关键词： 电弧增材制造   桁架结构   成型工艺   路径规划   蚁群算法  

摘要： 随着航天、航空等领域的发展,对飞机、卫星等零件的结构和功能等特性提出了严格要求。桁架结构在结构功能一体化技术应用中表现出巨大潜力,它可作为多功能化的优良设计载体,实现承载、防热、隐身、变体等各项功能的有机融合。冷金属过渡技术(CMT)具有热输入量小、变形小、无飞溅、搭桥能力好、焊缝均匀一致、焊接速度高、运行成本低等优点。将CMT焊接工艺与弧焊机器人技术相结合,采用一种基于冷金属过渡的逐点添加空间桁架结构增材制造成型方法对桁架结构进行堆积。本课题主要从桁架结构成型工艺和成型路径两方面进行研究。首先,对桁架立柱进行工艺参数成型试验,获取桁架结构成型的最优工艺参数范围。在此基础上,焊枪以垂直基板的方向对不同倾斜角度的立柱进行堆积,倾斜角度为45°的立柱出现明显的下塌现象。针对桁架立柱的下塌问题,建立受力分析及数学模型,该模型可以准确计算出不同倾斜角度立柱对应的焊枪姿态,进而控制桁架立柱的受力情况。针对复杂桁架结构的成型问题,提出了桁架结构交叉部位成型策略,该成型策略可以合理规划焊枪姿态和成型路径次序,保证桁架结构成型件的成型尺寸和成型质量。面对多分支结构汇聚到一点的焊枪堆积顺序问题,提出多分支结构成型策略,该成型策略能够使其汇聚点连接牢固,不会出现间隙等缺陷。然后,针对焊枪轮廓与桁架结构的碰撞现象,采用圆柱体包围盒法简化焊枪和桁架立柱的三维模型,建立圆柱体碰撞模型。该模型可以有效检测出圆柱体是否相交,进而判断出焊枪与立柱是否产生碰撞。若发生碰撞,则把焊枪抽象成是由九条直线段构成的长方体与圆柱体相交,通过直线段与圆柱体相交求解的方法计算焊枪与桁架立柱的干涉尺寸,利用余弦定理获得机器人避障策略角Δβ。利用三维空间蚁群算法对桁架结构成型路径进行优化,对空间蚁群算法的信息素更新原则、启发式函数和搜索模式进行设计和改进,该算法具有较强的搜索能力,提高路径规划效率。最后,通过堆积部分典型的桁架结构进行试验验证,试验结果表明:桁架结构受力分析及数学模型和桁架交叉口成型策略能够有效控制成型件的形状尺寸,使尺寸误差在2mm以内。焊枪与桁架结构的碰撞模型和空间蚁群算法可以避免焊枪与立柱产生碰撞现象,提高成型路径规划效率,保证了成型件的成型质量。

关键词： 电弧增材制造   切削机器人   复合铣削加工   机器人动力学   表面粗糙度  

摘要： 近几年,电弧增材制造取得了十足发展,在船舶、航空航天、汽车制造等领域均有了大量的应用,随着国内外制造业的发展,对增材制造的零件的要求也越来越高。但是仅依靠电弧增材一种工艺难以确保成形零件的表面粗糙度达到要求,限制了其应用和发展。本文针对电弧增材制造成形件外表面存在的缺陷层,利用铣削机器人对其进行切削去除,以提高零件表面质量。本文的主要研究工作如下:(1)分析了增材制造零件表面存在的缺陷,确定了零件的加工要求,制定了缺陷层去除的加工方案,根据现有的切削加工设备,选择切削刀具和刀柄,建立机器人铣削加工系统,初步确定了加工工艺参数的范围。(2)为了获取机器人铣削加工路径,采用离线编程的方式,针对加工要求编写RAPID程序,通过轨迹仿真、关节轴配置以及碰撞检测之后确保程序的可行性,得到面向不同刀具的多种铣削加工路径,将RAPID程序导入机器人控制器后能够用于铣削加工。(3)为了使机器人在铣削过程中处于最优工作状态以提高铣削加工效率,建立铣削力模型并进行了铣削功率的校核,求解不同铣削力作用在机器人末端的力和力矩,利用牛顿-欧拉方程建立了铣削机器人动力学模型,运用逆动力学反向求解了不同路径下机器人关节力矩随时间的变化情况,确定了对机器人关节力矩影响最小的铣削加工路径,最后,为避免在铣削过程中发生共振现象,对铣削机器人进行模态分析,得到机器人的固有频率。(4)以获取在不同的加工路径下的机器人铣削最优工艺参数为目的,针对主轴转速、每齿进给量、切削深度和切削宽度四个因素分别进行单因素试验和正交试验,探究不同工艺参数对零件表面质量的综合影响,从而确定在不同加工路径下,使用不同的刀具对缺陷层去除之后零件表面质量最佳的铣削工艺参数组合。通过本文工作,确定了使用铣削机器人对增材制造零件表面缺陷层去除的加工路径和工艺参数,对提高增材制造零件的表面粗糙度和表面质量具有重要的意义与实际价值。

