关键词： 自保护药芯焊丝   熔滴过渡   增材修复   野外环境   成型控制  

摘要： 针对武器装备关键零部件在战时环境、野外恶劣环境(高温、大风、高原、沙漠)中如何应急、快速、精确完成增材修复的问题,本文创新性的提出了一种适用于战时和野外工况环境的自保护药芯焊丝电弧增材修复技术。该技术的提出,将解决战场工况下,装备零部件快速抢修和快速精确保障供应的难题,该技术的应用将大大缩短零部件的供应链,简化后勤供给,提高维修效率。另外,该技术的研究将支撑开发智能化、模块化、一体化的增材修复设备以及车载、舰载的“方舱”系统,同时为装备维修体制改革提供理论和实践指导。由于自保护药芯焊丝中药芯成分的添加、特殊的焊丝结构和工况环境的干扰,导致自保护药芯焊丝在增材修复的过程中,存在增材修复过程稳定性和成型精度较差的问题。为了解决这些问题,本文主要围绕自保护药芯焊丝电弧增材修复的工艺、机理以及成型控制关键技术展开前期的基础研究。本文主要的研究内容如下:(1)为了满足野外增材修复装备设计要求,本文通过对机器人系统、焊接系统、三维扫描系统以及其他软硬件系统的设计,开发了适应于野外环境的小型化、高机动性的增材修复原型装置;为了准确观察、分析该焊丝熔滴过渡过程,本文搭建了熔滴过渡图像和电信号的同步采集系统;为了实现对该焊丝电弧焊过程中电弧物理特征的解析,本文基于光谱分析仪设计了电弧光谱采集系统;同时,为了分析在单层多道成型过程中母材温度场的变化规律,本文基于红外测温仪搭建了母材温度测量系统;为了高效、准确的分析该焊丝熔滴过渡的特征,本文设计并开发了熔滴自动检测、跟踪、计数以及熔滴平均尺寸自动计算的分析系统,实现了熔滴平均尺寸和熔滴过渡频率的自动统计和分析,验证结果表明,该分析系统统计结果的准确率均在93%以上,满足设计及应用的要求;为了考虑野外环境应用的工况环境及强脱渣性,优良的焊缝性能,基于脱氧元素及脱氢元素添加量的特殊考虑,定制设计了钛钙型自保护药芯焊丝。(2)针对定制焊丝药芯成分的特殊设计,结合药芯冶金反应的特点,通过分析电流、电压、电极极性等工艺参数对熔滴过渡模式以及电弧行为的影响规律,发现了影响熔滴过渡模式以及电弧行为的关键工艺因素,结果表明,电极极性是决定熔滴过渡模式和电弧行为的主要因素,而电流、电压是影响熔滴平均尺寸和频率的主要因素;为了研究不同电极极性下熔滴底部弧根作用区中冶金反应的特点和规律,分析了不同电极极性下熔滴底部弧根作用区形貌和元素分布特征,结果表明,不同电极极性下,弧根作用区的形貌和元素分布特征存在较大差异,而不同电极极性下的电弧行为成为主要影响因素;为了探究不同电极极性对熔滴过渡模式的影响机理,建立了熔滴受力模型,分析结果表明,不同电极极性下,弧根作用区中大量低电离氧化物和少量低熔点氟化物的分布特征,决定了作用于熔滴的电磁力方向,使熔滴在直流正接条件时,电磁力变为促进熔滴过渡的主要作用力,熔滴表现为射滴过渡,直流反接条件时,电磁力成为阻碍熔滴过渡的主要作用力,熔滴表现为大滴排斥过渡;为了揭示熔滴过渡过程失稳的原因以及飞溅的形成机制,对熔滴飞溅的过程进行分析,结果发现,直流反接条件下,主要存在偏离型飞溅,该飞溅类型在直流反接条件下始终存在,成为恶化焊接质量的主要原因,在直流正接条件下,在大电流、电压参数下,一般会出现明显的爆炸型飞溅。(3)为了解释不同电极极性对电弧行为影响的内在机理,考虑定制焊丝中活性元素在电弧空间的分布特征,本文从电弧物理的角度,基于电弧光谱信息,分别定量计算了不同电极极性下电弧等离子体的电子密度场、温度场,以及活性元素的分布特征,结果表明,不同电极极性下,熔滴底部表现出不同的导电通道,而该导电通道模型决定了活性元素、电弧电子密度场和电弧温度场的分布特征。该导电通道模型的建立为电弧动态行为的分析提供了理论依据。(4)为了实现基材的低热输入,控制熔滴过渡过程,提高成型过程稳定性,探究了基于短路波形控制该定制自保护药芯焊丝熔滴过渡过程的可行性,结果表明,由于短路阶段中短路爆断现象以及药芯冶金反应不充分,导致短路阶段中短路过渡模式成为恶化成型过程稳定性的主要原因;考虑从脉冲电流波形控制熔滴过渡过程的方法入手,解析了双脉冲电流波形中强弱脉冲峰群的各自主要功能特点,同时建立了熔敷效率和电弧力的定量计算模型,计算结果表明,双脉冲电弧模式具有更低的热输入,更高的熔敷效率,熔滴过渡过程更容易发生;为了观察双脉冲电弧关键参数变化对熔滴过渡特征的影响,统计分析了熔滴过渡特征的变化规律,结果表明,当熔滴平均尺寸为0.5～0.9 mm时,熔滴过渡的形式主要是一脉一滴,成型过程稳定,而当熔滴平均尺寸小于0.5 mm时,主要表现为一脉多滴,出现滞熔渣柱爆断的现象,严重影响增材过程的稳定性;为了实现一脉一滴的稳定过渡形式,提出了基于脉冲参数优化调节的熔滴平均尺寸控制方案,建立了基于RBF-BP神经网络的熔滴平均尺寸预测模型,

