关键词： 电弧增材制造   热变形   路径优化   同步冷却   无支撑结构  

摘要： 近年来随着我国在航天、航空、船舶、汽车等制造领域的高速发展,大型化、轻量化、复杂化的金属构件正受到广泛应用。与传统制造工艺相比,电弧增材制造技术具有生产效率高,加工成本低以及成型性能良好等特点。本课题针对H13热作模具钢电弧增材制造过程中的成形过程与变形问题展开研究,提出路径优化与同步水冷的变形缓解措施,并使用固有应变理论分析变形产生与缓解的机理,为大型结构件变形缓解的工程应用提供理论依据。采用实验方法研究H13模具钢电弧增材制造过程中不同的扫描路径对构件温度场与变形的影响。制备了顺序路径、对称路径、In-Out路径与Out-In路径四种扫描方式沉积的块体构件,研究结果表明电弧增材制造过程中,不同扫描模式下增材制造构件的温度有显著差别。Out-In扫描模式下基板中心有最高的峰值温度,顺序扫描模式下温度变化最为剧烈。采用Out-In与In-Out扫描路径,基板中心区域熔敷道有缓解变形作用;顺序扫描与对称扫描模式进行沉积时,随着温度梯度的增加,构件积累变形量逐渐增加。采取Out-In模式扫描方案对应的变形量最小,为20.38 mm,相比于顺序扫描下降了68.6%。其原因为其主要原因为:(1)Out-In扫描模式下基板温度场呈对称分布,有利于热量朝多个方向散失进而降低基板的温差△T;(2)Out-In扫描模式横向熔敷道的存在导致基板对中性轴(即x轴)的惯性矩增加,进而增加了结构的弯曲刚度,提高了抗变形能力。以水冷卡具、变功率水泵、恒温水箱为主体搭建了同步水冷系统,通过改变冷却水流量、水温等冷却条件,研究了同步水冷技术对电弧增材制造薄壁件成型精度、成型速率与挠曲变形的影响。研究结果表明,与空冷相比,使用25℃的常温水对WAAM过程进行冷却可以节省83%的制造时间,最大可以缓解83%的挠曲变形。在此基础上,采用电弧增材制造方法制备含有内部流道的金属构件。研究了无支撑水平薄壁的宏观尺寸与沉积工艺参数与焊枪倾角之间的关系,随着热输入的增加壁厚逐渐增加;随着焊枪倾斜角的增加,电弧力在重力方向的分力变大,薄壁自身的自支撑作用不足以平衡竖直方向的合力而发生流淌。WAAM技术可以胜任含有随形流道的零件的制造,但受限于电弧增材制造单条焊道尺寸,使用WAAM技术制造零件在制备过程中需要考虑中间和后续的精加工过程,需要留出足够的加工余量由于后续的铣削等机加工操作。

关键词： 电弧增材制造   熔池检测   工艺参数   模型辨识   模糊PID控制  

摘要： 电弧增材制造是根据逐层沉积原理,以电弧热熔化金属丝材,在软件程序的控制下,根据三维数字模型,由线—面—体逐渐成形金属构件的先进数字化制造技术。与传统铸锻件相比,其无需模具、效率高、成本低、生产周期短,具有原位复合制造及修复能力,制造出的金属构件成分均匀、力学性能好,能解决大型金属构件铸造过程中成分偏析、工艺复杂、费用高昂等问题,但电弧增材制造的过程受到多种因素的干扰,熔池尺寸难以保持均匀一致、成形精度低,且现存的熔池检测方法依赖经验参数、过程繁琐、准确率低、识别时间较长,基于上述两个问题,本文对熔池尺寸进行了实时检测并形成反馈控制系统。首先,使用Res Net50网络提取熔池特征,从而对熔池图像特征进行泛化,摆脱对经验参数的依赖;再添加Point Rend神经网络模块,减少熔池检测所需时间;用边缘夹角附加损失函数代替Softmax函数,使网络提取到的特征具有更强的可分性;实验结果表明在有熔滴遮挡和无熔滴遮挡时都能取得满意的检测效果,对熔池检测宽度和实测宽度进行对比,绝对误差最大为0.36mm,平均值为0.18mm,误差较小,但检测速度慢,每秒只能检测10帧图像。其次,为了提高检测速度,设计一种新的熔池形貌检测算法,选择一种一级网络,使用GIoU损失函数代替IoU提高熔池检测的准确性,并将卷积层和BN层合并提高熔池检测的实时性能,通过消融实验验证算法的有效性;最后通过可视化分析将熔池检测宽度和实测宽度进行对比,绝对误差最大值为0.39mm,平均值为0.2mm,误差较小在可接受的范围内,检测速度可达每秒191.9帧图像。再次,进行多层单道试验对影响熔池宽度的工艺参数进行分析,熔池宽度随着堆积电流的增加而增大,随着焊接速度和激光功率的增大而减小,基于堆积电流和熔池宽度有良好的线性关系并且易于调控,选择堆积电流作为调控熔池宽度的单一参数;进行电流阶跃响应试验,辨识了以堆积电流为输入、熔池宽度变化为输出的传递函数,设计了模糊PID控制系统,熔池定宽度、变宽度、变焊接速度控制试验表明控制系统的必要性和有效性。最后,使用基于GIoU和CONV＿BN轻量级熔池形貌检测方法对熔覆艉轴架时的熔池尺寸进行检测,在熔池检测宽度与设定值存在误差时,使用模糊PID控制器,对电弧增材制造时的堆积电流进行调节,结果表明艉轴架的最大尺寸偏差为0.4mm,满足项目指标偏差在1mm的范围内,成形精度高、表面质量好,无裂纹、气泡等缺陷。