关键词： 旋耕刀具   电弧增材再制造   粉芯丝材   耐磨性   CeO2颗粒   WC颗粒  

摘要： “再制造”是以废旧产品性能跨越式提升为目标,以先进技术和产业化生产为手段,来修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。目前,我国再制造技术主要应用于汽车、工程机械、矿山机械等领域,然而在农机装备领域还基本是空白,使得每年大量退役或报废的农业机械及其零部件没有得到合理的再利用,造成资源的极大浪费和环境的污染,因此,农机装备再制造是推动农机行业转型升级、实现绿色发展的重要途径。本文以耕作机械的关键零部件——旋耕刀具为对象,以电弧增材再制造为手段,以改变具有“皮包粉”结构粉芯丝材的粉芯成分为改性途径,开展损伤旋耕刀具丝材增材再制造特性与耐磨改性研究,旨在为研制具有良好性能的增材再制造用粉芯丝材,推进旋耕刀具及其他农业机械的再制造提供理论依据和技术支撑。本文完成的主要工作和取得的成果如下。(1)旋耕刀具电弧增材再制造成形工艺过程的研究。构建了电弧增材再制造三维瞬态有限元模型,并对该模型进行实验验证,基于验证后的模型,以应力、变形和熔深为优化目标对成形工艺参数进行了正交优化;在单道多层的电弧增材再制造条件下,通过温度场、应力场分析探求最优电弧扫描路径以及温度、应力应变变化规律。研究结果表明:较优成形工艺参数为电压为16V、电流为180A、速度为2mm/s;在单道多层电弧增材再制造条件下,“来回型”电弧扫描路径优于“之字型”电弧扫描路径;采用较优工艺参数、“来回型”电弧扫描路径分析了电弧增材再制造熔覆层温度、应力应变的变化规律,为开展电弧增材再制造实验提供了理论依据。(2)同成分不同种类丝材电弧增材再制造特性研究。以原65Mn基材为基础对比样、对比了市购实心丝材、市购药芯焊丝、自制粉芯丝材电弧增材再制造试样的宏观形貌、微观组织及其在干摩擦环境中不同载荷下的摩擦磨损行为,阐述粉芯丝材这一电弧增材再制造新材料的再制造特性。研究结果表明:粉芯丝材再制造试样其组织细小、均匀性好,其析出物或夹杂物数量少,组织中含有较多的Fe3C,表面硬度较高,在小载荷作用下(5N、10N)表现出较优的耐磨性,但在大载荷作用下(15N、20N)耐磨性变差。分析认为:粉芯丝材再制造试样基体较软,不足以支撑大载荷作用,故其在大载荷下耐磨性不够理想,可以通过添加功能颗粒改性等方法来进一步完善其性能,以满足大载荷作用的要求。(3)Ce O2p(氧化铈)改性粉芯丝材电弧增材再制造特性研究。以粉芯丝材再制造试样为基础对比样,对比了三种不同添加量(1%、2%、3%)Ce O2p改性粉芯丝材电弧增材再制造试样的宏观形貌、微观组织及其在干摩擦环境中不同载荷下的摩擦磨损行为,探讨稀土对再制造宏观形貌和微观组织及其耐磨性的影响。研究结果表明:添加稀土后,试样表面光滑平整,孔洞、焊渣等缺陷少,表面硬度都有所增加;大载荷(15N、20N)下都表现出良好的耐磨性,2%Ce O2p表现最优,其次是1%,再次是3%。分析认为:要充分发挥Ce O2p改性粉芯丝材性能,需对稀土添加量进行控制,适量添加稀土可以细化晶粒,降低残余奥氏体含量,提高硬度,从而提高耐磨性。(4)WCp(碳化钨)改性粉芯丝材电弧增材再制造特性研究。以粉芯丝材再制造试样为基础对比样,对比了三种不同添加量(3%、6%、9%)纳米WCp改性粉芯丝材电弧增材再制造试样的宏观形貌、微观组织及其在干摩擦环境中不同载荷下的摩擦磨损行为,探讨了陶瓷颗粒对再制造宏观形貌和微观组织以及其耐磨性的影响。研究结果表明:添加WCp后,试样表面光滑、尺寸均匀,表面硬度增加了40%-67%,6%试样为最好;其耐磨性改善与硬度增加呈现出一致的规律,表明硬度是WCp改善耐磨性的主要因素之一。分析认为:在添加纳米WCp进行粉芯丝材改性时,要注意添加量的多少,添加过量的纳米WCp会造成纳米粉体的团聚现象,不利于强化效果的发挥,WCp合适的添加量使得其弥散强化效果较好,试样整体强度较高,表面硬度增加,耐磨性得到改善。综上所述,本文采用改性粉芯丝材电弧增材再制造的方法,进行损伤旋耕刀具的再制造修复,具有较好的工程适应性和应用前景,采用该技术所制备的试样,表现出很好的耐磨损性能,能够较好地满足损伤旋耕刀具再制造修复后的性能及使用要求。

