关键词： 冷金属过渡   增材制造   显微组织   拉伸性能  

摘要： 采用冷金属过渡加脉冲(CMT+P)电弧增材制造4043铝合金薄壁件,对比了不同工艺参数下薄壁件的成形性能,研究了成形性能良好薄壁件的组织与拉伸性能,并与CMT工艺下的进行了对比。结果表明:CMT+P工艺下,当焊接速度为8 mm·s-1和送丝速度4 m·min-1时,薄壁件的成形性能最好,且其成形效果接近CMT工艺下的;CMT+P工艺下薄壁件的单层组织由焊道上层的细晶区和焊道下层的粗晶区组成,焊道间存在穿过界面生长的粗大柱状枝晶,CMT工艺下的显微组织为分布均匀的细小柱状晶;CMT+P工艺下薄壁件的拉伸性能优于CMT工艺下的;CMT+P工艺下横向和纵向拉伸试样断裂方式均为韧性断裂,横向与纵向抗拉强度各向异性百分比仅为4%,说明薄壁件的力学性能不存在各向异性。

关键词： TC4(Ti-6Al-4V)   正火处理   TIG电弧增材制造   显微组织   力学性能  

摘要： 利用TIG电弧增材制造技术制备了TC4钛合金样件,并对样件进行了正火处理.结果表明,经正火处理后的试样组织由α相和β相组成;在750~950℃范围内,随着正火温度的升高,针状初生α相变短变粗,并逐渐向网篮组织方向转变;在950~1050℃温度范围内,随着温度的升高,部分初生α相聚合长大,并向着“伪等轴晶”方向转化,在1050℃形成了“伪等轴晶”初生α相+细小针状初生α相+细小针状初生α相之间的α+β组织,针状初生α相随着温度的升高变短变细.最佳条件(850℃/2 h/空冷)下y方向的抗拉强度900.4 MPa、屈服强度820.4 MPa、断后伸长率9.3%、断面收缩率27.4%,z方向的抗拉强度890.1 MPa、屈服强度790.1 MPa、断后伸长率10.8%、断面收缩率31.0%,其性能接近锻件标准要求;沉积态与正火处理态的硬度值变化不大;拉伸试样(y和z方向)断口形貌均布满韧窝,属于塑性断裂.

关键词： 激光约束电弧   增材制造   电弧尺寸   堆积层稳定性   表面粗糙度  

摘要： 通过研究不同工艺参数下激光调控电弧的行为,发现激光可以压缩电弧,使得电弧稳定,激光对电弧有调控作用;进而分析不同工艺参数下激光对堆积层稳定性的影响以及激光约束电弧熔丝增材制造构件的表面粗糙度。研究发现相较于熔化极活性气体保护电弧焊(Metal Active Gas Arc Welding,MAG)作用而言,激光作用后,堆积层稳定性得到提高,并且小规范参数下,构件表面粗糙度Ra值由150.178μm降低到53.521μm;中等规范参数下,构件表面粗糙度Ra值由71.328μm降低到41.498μm;大规范参数下,构件表面粗糙度Ra值由110.163μm降低到82.352μm。

关键词： 冷金属过渡   增材制造   搭接模型   多层多道  

摘要： 基于冷金属过渡(CMT)电弧增材制造技术,以2319铝合金为堆积材料,恒定送丝速度与不同焊接速度得到6组单层焊道,分别采用标准曲线对单层焊道截面轮廓进行拟合,结果表明抛物线和圆弧曲线的拟合效果均较好。在损失较小模型精度的情况下简化搭接模型,基于抛物线曲线建立单层多道斜顶搭接模型,理论推导最优搭接间距为0.715倍单道宽度。为了验证模型的正确性,采用不同搭接间距成形单层两道进行试验验证,并将其与传统的平顶搭接模型进行对比。试验结果表明斜顶模型更加符合CMT电弧增材制造工艺过程。当搭接间距确定后,研究表明当单层焊道成形高度降低时,搭接表面不平度随之减小,有利于后续多层多道堆积成形。基于优化后的搭接参数,成形多层多道样件,成形形貌良好,三个方向的拉伸力学性能表现出各向异性。