关键词： 电弧熔丝   固态相变   残余应力   锤击处理   有限元分析  

摘要： 电弧熔丝增材被广泛应用于热锻模具修复和制造中,其残余应力的分布状态严重影响增材的成败以及模具服役过程中的尺寸可靠性。由于实验手段难以获得残余应力的分布情况,有限元数值模拟技术能全维度的显示残余应力场的分布。但对于铁基合金堆焊而言,如RMD248药芯焊丝堆焊在45号钢基体上,堆焊过程中发生的固态相变会对残余应力的演变和分布产生显著的影响,而采用传统的材料模型会对有限元计算带来较大的误差。因此,为了研究固态相变对电弧熔丝增材残余应力的影响,基于MARC软件开展了考虑固态相变的电弧熔丝增材有限元模拟。本文研究的主要内容如下:(1)探讨了固态相变引起的体积变化、屈服强度变化和相变塑性对残余应力的影响,为分析固态相变对电弧熔丝增材残余应力的影响奠定基础。结果表明:体积变化和屈服强度变化对最终残余应力的影响较大,相变塑性对最终应力有下降的趋势,具有一定的“松弛”效应。(2)本文以RMD248药芯焊丝堆焊在45号钢基体上为研究对象,基于有限元软件MARC,建立了考虑固态相变的温度-组织-应力多场耦合有限元模型,模拟了单层单道和单层多道电弧熔丝增材的温度、组织和残余应力分布。开展了电弧熔丝增材实验,观察了堆焊的组织分布并测量了硬度,验证了组织计算的准确性。采用X射线衍射法测量了堆焊的残余应力,通过实验值和模拟值对比,验证了所建模型的有效性。(3)单层单道电弧熔丝增材研究结果表明:材料不同位置所经历的峰值温度、冷却速率和热循环时间先后不一致;堆焊层主要发生马氏体相变,热影响区主要发生铁素体和珠光体相变,基体不发生固态相变;相比不考虑固态相变,考虑固态相变的横向和纵向残余应力的峰值应力明显高于原始组织的屈服强度,同时,电弧熔丝增材整体结构的端部和中部的残余应力分布更加均匀,特别是对于横向残余应力而言,产生的固态相变减小了端部效应。(4)单层多道电弧熔丝增材研究结果表明:后续堆焊对前续堆焊的温度和组织的演变及残余应力的分布有显著影响;整体而言,后续堆焊增加了贝氏体转变温度停留的时间,促使马氏体相变含量降低;考虑固态相变的堆焊层存在更多拉压相间的应力分布区域,同时,减弱了后续堆焊对前续堆焊残余应力的消除和再分配效果。(5)开展了考虑固态相变的电弧熔丝增材过程中单层单道随焊锤击模拟,发现不同锤击介入温度对应的组织不一致。锤击处理在中温时,对应的组织大部分为奥氏体,锤击处理效果最好;模拟分析了不同锤击载荷的锤击处理效果,结果表明,随着锤击载荷的增大,锤击处理效果先增大后减小。