关键词： 电弧增材制造   铝合金   光谱分析   质量检测   机器学习  

摘要： 在航空航天领域,中大尺寸铝合金构件的电弧增材制造质量控制至关重要,如何高效、准确地完成质量检测一直是研究的重点。光谱作为电弧等离子体伴生现象之一,包含丰富的电弧信息,与成形质量相关。因此,本文以电弧等离子体为主要研究对象,探索增材制造中电弧光谱及图像的变化规律,分析光谱与成形质量的内在联系。并在此基础上,利用机器学习算法分别建立缺陷识别模型和成形尺寸预测模型。 首先,利用自主设计的光谱同步采集装置,在机器人增材平台上搭建了电弧光谱及图像采集系统。设计并进行了以5A06为基板材料、5356焊丝为填充金属的铝合金增材工艺探索试验,绘制了成形工艺窗口,并分析了直壁件高度不一致的原因并提出了优化方案。结果发现,首层工艺参数在沉积电流大于120A、移动速度小于0.5 m/min时,可以获得良好成形形貌。 其次,选择ArⅠ727.29 nm、MgⅠ517.26 nm、HⅠ656.27 nm三条谱线,探究不同工艺参数下增材制造全过程的光谱变化规律。对电弧图像的研究发现,电弧形貌受沉积电流、沉积位置影响,且随交流电流变化而周期性波动。在分析电弧光谱与成形质量的相关性时,发现MgⅠ谱线对成形缺陷（高度不一致）最敏感,不同缺陷的光谱表达形式不同。通过人为引入污染探索了铝合金增材过程中气孔的产生规律,发现独特的倒V型电弧形貌降低了铝合金对气孔的敏感性。 最后,以全部光谱为样本数据,成形缺陷、成形宽度为标签,分别建立了用于缺陷诊断的分类模型和成形宽度预测模型,并比较了K近邻、深层神经网络和卷积神经网络模型的优劣。分类模型对送丝异常、成形高度降低、正常增材制造状态的分类准确率达97%以上。而有无气孔缺陷的分类准确率最优仅为80%。成形宽度预测模型的拟合优度R2达0.95以上,最优模型的宽度误差在0.2 mm以内。在完成训练的模型中,单个样本的预测耗时控制在1 ms左右。