关键词： 交织结构   高氮奥氏体不锈钢   成形特性   几何尺寸   匹配误差法   路径  

摘要： 采用高氮奥氏体钢与316L不锈钢丝材,对高氮奥氏体不锈钢熔覆焊道、单道多层、单层多道表面成形特性进行分析,筛选适宜的工艺参数。通过控制两种材料焊道尺寸,获得最适用于成形异材交织结构的工艺参数。利用不同道间距实验得到异材焊道的最佳道间距,并采用合理路径,制备电弧增材成形交织结构。结果表明:工艺参数的变化对高氮奥氏体不锈钢焊道表面成形特性影响极大,易出现气孔;提出异材焊道几何尺寸、截面面积匹配误差法,获得最佳工艺参数:其中高氮奥氏体钢丝材的送丝速率为5.7 m/min,316L不锈钢丝材的送丝速率为5.6 m/min,焊接速率均为0.6 m/min。通过降低起弧次数,采用闭合路径,提高了异材交织结构成形精度,减少了后处理加工。

关键词： MIMO闭环控制   旁路耦合电弧焊   自动启熄弧   MIMO解耦控制  

摘要： 电弧增材制造在堆垛成形零件上有着明显的优势,然而在堆垛过程中热量的积累以及焊接高度和送丝速度的变化都给增材制造的过程带来很大的困扰,堆垛过程中的塌陷也是非常棘手的问题。本文主要针对在堆垛过程中出现的焊接高度及送丝速度等的因素进行控制及塌陷问题的改善进行了理论分析与试验探究。首先,通过以xPC Target为环境背景建立旁路耦合电弧焊系统。通过试验测量电压和电流与焊接高度和送丝速度的关系。建立MIMO闭环控制系统,研究三维焊接快速成形堆垛过程中旁路电流与电压的控制模型与方法。结合MATLAB/Simulink软件进行建模与仿真,进行焊接过程中送丝速度和焊接高度的监测与控制。然后,在MIMO闭环控制系统的基础上加入自动启熄弧控制。通过脉冲信号的变化实现焊接过程中的自动启熄弧控制,研究旁路耦合电弧增材制造过程中堆垛层边缘塌陷问题。其次,通过分析MIMO闭环控制和自动启熄弧控制系统中的送丝速度和焊接高度的耦合关系,明确其与可控量(焊接电流、电压)之间的匹配关系,建立全耦合条件下的模型,通过MATLAB/Simulink软件进行建模与仿真,研究解耦控制下焊接电流、电压和送丝速度的变化及堆垛成形的精度。最后,开展单道、十字、十层及多层堆垛试验。结果表明,在MIMO闭环控制系统下完全能够实时监测和调整焊接过程中的焊接高度和送丝速度的变化。实现在三维焊接过程中的焊接高度和送丝速度的实时控制。在自动启熄弧控制系统下的电压、电流信号和送丝速度信号较为稳定,且层与层之间过渡平滑,塌陷问题明显改善,堆垛件的成形精度得到显著提升。在解耦控制系统下单道焊缝成形稳定、均匀且外表光滑。在十字堆垛过程中,完成十字交叉位置的完美过渡形成良好的十字焊缝。在多层循环堆垛过程中电弧的自动启熄弧控制没有受到影响,且层与层之间过渡更加稳定,送丝速度更加均衡,堆垛试样成形外观美丽光滑,没有明显的塌陷现象。

