位素特征，并结合区域地质背景和相应的油气井资料，厘定了泥火山释放气体来源层位和成因类型，探讨了泥火山气体释放量的季节性变化特征，以及次生改造作用对释放气体碳同位素的影响。基于泥火山物理水化学参数现场原位测定和泥浆水阴阳离子组成的系统分析结果，确定了泥浆水的水化学类型，探讨了其来源，以及阴阳离子富集的控制因素。采用皂膜流量计法和密闭箱法对准噶尔盆地南缘泥火山系统温室气体不同季度的释放通量进行原位测量，分析了泥火山系统温室气体释放通量随季度的变化规律。研究工作取得以下主要结论与认识:　　(1)研究区泥火山释放气体的主要成分为甲烷(72.9％～91.8％)，也含有少量的二氧化碳和氮气等(0.1％～19.9％，1.3％～9.8％)。碳同位素分析结果显示，δ13C1值在-51.3‰～-36.7‰之间，平均为-44.9‰，δ13C2值在-27.3‰～-20.6‰之间，平均为-22.1‰，δ13CCO2值在-21.9～33.7‰之间，平均为4.4‰，表明泥火山释放的气体具有热成因原油伴生气和次生微生物气的混合特征，可能主要来源于该地区中、下侏罗统煤系烃源岩。研究区泥火山不同喷口释放气体的组分在季度上没有显著变化。　　(2)研究区泥火山气与相应的油气井气对比结果显示，泥火山释放气体的化学组分和碳同位素特征都发生了系统性变化。泥火山释放气体相比于油气藏气更为富集CH4与CO2，C2H6和C3H8减少，C1/C2+C3比值偏大，CH4碳同位素变轻，C2H6、C3H8和CO2碳同位素变重。这些变化可能是泥火山气体在向浅层地表运移过程中受到了扩散作用、油气水岩相互作用、微生物作用等一系列次生改造作用所引起的结果。　　(3)研究区泥火山喷口泥浆水普遍呈弱碱性-碱性，主要阴阳离子组成为Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO42-、HCO3-，其中优势离子为Na+、HCO3-、Cl-，水化学类型为NaHCO3和NaCl型。泥浆水离子组成和氢氧同位素特征揭示，泥火山溢出的泥浆水可能是来自油气藏中的油田水与深部地层中的古大气降水的混合流体。另外，喷口泥浆水阴阳离子含量存在一定的季度性变化规律，春季和夏季离子浓度更高，可能主要是由于泥火山系统在不同季节所发生的“油-气-水-岩相互作用”的强弱不同，以及大气降水垂向渗入的差异所影响的结果。此外，研究区泥火山溢出泥浆的孢粉组合分析结果表明，艾其沟泥火山溢出泥浆可能主要来自该区侏罗系沉积物。　　(4)研究区泥火山喷口气体的宏观渗漏通量范围为272～985kga-1，土壤甲烷气体的微观渗漏通量范围为0.12～3855.3gm-2d-1。另外，泥火山喷口气体的宏观渗漏通量和周围土壤气体的微观渗漏通量随季节的变化呈现出一定的变化规律。具体表现为1月份活跃喷口的宏观渗漏通量比4月份高出77.2％～83.6％。主要因为1月份地表被冰雪覆盖，气体很难通过土壤渗漏，造成泥火山系统内部压力增大，喷口宏观渗漏通量增强;4月份地表冰雪消融，土壤解冻，泥火山系统内部的压力降低，相应的喷口气体宏观渗漏通量也降低，土壤渗漏通量明显增加。7月份和10月份泥火山系统渗漏基本不受冰雪冻融的影响，系统内部恢复平衡，整体宏观渗漏通量相近但比4月份高，微观渗漏通量比4月份低。