关键词： 机械约束辅助   水下湿法焊接   增材修复   电弧稳定性  

摘要： 近年来,我国对于海洋资源日趋重视,海洋工程结构日渐增多,故而水下结构的修复问题也愈发重要。本文针对水下湿法焊接技术在实际修复工作中存在的电弧稳定性差,组织淬硬,修复结构形式受尺寸限制问题,提出机械约束辅助水下湿法电弧增材修复方法。旨在通过辅助装置对电弧气泡演化行为进行调控,从而提高修复过程电弧稳定性。同时通过多层增材过程改善修复沉积层组织,最终达到提高水下修复质量并扩大修复适用范围的目的。首先对比研究了不同条件下多层增材过程与平板堆焊过程的电弧气泡演化行为,基于此研究在无孔机械约束装置的基础上设计有孔机械约束装置。研究表明,无孔机械约束辅助下两种过程的电弧稳定性相比于无装置条件都要有明显提升,但由于其多层增材过程电弧气泡演化行为比平板堆焊过程更不稳定,因此表现出了更差的电弧稳定性。为解决该问题,基于调控多层增材过程电弧气泡演化行为设计了有孔机械约束装置,在无孔机械约束装置的基础上进一步提升了电弧稳定性。结果表明,相比于无孔机械约束辅助,有孔机械约束辅助下的多层增材过程电压电流变异系数的倒数之和提升了20%,不稳定燃烧过程比例降低了67%,实现了水下湿法电弧增材修复过程更高的电弧稳定性。然后研究了工艺参数对沉积层成形及沉积过程电弧稳定性的影响。研究表明随着焊接电压的增加,沉积层宽度、高度逐渐增大,电弧稳定性先增大后减小,在焊接电压为32V时电弧稳定性最好;随着送丝速度的增加,沉积层的宽度和高度逐渐增大,电弧稳定性先增大后减小,在送丝速度为8.5m/min时电弧稳定性最好;随着焊接速度的增加,沉积层宽度和高度逐渐减小,电弧稳定性先增大后减小,在焊接速度为2.5mm/s时电弧稳定性最好。最后以增材墙体试样代表修复沉积层进行微观组织与力学性能研究。研究表明多层增材过程产生的热影响作用有助于修复沉积层组织塑性的提高:修复沉积层组织以多边形铁素体为主,母材热影响区组织以回火马氏体为主。后续沉积层对前道沉积层的热影响作用类似近处正火、远处回火作用;第二道沉积层对母材热影响区的热影响作用类似低温回火作用,该作用使得该区域最高硬度由309HV降低到了216HV。增材墙体试样纵向抗拉强度为433MPa,达到了母材实际抗拉强度的78.3%;其断后伸长率为10.8%,达到了母材实际伸长率的95.6%。其拉伸断口为典型的韧性断口,断口形貌主要为韧窝。最终进行了模拟修复试验,在水体环境中使用增材修复方法成功地连接了间距20mm的板材,证明该方法具有可行性且能够实现更大尺寸结构的修复。

关键词： AZ91镁合金   冷金属过渡   电弧增材制造   电弧摆动   力学性能  

摘要： 镁合金具有密度低、导热性好、抗冲击性好、比强度高、比刚度高和生物相容性好等特点,在汽车、军工、航空航天、生物医疗和3C行业等领域具有广阔的应用前景。电弧增材制造（wire arc additive manufacturing,WAAM）可以缩短复杂结构件制造周期,实现小批量快速制造。使用基于冷金属过渡（cold metal transfer,CMT）技术的WAAM方法进行镁合金零部件的制造,可以有效降低堆积过程中的熔滴飞溅,从而保证制造构件的成形稳定可控;同时,与传统电弧焊接方法相比,CMT焊接过程中的热输入相对较低,能够更好满足镁合金WAAM构件的控性要求。针对镁合金较差的焊接性、WAAM试样成形精度较低和单壁墙有效壁厚较小的问题,开展镁合金CMT-WAAM技术的研究,对于镁合金构件的制造以及产品的应用推广具有重要的理论意义和工程价值。 本文首先对AZ91镁合金CMT堆积过程中的电参数波形特征及熔滴过渡过程进行分析,结合镁合金材料属性以及熔滴受力情况,揭示了镁合金CMT电参数波形变化规律及熔滴过渡行为。其次,开展AZ91镁合金CMT-WAAM单壁墙成形试验,得出了工艺参数对试样成形的影响规律及工艺优化方案;对试样微观组织及力学性能进行测试分析,弄清了微观组织演变规律,并找出了影响单壁墙试样力学性能的主要因素。最后,将电弧摆动应用于AZ91镁合金CMT-WAAM中,研究并阐明了电弧摆动热作用对单壁墙试样成形、微观组织和力学性能的影响规律及作用机理。 研究结果表明,在镁合金CMT短路阶段引入短路脉冲,可以促进熔滴过渡中缩颈的形成,从而实现无飞溅的短路过渡过程;同时还可以改善焊缝表面均匀性。AZ91镁合金CMT增材制造单壁墙试样容易出现“S”形特征,堆积层宽度越大、上表面越平整,单壁墙试样成形质量越高;试样由α-Mg等轴晶基体和沿晶界分布的条纹状β-Mg17Al12构成;试样的抗拉强度为205.0 MPa～236.4 MPa,高于铸态AZ91镁合金的抗拉强度（160 MPa）,但略低于铸态+T4时效处理AZ91镁合金的抗拉强度（240 MPa）。引入电弧摆动后,单壁墙试样的有效壁厚从7.0mm提升至18.7 mm,有效使用率从84.2%提升至91.0%;α-Mg晶粒等轴晶特征更为明显,β-Mg17Al12相变得细小且弥散;电弧摆动可以有效提升试样的力学性能,试样的抗拉强度可以达到245.2 MPa～250.3 MPa,比未加入摆动的试样抗拉强度高出10%左右。