关键词： 电弧增材制造   数值模拟   多道多层成形   非直线路径   成形不均匀性  

摘要： 电弧增材技术适用于再制造大型金属构件,可快速而准确实现构件的“坏中修好”,改变传统模具修复“注满法”的方式。然而在大型金属部件制造过程中,易出现流淌、下塌、不均匀性等形态缺陷,给大型金属部件的增材制造提出了新的挑战。为了能够预测成形形态并指导成形工艺,获得理想的成形产品,研究电弧增材制造技术的基本原理十分必要。熔化极气体保护焊(MIG)具有价格低、焊接效率高、技术发展成熟等优势,成为电弧增材制造技术常用的热源。在理论层面深入研究MIG电弧增材制造过程电弧行为、熔滴行为及熔池行为,对于理解MIG电弧增材制造过程的科学本质、完善MIG电弧增材制造技术具有重要的理论和现实意义。数值模拟方法具有普适性强、精度高、费用低等优点,在材料加工领域获得了巨大成功。依靠数值模拟方法可以在理论层面直观理解电弧增材制造成形行为,然而MIG电弧增材制造过程涉及复杂的传热、传质、熔池流动等过程,同时需要精确地捕捉复杂的成形界面,导致MIG电弧增材制造数值模拟模型不完善,如大部分模型尚不能考虑电弧行为、熔滴行为与成形形貌的相互关系,多道多层成形模型也鲜有报道。本文将针对上述问题对电弧增材制造过程电弧行为、熔滴行为及熔池行为开展深入研究。研究相应的电弧、熔滴及熔池现象的多物理场耦合方法,并将其应用于电弧增材制造成形过程的模拟仿真。为了考察成形形貌对电弧行为及熔滴行为的影响,本文在传统的电弧熔滴模型基础上,以成形形貌为边界,开发了多道及多层的电弧熔滴耦合模型,并对电弧参数及熔滴参数进行了验证分析。计算和实验结果表明,电弧熔滴耦合模型能够获得更准确的电弧形态以及熔滴形态,为熔池模型提供更准确的热源分布参数、熔滴尺寸参数、熔滴下落速度等输入参数。相对于分离的电弧模型和熔滴模型,基于电弧熔滴耦合模型模拟的成形形貌相对误差较小,模拟的层高最大相对误差为9%,熔宽最大相对误差为1.5%,熔深最大相对误差为1.0%。本文改进了单道单层成形模型,设计了适用于多道多层的自适应网格系统,引入道数循环和层数循环,按照计算时间,不断更新网格系统、热源位置、沉积层界面以及材料参数,最终实现了多道多层成形模拟。多道多层模型通过引入电弧参数与熔滴参数,实现了与电弧熔滴模型的弱耦合,减少了模型的经验性参数。对单道单层、单道七层、五道单层以及五道两层的模型进行了验证分析,获得了成形熔宽、熔深以及成形层高与工艺参数的定量关系。研究结果表明,使用控制变量法,成形宽度与电弧功率有线性关系,而层高与电弧功率、送丝速度等呈高度非线性关系。本文建立的多道多层成形模型具有界面追踪算法简单、易于编程实现等优点。该研究成果可辅助模具修复电弧增材再制造以及实体零件电弧增材制造工艺设计。为了模拟复杂结构件成形过程,本文改进了直线路径成形模型,开发了圆弧路径以及等边三角形路径成形模型。使用最小能量原理追踪成形界面,并结合生死单元网格系统,在非直线路径的条件下,也能使用六面体网格,获得了合理的模拟结果,说明本文开发的非直线路径模型具有精度高、易实现等优点。对单道单层,单道三层的模型进行了验证分析,证明了模型的可靠性。研究结果表明,在非直线路径条件下,传热和熔池流动出现了不对称性,并且这种不对称性的趋势随着热输入的增加而增大。该研究成果可辅助壁状中空带弧形或带角结构电弧增材制造工艺设计。最后,本文针对电弧增材制造过程熔宽和层高不均匀性现象开展初步研究,尝试设计工艺参数线性增长和二次曲线增长的控制方式,初步探索固定熔宽和固定层高增量的均匀性成形控制理论。研究结果表明,电流线性增长及二次曲线增长均对熔宽和层高的不均匀性有一定的改善。将二次曲线控制电流方法应用于20层和30层成形,成形获得了较好改善,成形形貌良好。本文以电弧增材制造为应用背景,以熔池传热、传质以及流动过程为突破口,全面构建了直线路径以及非直线路径单道单层、单道多层、多道多层的成形模型,为电弧增材制造领域控形研究打下初步的理论基础。