关键词： CaCO3纳米晶体   疏水化改性   非水相泡沫   表面张力   发泡性能  

摘要： 非水相泡沫在油气田开发、食品加工、多孔功能材料以及医药等领域有着广泛的应用。然而,由于其自身的低界面张力和低介电常数导致发泡性能较差,制约着相关工程作业的发展。CaCO纳米晶体由于其丰富的形貌结构以及各向异性特点在泡沫领域受到广泛关注。目前,CaCO纳米晶体仅研究了在水相溶剂中的发泡性能,然而在非水相泡沫中尚未开展相关研究工作。因此,本文制备了不同形貌的CaCO纳米晶体,采用月桂酸与1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷两种改性剂对其进行疏水化改性,并探究其在不同极性溶剂中的发泡性能,开展了以下研究工作:(1)CaCO纳米晶体的制备。以无水NaCO和无水Ca Cl为原料,采用复分解法制备不同形貌的CaCO纳米晶体。研究了反应温度、反应时间、晶形控制剂的种类和加量对其形貌的影响。并采用TEM、FT-IR、TGA、XRD等测试手段对所需样品进行表征。研究表明,添加不同的晶形控制剂可分别制备出片状、球形、纺锤形、立方体四种所需不同形貌的晶体颗粒。对于球形CaCO纳米晶体,采用单因素实验法研究了影响其粒径大小的因素。结果表明,分别控制反应温度为15℃、20℃、25℃,所形成的晶体颗粒粒径分别为5.09 nm、45.6 nm、121.4 nm。(2)CaCO纳米晶体的疏水化改性。采用湿法改性对亲水性CaCO纳米晶体进行润湿性调控。月桂酸改性:控制改性时间为60 min、改性温度为75℃,调节改性剂加量为0.5%～5%,制得的晶体颗粒接触角范围在24.8°～121°。1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷改性:控制改性时间为180 min、改性温度为60℃,调节改性剂加量为0.5%～20%,制得的晶体颗粒接触角在35.8°～134.2°。(3)不同极性溶剂的发泡性能。采用Waring-Blender法研究了不同形貌、不同润湿性的CaCO纳米晶体对不同极性溶剂的发泡性能。研究表明,水相泡沫:晶体颗粒含量为5%,接触角为73.9°的片状CaCO纳米晶体形成泡沫的含气率为50.98%,稳定性达88 h。非水相泡沫:月桂酸改性CaCO纳米晶体在强极性有机溶剂中能够形成非水相泡沫;1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷改性CaCO纳米晶体在弱极性与非极性有机溶剂中形成非水相泡沫。实验发现,片状晶体颗粒的发泡性能最佳,所形成的非水相泡沫含气率均在10%～56.9%。能够在强极性有机溶剂形成泡沫的晶体颗粒接触角范围为53.5°～73.9°,能够在弱极性和非极性有机溶剂形成泡沫的晶体颗粒接触角范围为47.5°～66°。