关键词： 增材制造   高氮钢   疲劳性能   各向异性  

摘要： 高氮钢材料具有较高的强度与耐腐蚀性,在军事装备、海洋工程、化学工业等领域有广泛应用,采用等离子电弧增材制造技术能够定制出结构复杂的高氮钢零件,但是其不同取样方向样品的力学性能存在各向异性,力学性能各向异性大大限制了增材高氮钢零件的应用。本文采用等离子电弧增材制造技术制备出含氮量0.8%的高氮钢块体并对所得块体的力学性能进行了深入研究。通过试验确定了电弧增材制造高氮钢的工艺参数:电流130A,电弧行进速度2.5m/min,送丝速度0.6m/min,搭接率为60%,增材路径为层层正交,依照该参数进行Cr-Mn高氮钢增材块体的堆积。分别进行电弧扫描方向SD(scanning direction)、扫描方向45°夹角方向45°(45°of scanning direction)与增材堆积方向BD(building direction)三个方向样品的拉伸、冲击与疲劳试验,研究增材体的力学性能各向异性,并结合组织分析试验对各向异性现象做出解释。SD与45°样品的抗拉强度分别为1048MPa、1029MPa相差不大,BD样品的抗拉强度956MPa,明显低于SD与45°样品,SD样品的冲击韧性为36.5 J/cm2优于BD样品的冲击韧性27.5 J/cm2。通过EBSD分析发现增材块体的晶粒为贯穿熔合线生长的粗大柱状晶,存在明显的(100)择优取向。分析表明,晶粒(100)择优取向导致了增材体在SD方向具有较好的拉伸性能与冲击韧性,同时样品内部的孔洞缺陷也在一定程度上降低了BD样品的拉伸性能与冲击韧性。45°样品高周应力疲劳寿命与低周应变疲劳寿命均优于SD样品,得到45°样品的疲劳极限强度为200MPa,SD样品的疲劳极限强度为175MPa。组织分析发现45°样品在疲劳过程中表面形成的滑移带更加密集,萌生的疲劳裂纹更多,且裂纹扩展路径更加曲折,大量裂纹与裂纹的曲折扩展会吸收较多能量,从而提高45°样品的疲劳寿命。同时SD样品内部未融合孔洞、夹杂等缺陷较多,会降低其疲劳性能。

关键词： CMT电弧增材制造   TC4钛合金   超声振动   微观组织   力学性能  

摘要： TC4钛合金因其比强度高、抗疲劳和耐腐蚀性能优异以及高温性能良好而被广泛应用于航空航天等行业。目前对于结构复杂的大型TC4金属构件仍然是采用传统减材方法制造,这造成了材料浪费、成本增加和制造周期延长等问题。基于冷金属过渡技术（Cold metal transfer,CMT）的电弧增材制造可以有效解决这一问题。本文以TC4钛合金为研究对象,采用高频超声对电弧增材制造过程施加辅助,从而消除由柱状晶造成的力学性能各向异性。通过对超声振动辅助后的CMT电弧增材制造TC4钛合金微观组织演化规律和力学性能进行了研究,得出以下研究结果:1.当超声振幅为50μm,送丝速度为5.3 m/min,焊接速度为0.48 m/min时,获得了全等轴β晶粒,成形和层间结合都得到显著改善。振动态试样微观组织与沉积态试样并无明显的差别,都是由网篮组织、魏氏组织以及针状马氏体α?相构成。结果表明超声辅助并不会影响钛合金的固态转变。2.施加超声后,β晶界以及晶粒内部的α片层存在断裂现象,断裂处被其它α片层穿过。热处理后的振动态试样的EDS和TEM结果显示β相中V元素富集,说明热处理过程中V元素优先向β相中扩散。在ST2（870℃/1h,FC,600℃/2h,AC）热处理条件下,网篮组织和集束组织的α片层宽度相较于ST1（800℃,2h/AC）宽度分别粗化了22.7%和12.9%。热处理后（0002）α和（110）β峰高逐渐增加。3.沉积态和振动态试样断口形貌均表现为韧性+脆性混合断裂模式。沉积态试样力学性能存在明显各向异性,抗拉强度UTS 45°>UTS 0°>UTS 90°（IPA=2.6）,延伸率EL 90°>EL 45°>EL 0°（IPA=24.7）。振动态试样抗拉强度相较于沉积态提高了4.6%。固溶处理后试样各向异性进一步降低,其中ST2试样各向异性值最低(IPAUTS=0.4,IPAEL=8.2)。4.不同载荷下沉积态和热处理前后振动态试样纳米压痕测试结果表明,热处理后的振动态试样内部组织变得更加均匀,ST2试样硬度相较于沉积态和振动态分别下降了5.2%和8.2%。晶界数量的增多使得位错运动阻力随之增加,导致振动态试样的硬度略大于沉积态。