关键词： 激光诱导电弧   增材制造   激光功率   热处理   力学性能  

摘要： 铝合金有着低密度、高强度、高塑性、高导电性以及高导热性等诸多优良的性能,在航空、航天、交通运输、机械制造等领域有着广泛的应用。增材制造技术与传统的制造工艺相比,它是一种从下到上的制造工艺,能够有效地减少材料的浪费并且能够缩短生产周期,可以制造出一些传统加工方式无法制造的复杂形状零部件。电弧增材制造技术与激光或者电子束增材制造技术相比,它的制造成本较低并且生产效率相对较高,但是其产品的成形质量较差、性能不稳定。为解决电弧增材制造过程中存在的问题并且探究提高增材试件力学性能的方法,本文以低功率脉冲激光诱导MIG电弧为基础进行2319铝合金增材制造的相关研究,从外观成形质量、微观组织形貌以及力学性能测试等方面分析了激光功率以及后续热处理工艺对增材结构件产生的影响。主要研究内容和结论如下:本文首先研究了不同工艺参数对单道单层焊道在成形方面的影响,随着堆积电流的增加,单道单层焊道的熔深和熔宽逐渐增大;随着堆积速度的增加,单道单层焊道的熔深和熔宽逐渐减小。通过对单道单层焊道的外观成形质量以及余高系数的分析,探究出以单电弧为热源时最佳的工艺参数。在加入脉冲激光之后,通过改变激光功率的大小并且与不加脉冲激光的时候进行对比,增材薄壁墙体的外观成形质量得到了明显地改善,材料利用率也得到了明显地提升;随着激光功率的增加,顶层宽度以及墙壁的高度变化浮动逐渐变得稳定,顶层的平均宽度逐渐减小,墙体的高度逐渐增大;脉冲激光使得增材试件内部的晶粒尺寸得到细化,气孔率降低;水平方向的拉伸性能优于竖直方向,拉伸试样的断裂方式为韧性断裂;脉冲激光能够有效地提高增材墙体的抗拉强度、断后延伸率以及显微硬度。确定了本实验所用的热处理工艺并探究热处理工艺对增材试件组织和性能的影响。对比热处理前后的增材墙体外观发现外观尺寸几乎没有发生变化;热处理之后顶部区域的树枝晶结构明显减少,各位置的共晶组织变得更加细小,原本条状共晶组织大面积溶解,共晶组织的不均匀性在很大程度上得到了改善;热处理之后增材墙体的抗拉强度以及显微硬度均得到明显的提升。通过以上研究来更好地推动该技术在生产制造领域中的应用。