关键词： 电弧增材制造   成形质量   4043铝合金   开源切片   路径规划  

摘要： 针对电弧增材制造硬、软件匹配困难、缺乏电弧增材路径规划特定软件以及成形精度低等问题,从电弧增材系统搭建、数值仿真、焊道成形质量等角度进行研究,筛选最优焊接模式、工艺参数及扫描策略,以此满足制件成形质量高的需求。本文的主要研究工作包括:1.采用工业机器人(ABB IRB1410)配合焊机(Fronius CMT TPS3200)为主体构建增材硬件系统。在Cura开源软件输出的切片数据结果的基础上,利用Python编程自主开发一款具有代码转换、增材工艺参数设置、路径规划、人机交互选择功能的软件,软件输出代码可直接被硬件识别。该软件结合硬件搭建电弧增材制造系统并为后续增材研究提供基础。2.在数值仿真方面,利用Python对Abaqus进行二次开发,分别编写生死单元与分析步、移动热源与路径规划软件,两款软件基于Abaqus配合使用,验证生死单元激活配合热源移动的可行性。验证结果表明,生死单元与分析步、移动热源与路径设置软件可分别进行对应分析步的生死单元激活、移动热源按路径要求进行单向或往复运动,两款软件结合使用达到模拟熔滴搭接的目的,实现单道单层、单道多层、复杂路径的增材仿真。3.通过选取不同工艺参数与焊接模式,研究单道单层成形规律并优选工艺参数。研究结果表明,在CMT+Pulse或CMT模式下,对单道单层的成形质量影响的主要因素是焊接速度与送丝速度,其他工艺参数影响较小,焊接速度、送丝速度的过大或过小使焊道不易成形,基于结果最终优选工艺参数。4.在单道单层优选工艺参条件下,针对单道多层分别辅以数值仿真和图像处理顶层焊道表面的分析和评价手段,研究不同模式、不同扫描策略下的焊道成形规律。单道多层成形的研究结果为各种焊接模式下的焊道成形均通过不稳定阶段直至增材稳定并确定增材层高,CMT模式和往复扫描路径成形质量较好,单道多层整体倾斜方向由第一层倾斜方向确定,在往复路径中反方向路径会减缓倾斜程度但增大表面粗糙度。最后,在优选结果的条件下,进行薄壁壳体零件的制备验证。使用直径1.2 mm的4043铝合金焊丝,在优选CMT焊接模式、送丝速度3.2m/min、焊接速度8mm/s、增材层高1.65mm、氩气保护气流量15 L/min条件下,可以获得良好的成形质量,并成功制备了复杂铝合金壳体零件。本文主要通过基于Cura的路径转换、参数设置、路径规划软件的编写,达到控制焊枪运动及启停、丰富人机交互窗口、增强操作便捷性的目的。针对单道单层、单道多层成形质量结合数值仿真与图像处理手段进行研究,优选焊接模式、工艺参数、扫描策略。基于优选结果成功制备铝合金复杂薄壁壳体零件,证明该款增材制造系统具有较高的应用价值。