关键词： 5556铝合金   电弧增材制造   冷金属过渡焊接   组织和性能   数值模拟  

摘要： 增材制造是将计算机、材料科学组合在一起,通过逐层堆积制造出实体的技术。铝合金增材制造技术,具有能制作出多种形状的铝合金零件、成形效率高、成本低等优点,常用于航空,船舶等,在常规行业的应用也相对广泛。ER5556铝合金焊丝是5系现有焊丝中强度较高的一种,机械性能优良,而且具备耐腐蚀性能,所以特别适合增材打印。目前国内外针对5556铝合金冷金属过渡焊电弧增材制造技术的研究报道较少。本文通过以CMT电弧为热源的增材制造设备,用直径为1.2mm的ER5556铝合金焊丝进行增材实验,以单层单道工艺为基础,重点研究多层单道增材件的成形特性及其组织和性能,设计正交实验来确定最优工艺参数,并对5556铝合金电弧增材过程进行数值模拟分析。结果表明,随着焊接电流和层间停留时间的增加及焊接速度的减小,多层单道增材件的成形尺寸增大。减小焊接电流、增大焊接速度,可以使多层单道增材件的组织晶粒细小且分布较均匀;加大气体流量有利于组织均匀,减小层间停留时间会导致晶粒粗大。多层单道增材件的最大横向抗拉强度为382.1MPa,室温平均冲击吸收功约为26J,均优于ER5556焊丝,拉伸和冲击断口均为塑性断裂;平均显微硬度值约为125HV;5556铝合金增材件的耐腐蚀性能较优。模拟得到的增材件熔深与金相测得的熔深以及模拟温度场与实际测量温度吻合度均较好,证明了所建立的热源模型准确和数值模拟结果可靠,能够用于确定增材工艺参数,更好地控制增材过程,有利于得到成形和性能优异的增材试样。本实验以横向抗拉强度最高为标准,得到最优工艺参数为:焊接电流90A、焊接速度700mm/min、气体流量22.5L/min和层间停留时间5min。

关键词： 三维扫描   逆向建模   电弧增材制造   破损零件   修复  

摘要： 在目前的经济社会中,有很多的产品仅仅是因为零件的局部破损而导致了整体的失效,这类产品若直接报废,则会导致资源产生很大的浪费,同时对环境也产生极大的破坏,因此需要研究如何将这些产品进行修复,使其恢复工作能力,这对经济发展具有极其重要的意义。逆向工程技术能够快速获取物体的三维数字化模型,3D打印技术能够实现物体的快速成型,且成型过程中材料浪费极少。因此,本文将逆向工程与3D打印技术加以结合,开展破损零件修复的研究工作,将局部有破损或磨损的零件加以修复,使其恢复正常工作能力。基于此,本文对逆向工程与3D打印技术的结合应用进行研究,系统论述了其主要技术原理与软硬件组成,然后选取了茶叶罐盖子与空气泵上机体两款物体以验证逆向工程技术高精度与高复杂程度效果的可实现性。在此基础上,对一款由于局部破损而失效的涡旋盘进行修复研究,使用喷涂显影剂法消除其表面高光,然后进行三维扫描获取其表面三维点云数据,并在逆向工程软件中进行预处理、逆向建模以及精度分析等工作,获得破损涡旋盘的完整三维模型。最后,基于该涡旋盘的组成材质,采用3D打印技术中的电弧增材制造技术对涡旋盘进行修复成型,并配合后期机加工实现破损涡旋盘的最终修复。这套完整的技术流程具有极高的技术可迁移性,对于未来这一领域的研究有着重大的参考价值。本文研究了基于逆向工程技术的破损零件实体模型的获取,并以3D打印技术为手段,结合所获取的三维模型规划修复路径,最终使得失效零件得以修复。相较于传统正向加工零件产品,通过逆向工程与3D打印技术修复零件所耗费的能量以及有害气体的排放量都大大减少,与绿色制造的理念相吻合,有助于更进一步提高产品循环利用效率。