关键词： 电弧增材   驼峰效应   控制策略   成形尺寸   双丝电弧  

摘要： 社会的快速发展要求现代制造业能够提高制造效率,而提高熔敷速度是电弧增材制造领域提高制造效率最直接、快速的手段。熔敷效率随着熔敷速度的增加而提升,从而提高制造效率。但过高的熔敷速度会造成诸如咬边、驼峰等成形缺陷,因此提升熔敷效率的同时必须保证成形件的尺寸精度与成形质量。关于驼峰效应的研究普遍停留在单层焊道上,而电弧增材的特点在于多层熔敷,因此研究电弧增材多层熔敷过程中的驼峰效应形成机理及影响因素,探索高熔敷速度下驼峰效应的抑制方法,具有重要的研究意义和工程价值。本文基于福尼斯CMT工艺,研究电弧增材制造过程中驼峰效应的形成过程、形成机理,并提出有效的抑制方法。本研究旨在建立高速电弧增材制造过程中获得良好成形质量的工艺条件,提高电弧增材制造工艺的工程实际应用。 通过42组单道多层熔敷工艺试验制定了适用于多层熔敷中出现驼峰的判定标准,基于二分法思想确定了CMT工艺不同送丝速度下出现驼峰的熔敷速度临界值,依据7组熔敷速度临界值建立了预测驼峰现象的数学模型并进行试验验证。借助熔池图像采集系统,对比熔敷层驼峰出现前后熔池的变化及熔融金属流动的情况。工艺试验研究结果表明,熔池金属流动分布不均导致了驼峰的出现,熔池内部出现的狭窄金属流通道的冷却快慢以及积聚在熔池末端的熔融金属的回流速率是决定是否形成驼峰及其尺寸的关键。相同熔敷速度下,单道多层熔敷过程比单道单层焊道更易产生驼峰效应。 本文针对驼峰效应的重要影响因素制定了3种控制策略,并分析了不同控制策略对熔敷层成形尺寸的影响规律。研究结果表明通过提高保护气体中的活性气体比例可以降低熔融金属的表面张力,从而促进多层熔敷中熔池末端的熔融金属回流铺展,但该方法影响范围有限且会造成熔敷层成形尺寸发生变化。下坡式熔敷控制策略利用重力促进熔融金属回流,该方法可以高效抑制驼峰效应的产生,对比相同工艺水平熔敷下的熔敷层成形尺寸,最大熔宽差值为0.38mm,最大余高差值为0.28mm。双丝熔敷工艺可以减缓狭窄金属流通道冷却速度,当送丝速度达到一定值之后可以有效抑制驼峰,且熔敷层成形尺寸基本与单丝熔敷下的一致。