关键词： 电弧增材制造   温度场   应力场   变形   数值模拟  

摘要： 电弧增材制造(Wire-Arc Additive Manufacturing,WAAM)是以电弧为热源来熔化丝材进行定向沉积的一种增材制造技术。近年来,随着贵重、难加工金属材料以及定制型复杂结构件使用量的增加,电弧增材制造凭借其低成本和高灵活性等优点逐渐由航空航天领域扩展至一般民用工业制造领域。然而,由于增材制造过程中电弧热源局部多次加热的特点,由此而产生的复杂温度场导致增材制造结构件内部具有很高的残余应力和显著的宏观变形。随着结构件成形尺寸的增加,残余应力的分布会更加复杂且变形量也通常会随之增加。残余应力和宏观变形不仅会降低结构件的使用性能,也影响其外观形状,在严重的情况下将直接导致制造失败。因此,目前电弧增材制造尚未实现大型结构件的工程应用,仍需要做进一步的基础研究。本文作为基础研究,以Q345为基板,Y309L为沉积材料的MIG-WAAM成形件为研究对象,基于***有限元软件平台,开发了同时考虑材料非线性和几何非线性的热-弹-塑性有限元计算方法来模拟增材制造过程中的温度场、应力场和变形。采用所开发的计算方法对薄壁墙体结构件、薄壁圆形结构件以及多层多道次电弧增材制造过程中温度场、应力场和变形的演化规律进行了数值模拟,并采用实验手段验证了数值模拟结果的妥当性。基于数值模拟结果,探讨了沉积顺序、沉积层数以及层间温度等工艺因素对薄壁墙体结构件电弧增材制造过程中温度场、应力场和变形的影响规律。在多层多道次电弧增材制造过程中还探讨了基板厚度和层间温度对温度场、应力场及变形的影响。研究结果表明:1)在连续增材制造过程中,随着沉积层数的增加,基板和成形件内部热量的累积逐渐增大,沉积材料所经历的峰值温度和平均温度均会逐渐增加,而冷却速度也随之逐渐降低。2)增材制造过程中,沉积材料会随着温度的变化经历多次应力循环。由于后续材料沉积产生的温度场对邻近的已沉积材料有软化作用,因此先沉积层产生的应力会受到后续沉积层的显著影响。从数值模拟结果来看,最后沉积层对成形件残余应力分布和大小的影响最为显著。3)增材制造完成后,薄壁墙体成形件内部以纵向拉伸残余应力为主,且两侧的应力分布梯度较大,同时沉积层数和层间温度对成形件的残余应力分布也有较大影响。4)薄壁圆形成形件应力分布为底部内壁侧压应力与外壁侧的拉应力相互平衡,中部位置主要为周向拉伸残余应力而顶部位置主要为周向压缩残余应力。5)薄壁墙体结构件整体的变形模式为纵向弯曲变形,薄壁圆形结构件为基板四周上翘而内部下沉,随着沉积层数的增加,圆形成形件在径向方向上逐渐往里缩进。6)在本研究中的连续多层多道次电弧增材制造过程中,相较于前两种薄壁结构件,基板和成形件内部热量的累积速度更快,材料的冷却速度更慢。增材制造完成后,成形件内部主要为纵向拉伸残余应力,而横向拉伸残余应力主要分布在基板上下表面。7)对于本研究中的连续多层多道次电弧增材制造而言,增加基板厚度能有效提高沉积材料的冷却速度,同时可以减小基板变形。层间温度对成形件和基板残余应力的分布和大小有较大影响,而对基板角变形的影响较小。