关键词： 药芯焊丝   增材制造   电弧特性   熔池振荡   熔滴过渡  

摘要： 丝材电弧增材制造因具有沉积率高、材料利用率高等优点而成为增材制造技术的研究热点,并广泛应用于航天航空、船舶、工业制造等多个领域。丝材电弧增材制造目前的研究主要侧重于丝材电弧增材制造工艺探索、成形质量以及组织结构等,而较少研究关注丝材电弧增材制造过程中的电弧特性与熔池行为。基于此研究现状,本论文利用光谱检测与高速摄像技术对药芯焊丝脉冲TIG电弧增材制造过程中的电弧特性与熔池行为进行研究。利用光谱检测,分别采集了平行于和垂直于焊枪运动方向两个方向上的电弧光谱数据。对垂直于焊枪运动方向的电弧光谱数据进行分析,绘制电弧温度场分布图,计算电子密度变化情况,标记了药芯焊丝中特有成分Na元素在电弧中的分布范围。结果表明,增材过程中填丝未对电弧温度场造成较大影响,电弧比较稳定;温度越高电子密度值越大;根据Na元素在电弧空间的分布情况,推测药芯焊丝中的药粉成分也未对钨极造成沾染,药芯焊丝脉冲TIG电弧增材制造工艺是成功的。在平行于焊枪运动方向,观察到电弧呈倒“Y”形,电弧尾焰依附在增材薄壁件两侧。采用stark展宽法计算倒“Y”形电弧两侧尾焰的电子密度,发现该区域电弧处于临界状态,计算倒“Y”形电弧温度分布,根据计算结果推测存在一些区域不属于热力学临界状态,更不满足局部热力学平衡条件。利用高速摄像拍摄不同脉冲电流下的丝材熔滴过渡情况,选取电弧特征差异大的脉冲基值电流/脉冲峰值电流分别为50/100 A、50/190 A的图片进行分析。结果表明,在不同脉冲电流参数下均存在液桥与渣桥两种过渡模式,并且脉冲峰值电流越小,出现渣桥过渡的频率越高。当脉冲峰值电流变小,电弧面积减小,电弧更容易作用到熔滴侧下方而不是笼罩整个熔滴,熔滴侧下方蒸发的金属蒸气的反作用力推动熔滴沿着焊丝向上运动,出现渣桥过渡。统计分析表明,熔敷第一层与第十层熔池振荡本征频率分别为30 Hz与70 Hz左右,这是因为熔敷第一层与第十层时脉冲峰值电流与送丝速度不同,形成的熔池尺寸相差较大。根据不同层的振荡频率与成形件宽度,运用焊接条件下部分熔透的公式模型推出增材制造条件下熔池振荡本征频率计算公式。

关键词： 合金元素   超声冲击   热处理   冷金属过渡   增材制造   钛合金  

摘要： 钛合金增材制造技术在交通运输、航空航天和石油化工等领域应用广泛。但是,钛合金电弧增材制造时热积累形成柱状初生β相等问题限制了其应用范围。为此,开展钛合金电弧增材制造薄壁试件成形、组织演变及调控方法的研究,具有重要的理论意义和实际应用价值。 首先,开展了成形工艺参数优化试验,制备了TC4钛合金增材试件。研究了不同CMT（Cold Metal Transfer,简称CMT）模式对TC4钛合金增材试件热循环及组织演变的影响。为了保证增材过程的稳定性,对CMT增材制造过程中的电流电压波形、电弧形态和热量输入等进行了分析。 其次,通过添加合金元素的方式细化钛合金增材试件微观组织中柱状的初生β相,进而改善TC4钛合金试件的组织和性能。在Nb粉末添加试样中,（β-Ti,Nb）相在Tdiss–Tβ温度区间且冷却速度Rc≤25°C/s时形成,其促进的固溶强化对优化试样的拉伸性能起主导作用。在Mo Si2粉末添加条件下,获得了微量（β-Ti,Nb）相和Si O2颗粒。在多次热循环中抑制了部分prior-β→α’相变过程。 再次,开展了超声冲击处理对钛合金增材试件晶粒细化的研究。该方式使焊缝的表面无明显的塑性变形,但对晶粒细化有明显的作用。柱状初生β相的长度和宽度的比率由15.6变为6.2,次生α相的平均长度由33μm变为14μm。其反应的温度区间为α’马氏体分解温度至液相线温度(Tdiss–TL)。超声冲击处理后试样各向异性百分率由6%降低到0.8%。 最后,进行了热处理对钛合金增材试件组织演变行为的研究,以期改善组织不均匀性并减少α’马氏体的数量。开展了保温时间和热处理温度对试件微观组织和性能的研究。探讨了热处理后TC4钛合金增材试件组织演变机理。采用超精密加工处理改善试件的成形精度,分析不同微观组织试件的可加工性能。 研究表明,利用CMT技术进行电弧增材制造试验,可以获得成形较好的TC4钛合金增材试件。Nb和Mo Si2添加可以作为异质形核质点有效细化初生β相。超声冲击处理可以通过机械振动效应在细化初生β相的同时细化次生α相。热处理可以改善试件组织分布的均匀性并减少α’马氏体的数量。本文提出的方法均可对TC4钛合金增材试件组织进行调控,使其使用性能得到改善,其机理研究结果对于进一步改善TC4钛合金增材试件组织与性能提供了理论基础。