关键词： 电弧熔丝增材制造   Al-Mg合金   Sc   微观组织   力学性能   双丝  

摘要： 电弧熔丝增材制造(WireArc Additive Manufacturing,WAAM)以电弧为热源,以金属丝为原材料,移动系统带动焊炬沿预设的程序路径逐层沉积最终形成3D实体零部件。WAAM可替代传统的减材加工方式,并已展现出了其独有的优势,具有设备投资少,设备灵活性和可扩展性高,材料适用性好,产品研制周期短,沉积效率高,适于中大型结构件制造,节省原材料及成本低等特点。 WAAM铝合金符合工业发展对高效率、轻量化、低成本的要求,近年来国内外相继开展了一些WAAM铝合金的研究。目前研究较多的是Al-Cu合金,Al-Cu-Mg合金及Al-Si-Mg合金。这些合金都需固溶淬火+时效处理,固溶淬火过程容易导致产品变形,且变形方向不可控,增大了机加工难度,无法实现在线近终成形。Al-Mg合金无需热处理便可达到中等强度,并具有良好的塑性、耐磨性、抗蚀性、可加工性及良好的焊接性。以WAAM的方法制备Al-Mg合金可实现零部件结构形式上的灵活性、组织的一致性,减少工序,降低成本,使其可以在WAAM过程中施行增减材机制,实现在线一体近终成形,使快速增材制造成为可能。本文将冷金属过度工艺(Cold Metal Transfer,CMT)应用于WAAM Al-Mg合金的制备。系统地研究了影响堆积体性能的主控因素层间温度、Mg含量对堆积体组织和性能的影响;用Sc微合金化Al-Mg合金,研究了 Sc在WAAMAl-Mg合金过程中的存在形式、作用及Sc含量对堆积体组织和性能的影响,并将优化成分的Al-Mg-Sc合金制成直径1.2mm的丝材,进行双丝脉冲CMT(Pulse CMT,CMT+P)工艺实验及结构件的试制。主要的研究成果为: 以变极性CMT(Advance CMT,CMT+A)工艺为基础,通过对不同层间温度(200℃,160℃,120℃,80℃)的WAAM Al-Mg合金堆积体气孔、微观组织及力学性能的考察,证明了降低层间温度可有效改善WAAMA1-Mg合金堆积体的微观组织和力学性能,层间温度为80℃的堆积体中气孔尺寸最小、数量最少,析出相无层间偏聚,组织均匀,力学性能高,横纵向差距最小。 系统地研究了不同Mg含量(5%,6%,7%,8%)对WAAMAl-Mg合金堆积体表面氧化程度、几何形态、Mg元素的烧损、气孔、微观组织、力学性能的影响。得到适合WAAMAl-Mg合金的最佳Mg含量为6%。该成分堆积体成形好,Mg烧损少,气孔数量最少、尺寸最小,无结晶热裂纹,综合力学性能达到最优,横纵向力学性能差异性最小。 对比研究了 Zr+Sc和Ti+Sc复合微合金化Al-Mg合金,Zr和Ti在WAAM过程高温电弧下的烧损情况,研究了 Ti在堆积体中的作用,Sc在WAAMAl-Mg合金堆积体中的形貌、尺寸、分布及作用。结果证明Ti 较Zr在电弧下烧损少,且具有能增强Sc的强化效果,改善析出相形貌的作用,Ti+Sc复合微合金化更适用于WAAM Al-Mg合金。Sc可与Ti 一起生成含(Ti,Mn,Sc)和含(Ti,Mn,Fe,Sc)的析出相,减少板条状及长针状MnAl6相和(MnFe)Al6相的析出,降低层间应力集中。Sc在堆积体中可形成尺寸小于3μm的初生Al3(Sc1-x,Tix)相,细化α-Al基体晶粒。初生Al3(Sc1-x,Tix)相可改善β(Mg2Al3)及含(Mn,Fe)的相的形貌及分布,使析出相更细小,分布更均匀。经350℃/1h时效处理后在堆积体中析出尺寸为20nm左右的、与基体完全共格的次生Al3(Sc1-x,Tix)相。次生Al3(Sc1-x,Tix)相为球形、弥散分布,钉扎位错和亚晶界,起析出强化作用。 通过对四种Sc含量(0%,0.15%,0.3%和0.45%)WAAMAl-Mg合金堆积体组织和力学性能的对比。发现Sc含量低于0.15%,Sc几乎全部固溶在基体中,晶粒细化作用不明显,Sc含量达到0.45%,丝材成品率低,析出相聚集团聚,晶界粗化,堆积体力学性能没有进一步提高。综合经济成本考虑,WAAMAl-Mg-Sc合金中Sc的最佳含量为0.3%。该成分的WAAM合金直接堆积态堆积体组织出现突变,产生初生Al3(Sc1-x,Tix)相。初生Al3(Sc1-x,Tix)析出相尺寸小于3μm,晶粒显著细化,该堆积体抗拉强度和屈服强度大幅提高,且横纵向均匀;横向抗拉强度、屈服强度、伸长率分别为372MPa、268MPa、22.0%;纵向抗拉强度、屈服强度、伸长率分别为 372MPa、270MPa、20.0%。该堆积体经 350℃/1h 时效处理后,次生 Al3(Sc1-x,Tix)相析出,其抗拉强度和屈服强度进一步大幅提高,伸长率下降;其横向抗拉强度415MPa,屈服强度279MPa,伸长率18.5%;纵向抗拉强度411MPa,