关键词： 溃坝波   两相流   粒子图像测速   气泡图像测速   PIV   BIV   人工智能  

摘要： 坝体溃决时,库内水体因重力宣泄而下,坝址上游水位陡落,下游水位陡涨,这种由重力驱动的灾害性水流波动即为溃坝波。作为一种严重灾害性的水体流动现象,溃坝波有着巨大的社会危害性,且由于其研究的复杂性,一直是国内外水利工程领域非常重要的研究方向。对溃坝波流场进行实验研究有利于理解流场真实的结构特征和作用机理,因此开展溃坝波流场特征的实验研究十分必要。然而溃坝波自产生到与结构物相互作用的过程中均会产生强紊动掺气水流,传统多普勒测速仪以及粒子图像测速（Particle Image Velocimetry,PIV）技术对于掺气流动的流速测量较为困难,由于量测手段的局限,导致溃坝引起的强紊动掺气流动的流场特征不明。本文应用粒子图像测速及气泡图像测速（Bubble Image Velocimetry,BIV）结合的实验技术,突破传统PIV技术的限制,对溃坝引起的强紊动掺气流动的流场进行了无接触式的测量,获得了溃坝波砰击下游直墙时掺气运动的内部流场,主要成果与结论如下。（1）针对强紊动掺气流动的随机性,通过20次重复实验进行系综平均以获得统计意义上总体稳健的均值。故根据PIV及BIV技术的原理,结合实验室实际情况搭建一个生成溃坝波的实验平台,通过同步器与电磁铁控制溃坝波生成的实验设计,提高溃坝波生成的同步性。多次实验重复测量的结果表明,实验结果具有足够的重复性和可靠性,满足取系综平均时的可重复性要求。（2）在将PIV及BIV技术测量的结果结合的过程中需将掺气区域与非掺气区域区分开来,因此本文提出基于人工智能的掺气区域智能识别方法,通过不同神经网络的综合比对,发现卷积神经网络的识别效果最好,识别准确率为99.78%。并基于MATLAB平台开发出相应的分析软件,大大降低人工识别的复杂性和时间损耗。（3）针对水平干河床下坝体瞬间全溃产生的溃坝波的运动过程,通过高速相机捕捉其演化过程全景,得到水位随时间的变化,并将其与理论解进行对比。结果表明溃坝初期闸门上游根据非线性浅水方程得到的理论解与实验结果有一定的偏差,偏差随着时间的推移而减小。通过对上游的流场特征分析,偏差来自于溃坝初始阶段垂向速度的存在以及水平速度沿垂线分布不均匀,这与浅水方程的基本假设不符。当时间逐渐推移,垂向速度会不断减小,水平速度分布逐渐均匀,理论解的偏差也随之减小。（4）结合PIV及BIV的技术,对水平干河床下坝体瞬间全溃产生的溃坝波砰击下游直墙的运动过程进行了精确测量。对溃坝波掺气运动的最大速度、砰击直墙过程的爬高速度、运动轨迹及速度分布、涡量分布、湍流强度分布等运动特征进行了分析。流场结果显示,溃坝波砰击直墙时,水体向上爬高后向上游进行反卷,反卷时水流主体包裹气体形成一个水气两相流旋涡,在爬高和反卷时直墙根部均存在一个运动方向相反,范围相对较小的低速旋涡。实验结果中两个方向的平均涡量相差约2倍,两个旋涡及水体反卷水舌触及上游来流所在位置湍流强度相对较高。

关键词： 哈达门沟金矿   流体包裹体   同位素   矿床成因  

摘要： 哈达门沟金矿床位于华北地台北缘的乌拉山-大青山金矿集区内,是内蒙古自治区境内规模最大的金矿床。该矿床自发现至今已有三十多年的历史,前人对哈达门沟金矿床也开展了大量的地质勘查和科学研究工作,但在该矿床的成矿流体特征及矿床成因等方面仍存在较大的争议。因此,本文通过野外调研和室内研究相结合的方式,主要利用岩石地球化学、同位素地质年代学、稳定同位素地球化学和流体包裹体显微测温等技术方法和手段,对哈达门沟金矿的岩浆岩特征、流体包裹体特征、成岩(矿)年代学、成矿物质及流体来源进行了较为系统的研究,并对矿床成因进行了初步的探讨,获得了以下主要结论:(1)哈达门沟金矿受东西向构造控制明显,矿脉多呈近EW向展布。矿石可分为石英脉型、钾长石-石英脉型和钾化-硅化蚀变岩型三种。矿石矿物以黄铁矿为主,硫化物总含量不超过5%,为贫硫化物型矿石。(2)大桦背岩体和沙德盖岩体均为高钾钙碱性系列、准铝质-弱过铝质的I型花岗岩;大桦背岩体中心相部分样品、岩体内部发育的伟晶岩脉与矿石的稀土元素特征相似,均为右倾型,且都具有较为明显的Eu正异常。(3)锆石U-Pb年代学研究表明,大桦背岩体的侵位时间(360～350Ma)和沙德盖岩体的侵位时间(235～220Ma)与区内金矿化事件发生的时间相近,同时矿体与上述岩体的最近距离均不超过5km,表明大桦背岩体和印支期的岩浆活动与金矿的形成具有一定的成因联系。(4)流体包裹体研究表明,大桦背岩体和矿石中流体包裹体的类型、均一温度和盐度的变化趋势、流体所属体系及包裹体中气液相组分均具有类似的特征,表明大桦背岩体和矿石的成岩成矿流体具有一定的相似性。(5)同位素研究表明,成矿流体以岩浆水为主,成矿物质具有壳幔混源的特征,与大桦背岩体具有壳源和幔源两者的混合特征相似,成矿与成岩可能具有同源性。(6)哈达门沟金矿床为典型的与(碱性)侵入体有关的金矿床,即IRGD型金矿床,该矿床的形成与海西期的大桦背岩体和印支期的岩浆活动关系密切,其可能的成矿机制为:岩浆结晶晚期出溶大量含矿流体→流体沿EW向构造运移并与围岩反映→物化条件改变→矿质沉淀并在有利位置形成矿床。矿床形成的最低深度为3.94km。