关键词： 电弧增材制造   有限元模拟   热分析   残余应力   变形   路径优化   工艺参数  

摘要： 电弧增材制造技术适用于大型金属零件的快速成形,具有致密性好、成本低、成形效率高等优势。针对电弧增材制造多道多层金属沉积过程中面临的残余应力过大而造成大型零件成形尺寸精度低的问题,项目综合利用体生率热源模型在大尺寸零件热应力计算效率上的优势,开展基于有限元法的大型墙体结构电弧增材制造多层多道温度场、热应力及变形研究,为进一步改善大型成形件质量提供基础参考和理论依据。有限元法被广泛用于弧焊和增材制造过程的数值分析,而常用的高斯热源和双椭球体热源模型需要大量的网格节点,计算成本高并且耗时长。为了降低数值模拟计算成本,本文提出了用于大型构件电弧增材制造工艺数值模拟的体生热率热源模型。通过不同体热源模型计算效率对比可知,体生热率热源模型对网格不敏感,在计算时间上能表现出明显的优势,相比实际实验时间,堆积成块体结构的过程大约节省了97%左右。同时为证明有限元模型的有效性,基于K型热电偶和红外热像仪进行了实验验证,测量的温度场分布和热循环规律与数值模拟结果有很好的一致性。在建立体生热率热源模型的基础上,分析了多种不同沉积路径对电弧增材温度场、残余应力及变形的影响情况。结果表明,电弧熔覆堆积过程中工件墙角处的局部残余拉伸应力超过了拉伸强度,这可能导致产生裂纹。在单层多道不同路径中,由外向内路径最佳;多道多层路径中,长边交错-由外向内路径(Zigzag-Spiral)路径最佳。并由轮廓扫描仪测量实验比较了不同多道多层路径基板变形情况,其变形结果与数值模拟结果吻合良好,证明了数值模拟分析结果的准确性。通过对层间冷却时间、扫描速度、电流等不同参数下的残余应力和变形结果进行了对比分析。结果表明,在熔覆过程中焊层厚度应尽量薄一些,以减少热效应对残余应力影响。同时,焊接电流不宜过大,层与层之间的冷却时间应尽可能长,避免成形过程中工件过热,导致成形质量不佳。

关键词： 电弧增材制造   无损检测   激光超声   自动化系统  

摘要： 增材制造过程中由于温度变化剧烈,工件内部会产生气孔、裂纹等缺陷,影响工件安全使用,因此对增材制造工件缺陷进行无损检测尤为重要。常规超声检测方法受高温限制、耦合要求等因素影响,在增材制件缺陷检测中较为局限;激光超声作为一种新型无损检测方法,可以实现高灵敏非接触实时检测,满足增材制件缺陷检测需求。为此,针对增材制件缺陷常规方式检测应用困难,激光超声设备自动化程度低的问题,以电弧增材制件为检测对象,建立一套激光超声自动化检测系统,确定电弧增材制件缺陷激光超声检测方案,研究基于机器人的自动化检测系统扫查参数,实现电弧增材制件缺陷激光超声非接触式自动化检测,主要研究内容如下:建立电弧增材制件缺陷检测工艺。制备待测增材试块,测量超声传播声速;开展激光超声缺陷检测仿真,分析超声传播路径与A扫,确定检测方法;开展激光超声缺陷检测实验,分析缺陷检测波型与B扫,确定扫查方式;对比理论、仿真、实验,判断激光超声对电弧增材制件缺陷检测效果。制定自动化检测系统总体方案。为实现仿形扫查,提高检测效果与智能化水平,提出机器人辅助扫查的激光超声自动化检测系统设计方案;研究光路传递、光源选择、光斑间距、扫查速度、点位间距、轨迹间距、扫查方向对检测结果的影响,获得机器人运动与自动化系统扫查匹配的参数。搭建激光超声自动化检测系统。根据系统总体方案,进行运动装置、采集装置选型,设计检测装置结构,开发超声信号采集软件,实现超声信号数据采集、滤波、显示、保存;通过试块定点检测调试系统各模块功能,硬件与软件相互配合形成激光超声自动化检测平台,保证系统满足检测需求。开展激光超声自动化系统实验。在仿真软件中进行坐标系统定义与检测装置位姿描述,规划机器人扫查路径;针对电弧增材试块,开展仿形扫查实验,对比扫查架系统检测实验结果,自动化系统实现多缺陷识别,检测深度与检测效果有所提升,证明激光超声自动化检测系统有效可行。电弧增材制件缺陷激光超声自动化检测系统及相关研究工作对复杂环境下增材制造工件缺陷无损检测具有一定理论价值和参考意义。