关键词： 铝合金   电弧增材制造   振动加速度   细化晶粒   脆性相  

摘要： 2319铝合金由于质轻比强度高等优点可以作为航天火箭燃料舱和结构部件,广泛应用于航空航天。电弧增材制造技术（WAAM）属于增材制造的一种方法,在制造中大型组件方面具有设备成本低、设计灵活性好、沉积速率高和材料利用率高等显著优势。如今,WAAM已成为一种具有发展潜力的制造工艺,可用于各种常见的工程材料,例如钛,铝,镍合金和钢。然而铝合金的焊接性差以及电弧增材制造的多层堆积引起热累积和,使得铝合金WAAM难以获得细小的微观组织、低孔隙率和高强度。本研究针对2319铝合金研究了焊接电流、焊接速度、送丝速度和振动参数对增材成形、微观组织和力学性能的影响。增材试验主要分为初期成形工艺探索和振动电弧增材制造两个部分进行,并采用金相显微观察、扫描电镜SEM、力学性能测试对增材制造2319铝合金进行分析。首先在2319铝合金单层单道堆焊实验中,通过控制变量法设计不同焊接参数来改善2319铝合金增材制造形貌。堆焊参数的探索,170A焊接电流下,可以改善焊缝表面铺展。在此基础上,固定焊接电流为170A不变,改变焊接速度,寻找热输入低成形质量好的焊接参数。最终确定焊接电流为170A,焊接速度为250mm/min。以此为参数为基础,继续研究最佳送丝速度,最终研究得到的工艺参数为焊接电流170A、焊接速度250mm/min、送丝速度7000mm/min。其次在单层多道增材制造实验中,采用不同振动加速度来研究组织与力学性能。基于振动对组织影响机理的研究,通过增加振动加速度,实现成形质量良好的振动增材试样。当振动加速度由0m/s2增加到100m/s2时,振动能够细化晶粒,沉积层形貌由细晶区-过渡区-柱状晶区转变成只有细晶区。同时,晶界脆性相得到一定的抑制,沉淀强化相数量变多,提高了增材制造2319铝合金的性能。脆性相的减少,溶质偏析有所改善。振动加速度增大,拉伸性能得到提升,此外,增材试样的微观硬度也有所升高。2319铝合金增材制造工件的疲劳寿命随振动加速度的增加而增加,振动加速度为0m/s2时,平均疲劳寿命为138007次,振动加速度为50m/s2时,平均疲劳寿命为230411次,振动加速度为100m/s2时,平均疲劳寿命为311972次。

关键词： 电弧增材制造   成形工艺   微观组织   元素分布   路径规划  

摘要： 在船舶领域应用铝合金,主要是借助其良好的抗腐蚀性以及焊接性好、强度高、重量轻的特点,可以应对航海中的各类复杂环境。因此,在造船业中铝合金具有很多应用和发展。电弧增材制造是以电弧为热源,以氩气等惰性气体作为保护气体,在电弧加热过程中不断熔化丝材,以堆积的方式将丝材沿规划路径逐层堆积成金属结构件。电弧增材制造技术具有制造成本低,制造效率高,材料利用率高等特点。首先,本文采用钨极气体保护焊技术,以ER5356铝合金丝材作为材料。通过对单层单道焊缝成形工艺的研究,通过对单层单道焊缝成形工艺的研究,建立了单层单道焊缝高度和宽度与工艺参数之间的二次回归方程。并得到单个工艺参数和两个工艺参数交互作用对焊缝宽度大小影响顺序为行进速度>焊接电流>送丝速度>电弧长度。对焊缝高度大小影响顺序为行进速度>送丝速度>焊接电流>电弧长度。并得到最优的工艺参数:焊接电流为100A,送丝速度为140cm/min,行进速度为30cm/min,电弧长度为5mm。其次,通过对电弧增材制造墙体的微观组织和力学性能的研究,发现了力学性能各向异性的影响因素及规律。合金元素Mg在电弧增材制造过程中不仅其含量会降低,而且其分布也是不均匀的,电弧增材制造墙体各层中心区的Mg元素含量低于与之相邻的重熔区。为了观察电弧增材制造墙体的微观组织对其进行了热处理,其中一层与基板熔合线附近的晶粒为柱状晶,其余各层中心区和重熔区的晶粒均为等轴晶,中心区的晶粒尺寸大于与之相邻的重熔区。当电弧增材制造墙体内部不存在气孔、裂纹等层间缺陷时,合金元素的不均匀分布和微观组织的差异导致了力学性能的各向异性。横向试件的抗拉强度最高可达267.6MPa,比纵向试件的抗拉强度高30.9MPa。横向试件的断裂延伸率最高可达33.9%,而纵向试件断裂延伸率最高为23.8%。拉伸试件均为塑性断裂,横向试件断口表面的Mg含量高于纵向试件。最后,研究电弧增材制造中路径规划对结构体成形影响。其中在单层两道焊缝搭接结构成形的研究中发现随着焊缝间距的增大,焊缝表面平整度先变小后变大。通过对切线重叠模型验证发现单层两道焊缝的最佳焊缝间距,焊缝表面平整度有所减小。另外在三叉结构和十字交叉结构成形中,在三叉结构中心处应设置成连续堆积路径,以尽量避免间隙缺陷。在十字交叉结构中心处应增加焊枪的行进速度,以减少此处金属的堆积量。