关键词： 内壁激光增材制造   粉流运动行为   熔池热行为   凝固行为   表面张力  

摘要： 内部加固筒形构件在航空航天、船舶、电力、海洋工程等难加工高端装备中得到广泛应用。但其内部空间狭小,加工环境受到约束,传统工艺难以实现筒形构件高质量内部加固,限制筒形构件应用。针对上述加工难点,引进内壁激光增材制造(Laser Inside Additive Manufacturing,LIAM)技术,突破内壁加工环境约束条件且实现在构件内壁进行复杂结构一体成形,为筒形构件内部高质量成形加固提供新途径。本文系统研究多尺度内壁激光增材物理过程,揭示粉体/激光热质耦合、激光/熔池热质输运及凝固行为作用机制。针对筒形构件内部粉体运动轨迹及温度分布难以监测的问题,基于计算流体动力学,构建了激光/粉体热质耦合物理模型,研究了平基板与筒壁基板及载气速度对粉体流动汇聚行为及温度分布影响机制。结果表明,粉体运动轨迹呈收敛形分布,分环形区、汇聚区和发散区,汇聚区位于同轴喷嘴下方12.5-16.5 mm处。随载气速度由1.75 m/s增至4 m/s,平基板上方粉体浓度由8.0 kg/m减至2.4 kg/m,筒壁基板上方粉体浓度由9.7 kg/m减至2.5 kg/m。因筒壁基板较平基板具有更小的曲率,故筒壁基板能造成更高激光反射强度,筒壁基板在载气速度为1.75 m/s时,其最高温度为1803 K,而平基板仅为1514 K。针对筒形构件内壁处熔池难以动态实时监测的问题,基于高斯移动热源轨迹规划,构建了内壁激光增材制造熔池热行为、凝固行为及生长模型。研究了不同扫描速度对熔池形貌演化及熔池温度分布的影响规律,揭示了扫描速度对熔池热物理特征及组织凝固行为的影响规律。结果表明,随着内壁激光熔覆进行,熔池长度、宽度、深度方向尺寸在150 ms后逐渐趋于稳定状态,熔池温度分布无明显变化。熔池边界和熔池中心温度梯度G分别从4.975×10K/m减至5.5×10 K/m。而熔池底部和熔池顶部凝固生长速率由2×10 m/s增至0.014 m/s。由于熔池底部至顶部的G/R减小而G×R增大,进而熔池微观组织形态由平面前沿向柱状晶和等轴晶过渡,且其组织尺寸逐渐减小。针对筒形构件内部加固高质量成形调控挑战,探究了熔池内部金属液体流动行为对成形质量的影响机制。基于内壁激光增材制造熔池热行为物理模型,构建了内壁激光增材制造熔池非等温流动模型,研究了非等温流场对熔池热行为及形貌的影响规律,研究了熔池演化过程马兰戈尼流运动行为和扫描速度对熔池形貌、稀释率及流场分布的影响规律。结果表明,激光增材制造溶体形成初期,熔池内Peclet数小于5,热传导在热传递中起主导作用;随着熔池内马兰戈尼对流强度增强,Peclet数大于100,热对流为熔池内主要传热机制;进一步增加激光扫描速度,减少了单位时间内进入溶池内的粉体量,熔池高度由0.95 mm降至0.2mm。因单位时间内基板吸收能减少,沿增材制造方向最高熔池温度由2600 K降至2200 K。未考虑热流场时,熔池深度方向尺寸较大,反之则获得更平坦且更宽的成形熔池。