关键词： 电弧增材制造   激光视觉传感器   焊道特征点提取   缺陷识别与修复  

摘要： 电弧增材制造是金属不断的熔化逐层累加直至零件成形的过程,但是在电弧增材过程中不可避免的会产生各种缺陷,若在某一层出现缺陷而继续后续的增材势必会导致成形后的目标零件出现不可修复的缺陷,因此可利用视觉技术对电弧增材过程进行分层在线检测。激光视觉传感技术由于图像处理过程简单,测量精度较高以及抗干扰能力强等优点被广泛应用到电弧增材制造领域,因此本文利用激光传感技术对电弧增材制造过程中容易产生的驼峰和偏移缺陷进行缺陷检测。根据缺陷位置的特点制定相应的算法获取缺陷位置的像素坐标,并对驼峰和偏移缺陷制定相应的修复方案,分析修复结果是否满足要求。 本文首先搭建一套激光视觉缺陷检测系统,包括视觉系统总体方案设计、激光视觉传感器夹具的机械设计以及视觉系统硬件的选取等。利用张正友标定法标定视觉传感器,获得其畸变系数、内参矩阵以及总投影误差,实现了图形畸变的去除,获得更为精确的像素坐标。 对图像处理进行分析和研究,为了实现焊道特征点的获取需要对激光条纹进行图像预处理,其过程包括ROI感兴趣区域选取、滤波、图像分割、噪点干扰去除、形态学修复以及中心线提取算法。由于中心线的提取会影响后续特征点提取的精度,因此本文选取一种改进灰度重心法获得更加平滑的激光条纹中心线。在对激光条纹中心线提取的基础上研究基于Hough变换焊道特征点检测和基于最大距离作垂线法对焊道特征点进行检测,并根据实验要求对这两种特征点检测算法进行比较,选取其中一种算法进行本文后续实验。 针对偏移缺陷检测与修复,可根据整体偏移与局部偏移的特点选取合适焊道的特征点,根据焊道特征点数据的波动判断是否存在缺陷,对于整体偏移大于正常偏移量的情况,提出一种基于窗口缩小法寻找最低点来获得缺陷处的路径,其余缺陷均可利用基于最大距离作垂线法所获取的特征点根据需要进行偏移或者偏移作垂线即可获得缺陷位置的路径,根据偏移缺陷的特点制定修复方案并进行分析,并取得良好的修复效果。针对驼峰缺陷检测与修复,可根据驼峰的特点选取焊道中点坐标实现对驼峰缺陷检测和修复路径的获取,针对驼峰缺陷特点制定波峰波谷错位法和降低熔敷和送丝速度逐步修复两种方案,并对这两种修复方案进行对比分析,其修复结果良好。

关键词： 电弧增材制造   沉积层形貌   显微组织   残余应力  

摘要： 电弧增材制造技术以其在大型构件成形方面的独特优势得到越来越多的关注,成为应用最广泛的金属增材制造技术之一。介绍了电弧增材制造技术的发展史,从"控形控性"的角度出发,分析了工艺参数对沉积层形貌的影响规律,讨论了成形件的显微组织演变机制,介绍了残余应力数值模拟方法及其优缺点,指出计算流体动力学和有限元方法相结合是未来研究趋势之一,总结了控制应力和变形常用的方法以及电弧增材制造面临的问题和挑战。

关键词： 冷金属过渡   电弧增材制造   单道单层   截面轮廓模型  

摘要： 采用冷金属过渡(CMT)技术,围绕船用高强钢电弧增材制造(WAAM)的单道单层工艺特性开展研究,通过考察不同配比的保护气成分、送丝速度、焊接速度三种工艺参数下单道单层的工艺特性,结合不同工艺条件下单道单层的熔宽、余高、过渡角、截面面积等参数的测量,掌握了以上三种关键工艺参数对单道单层形貌的影响规律,并通过数学分析的方法,建立了能够准确预测80%Ar+20%CO 2混合气体保护下单道单层截面轮廓的全周期余弦函数模型,其与实际测量的结果基本一致,为后续单道多层、多道多层的电弧增材成形控制提供了基础。

关键词： 路径   增材制造   316不锈钢   组织性能  

摘要： 以316不锈钢为材料,探讨了平行往复、“十”字正交、插补堆积三种不同路径下TIG电弧增材试件微观组织及力学性能的差异.结果表明,三组试件中部组织存在明显差异,平行往复试件树枝晶粗大发达,生长方向高度一致.“十”字正交试件树枝晶生长方向多,枝晶紊乱,层间过渡区域大.插补堆积试件二次枝晶不发达,组织细密.在显微硬度方面,三组试件的维氏硬度自底板至顶部呈现先减小后增大的趋势,平行往复试件显微硬度最大.在拉伸性能方面,平行往复试件纵向抗拉强度最高,纵向受力时可采用该方式增材.插补堆积试件横向抗拉强度最高,横向受力时可采用该方式增材.“十”字正交试件力学性能表现出各向同性,多向受力且对塑性要求较高时可采用该方式增材.