关键词： 高氮钢   TIG电弧增材   丝粉复合   固氮增氮  

摘要： 针对高氮钢丝材在电弧增材过程中的氮损失问题,本文基于丝粉复合增材方法,以TIG电弧为热源,在高氮钢电弧增材熔池中同步送入氮化物粉末,研究丝粉复合增材工艺方法以及丝粉复合对高氮钢增氮、成形、组织和性能影响。高氮钢TIG电弧增材工艺与成形特征研究表明,对熔敷金属宽度影响效应由大到小依次为电流、焊速和送丝,对熔敷金属余高影响程度由大到小分别为电流、送丝和焊速。高氮钢TIG电弧增材三种熔滴过渡方式分别为连续接触过渡、混合接触过渡和自由过渡。从连续接触过渡转变为自由过渡,熔滴过渡频率下降,飞溅增多,飞溅来源于焊丝端部液滴析出性气体爆炸和液滴撞击熔池产生。设计并验证了丝粉复合增材系统可行性,对氮化物粉末机械混合预处理有效提升其流动性,三管送粉方式有效抑制电弧偏转,粉末汇聚点位于电弧区下部对成形和过程稳定最有益。丝粉复合增材工艺优化与成形质量提升研究确定在满足熔敷金属成形、过程稳定和气孔低前提下,氮化铬混合粉和氮化锰粉末最优且最大送粉气流和送粉转速,确定丝粉复合增材热输入为170 A电流,并获得良好成形丝粉复合增材直壁体。氮含量检测结果表明两类丝粉复合样品增氮效果均低于理论增氮值,高氮钢与氮化铬复合样品氮含量低于纯材,未实现增氮,高氮钢与氮化锰复合样品氮含量高于纯材14.5%,实现增氮。XRD结果显示三类样品中均检测到奥氏体和铁素体特征峰,没有其他析出相。三类直壁体样品的组织主要为基体奥氏体组织和少量铁素体枝晶组织,底部主要为胞状奥氏体,中部主要为柱状奥氏体树枝晶。高氮钢与氮化铬复合样品在铁素体枝晶边缘析出二次奥氏体,高氮钢与氮化锰复合样品中产生白色氧化锰质点。性能方面,两类丝粉复合样品硬度相较于纯材均增加约20-30 HV,且丝粉复合样品硬度在不同位置处波动较大。拉伸结果显示,纯材屈服强度625.8 MPa、抗拉强度811.3 MPa、断后延伸率33.3%,高氮钢与氮化铬复合样品屈服强度提升7.3%、抗拉强度下降5.6%、断后延伸率下降80.8%,高氮钢与氮化锰复合样品屈服强度提升18.8%、抗拉强度提升22.0%、断后延伸率提高12.6%。冲击结果显示高氮钢纯材冲击功为17.52 J,高氮钢与氮化铬复合样品冲击功为5.94 J,高氮钢与氮化锰复合样品冲击功为21.26 J。拉伸和冲击断口SEM照片显示高氮钢纯材和高氮钢与氮化锰复合样品均为韧性断裂,断面布满韧窝特征。高氮钢与氮化铬复合样品为脆性解理断裂特征,断面布满结晶状小刻面,并且存在微孔隙。混合粉削弱了样品性能,氮化锰粉末一定程度上强化了样品。