关键词： 电弧光谱   电弧收缩   温度场   焊接熔池   表面张力  

摘要： 活性钨极氩弧焊(A-TIG)是一种特殊的TIG焊接方法,该方法具有大幅增加焊缝熔深、提高生产效率、改善焊缝成形的突出优势。在工业生产中拥有广阔的应用前景,但当前对于熔深增加机理缺乏统一认识,限制了其在工业领域中的进一步应用。目前科研工作者对熔深增加机理普遍所接受的理论为:电弧收缩理论和表面张力改变理论,但研究结果却存在很大差异。电弧收缩理论主要通过电弧形态和数值模拟来研究,研究结果受实验设备和模型假设的影响,导致形成的结论差异较大;表面张力改变理论主要通过数值模拟和示踪粒子法研究,模拟结果受模型假设的影响,与实际焊接条件差距过大,示踪粒子法用于判断熔池金属的流动模式,不能获取熔池表面张力数据,导致认识不清熔池金属表面张力的变化规律;并且现有的研究没有将电弧和熔池热物理行为有机的统一起来,从而使A-TIG焊熔深增加机理尚未形成统一认识。首先搭建了电弧空域光谱、电弧形貌及电信号、熔池表面温度和熔池振荡测量系统,实现了电弧光谱、电弧形貌及电信号、熔池表面温度和激光视觉熔池振荡频率信息的采集,研究了不同活性剂对TIG焊电弧和熔池热物理行为的影响。其次利用电弧空域光谱和电弧形貌及电信号采集系统,研究不同活性剂对TIG电弧空域光谱特征及电弧温度场的影响。研究结果表明:Ti O并不会对TIG焊电弧行为和电弧温度场产生明显的影响;BO、Si O焊接时能够进入电弧空间,并引起电弧电压升高和电弧收缩现象;BO、Si O引起的电弧收缩对整个电弧电子温度场的影响不大。氯化物活性粒子(NaⅡ)布满电弧空间;使电弧形貌发生收缩,电弧电压升高;电弧收缩引起电弧温度场集中,使阴极区附近、弧柱区附近及阳极区附近的电弧电子温度大幅上升。氟化物活性粒子(AlⅠ、MgⅡ、CaⅡ)布满整个电弧空间,电弧电压均升高,但未使电弧形貌发生收缩现象;氟化物活性剂均增加电弧阳极区附近的电弧电子温度,温度增加的幅度与活性剂在熔池表面的热解离及带电粒子复合时释放的电离能有关。第三利用红外测温系统,研究不同活性剂对TIG焊熔池表面温度的影响。研究结果表明:氧化物活性剂均使熔池表面整体温度发生下降;BO和Si O作用下的熔池表面温度梯度明显减小,Ti O作用下的温度梯度略有增加,对熔池表面温度场的影响较大。Na Cl活性剂使熔池表面整体温度发生略微下降;Na Cl作用下的熔池表面温度梯度基本无变化,对熔池表面温度场的影响较小。碱金属氟化物(NaAl F)活性剂使熔池表面整体温度和温度梯度都明显减小;碱土金属氟化物(Mg F、Ca F)活性剂使熔池表面整体温度和温度梯度增加,对熔池温度场存在一定影响。最后利用熔池振荡原理建立的表面张力测量系统,研究不同活性剂对TIG焊熔池表面张力及熔深增加机理的影响。研究结果表明:氧化物活性剂使不锈钢TIG焊熔池平均表面张力温度梯度系数由负变正;氯化物活性剂未改变熔池平均表面张力温度梯度系数;氟化物活性剂能够使熔池平均表面张力温度梯度系数存在两种状态,当熔池表面平均温度较低时,熔池平均表面张力温度梯度系数为负,当熔池表面平均温度较高时,熔池平均表面张力温度梯度系数为正。结合电弧温度场变化特征、熔池表面温度场变化特征,发现三种不同类型活性剂对熔深增加的机理各不相同:氧化物活性剂增加熔深的主要原因是熔池表面张力温度梯度的改变;氯化物活性剂增加熔深的主要原因是电弧收缩;氟化物活性剂增加熔深的主要原因是氟化物活性剂能够引起电弧和熔池温度升高,降低熔池表面张力绝对值,促使熔池金属流速增加,而不是电弧收缩。