关键词： 2319铝合金   尺寸预测   温度场   应力场  

摘要： 铝合金因为质量轻、高强度和高耐腐蚀性得到了航空航天业的广泛应用。传统铝合金加工采用数控机床加工的方式,即“减材制造”,不仅造成了母材的浪费,而且对于形状复杂工件的加工也存在着诸多困难,即使具备加工条件,也会因为加工周期过长而造成方案不能得到实施。本论文将2319铝合金作为研究对象进行“电弧增材制造”,作为铝合金增材制造的理论探索,日后可以用来指导生产实践。本次试验选用直径为1.6mm的2319铝合金焊丝,长为200mm宽为200mm高为5mm的5052铝合金基板,采用福尼斯公司生产的CMT焊机进行电弧增材试验,主要从尺寸预测和气孔控制两个方面对进行了试验研究。首先用二次通用旋转组合设计的方法,进行送丝速度(2.5-7mm/min)、焊接速度(500-1800mm/min)、保护气流量(15-20L/min)三因素全实施单层单道增材试验,基底层增材长度为130mm,共增材20个试样,预测基底层的宽度尺寸与高度尺寸;后在加入层间等待时间(40-180s)的情况下,通过四因素二分之一实施设计进行多层单道往复增材试验,每个样品增材20层,长度也为130mm,也是增材20个试样,预测多层单道增材总宽度和高度尺寸,并分析了增材参数对尺寸的单一、交互影响规律。由于在前期增材试验时,发现基板和增材基体变形比较严重,所以又对增材冷却阶段的温度场与应力场进行了数值模拟,分析出了变形出现最大位置,更改了基板的固定方式,有效抑制了变形;最后通过控制变量法,研究了送丝速度、焊接速度、保护气流量三个参数对宏观工艺气孔的数量、尺寸、分布的影响规律,并对微观氢气孔做了简要分析。经研究发现,基底层预测方程的宽高平均预测误差分别为0.31mm、0.26mm,多层单道增材的预测方程总宽高平均预测误差分别为0.27mm和1.1mm,预测结果较好。其中送丝速度对增材宽度和高度都会产生正向影响,焊接速度对增材宽度和高度都产生负向影响,但送丝速度要比焊接速度对尺寸的影响效果更明显。保护气流量对增材宽度影响呈开口向下的抛物线形式,层间等待时间会对增材宽度有反向的影响,保护气流量与层间等待时间对增材高度的影响趋势恰好与其对宽度的影响趋势相反;从温度场与应力场模拟结果可以看出,二十层增材后,变形最大值为3.299mm,为了保证成型精度与尺寸测量精度,需要由四角点固定方式更改为八点固定方式;在气孔问题研究中发现,增大送丝速度会提高增材件内的气孔数量与直径,增大焊接速度时气孔的数量减少明显,当保护气流量足以保护增材时,在一定范围内调整保护气流量对气孔影响不是特别大,在满足工艺要求的情况下,可以通过低送丝速度配合高焊接速度来抑制气孔的生成。

关键词： 电弧增材制造   2319铝合金   微观组织   力学性能  

摘要： 电弧增材制造(WAAM)是以焊接电弧作为热源,焊丝作为填充材料的方法。它通过计算机规划焊接机器人的行进路线,将焊丝熔化进行增材制造过程,最终完成3D模型的构件。2319铝合金属于可进行热处理强化变形的2系铝铜合金,其优点在于硬度较高,密度较小,是一种成型较好的材料。2219铝合金就是广泛应用在航空航天工业的材料,但是,2219铝合金的价格较为昂贵且生产工艺要求较高,不适合大量地进行生产。2319铝合金具有和2219铝合金几乎一致的成分,且更加廉价,因此有很大的应用价值,能够进行大规模生产。目前,增材制造的构件主要应用于航空航天、船舶工业、汽车工业、医疗工业和军事工业等。2319铝合金在焊接和增材制造过程中也会存在一些问题,首先,焊丝成分中存在Fe和Si等杂质元素,会生成Al3Fe或者是Al7Cu2Fe等不利于性能的组织,高温性能较差。其次,高的气孔率使得构件在疲劳状态下发生脆性断裂,会造成严重事故。最后,由于增材制造是往复循环的过程,温度会不断升高伴随着能量会不断增加,这样会造成晶粒的粗大,还可能产生成分的偏析,性能降低。本文选择2319铝合金作为填充材料,5B06板材作为基板,CMT焊机作为热源进行电弧增材制造试验,通过金相组织观察,扫描电镜观察和能谱分析,得到构件的组织主要是α-Al、θ相(Al2Cu)、极少量S(CuMgAl2)相、β相(Mg5Al8)和T相(CuMg4Al6),S相是强化效果最佳的相,而β相和T相效果较差,因此通过实验中合理控制Mg的含量能够决定S相、β相和T相的数量。此外,θ相由于性能比较稳定,控制θ相的比例也能够提高构件的性能。本文通过改变焊接速度、送丝速度、层间等待时间、保护气体流量、焊丝干伸长度等参数,进而得到更利于性能的组织。因为2系铝合金属于硬铝合金,通过拉伸试验和硬度试验测试2319铝合金电弧增材制造构件的力学性能。主要体现为强度与硬度较好,但是塑性与韧性较差。因此在提升构件强度和硬度前提下,也需要改善构件的塑性和韧性。本文通过控制不同的增材制造参数和T4和T6热处理改善构件的性能。