关键词： 点阵结构   2319铝合金   电弧熔丝增材制造   成形工艺   热处理   微观组织  

摘要： 铝合金点阵结构具有轻质、比强度高、隔热、吸能减震和消音降噪等诸多优点,被广泛应用于航空航天领域。现有的点阵结构制造方法对材料和结构方面均有严格要求,使制造点阵的材料与结构设计自由度受到了限制,而电弧熔丝增材制造作为一种以电弧为热源,熔化金属丝材逐层堆积金属实现实体构件成形的方法,适用于任何金属材料、复杂形式点阵结构的制备。本文研究了2319铝合金点阵结构的电弧熔丝增材制造工艺和性能,并增材制造出点阵结构示范件。首先,研究了电弧增材制造的工艺参数对点阵结构单元杆件结构参数(直径和角度)的影响。通过控制增材制造过程中的熔滴体积与熔滴个数可制备不同直径的点阵单元杆件,其中熔滴的体积大小取决于电源脉冲波形中的电流、电压和脉冲周期,电弧熔丝增材制造出直径为2.50-7.00mm的单元杆件,其相对误差在2.0%以内。通过控制增材制造过程中电弧枪层间的提升量与偏移量可制备不同角度的点阵单元杆件,电弧熔丝增材制造出角度为15°-90°的单元杆件,相对误差不超过4.0%。进一步,制定了点阵结构的电弧熔丝增材制造策略,制备出了铝合金点阵结构示范件,分析了其力学性能和微观组织特征。根据结构特征,将点阵结构划分为两个部分:单元杆件部分和节点部分,分别制定各部分相应的增材制造策略。通过控制点阵结构单元杆件的直径与角度,按照点阵结构增材制造策略制备出4×14×3单元金字塔点阵结构,从宏观形态上看,各点阵结构单元的拓扑结构与理论模型相差不大。电弧熔丝增材制造2319铝合金点阵结构单元杆件的抗压强度为58.53MPa,强度较低,需进行热处理强化。其微观组织呈现层状分布,将其分为层中和层间两个区域,层中区域微观组织为等轴晶,层间区域微观组织并不是十分规律,主要为树枝晶。第二相为θ-AlCu相,与α-Al以共晶组织形式析出,同时针状沉淀相θ’很少导致了材料的强度不足。最后,通过正交试验的方法研究热处理工艺(包括固溶温度、固溶时间、时效温度以及时效时间)对2319铝合金点阵结构的性能与组织的影响,得到了最佳T6热处理工艺规范:固溶温度为530℃、固溶时间为60min、时效温度为175℃、时效时间为24h,在最佳热处理工艺下电弧熔丝增材制造2319铝合金点阵结构的抗压强达到76.08MP,相比于热处理前点阵结构的抗压强度增加了30.0%。

关键词： 熔池约束   铝合金   TIG   增材制造  

摘要： 丝材电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM）是一种以电弧作为热源,通过不断熔化丝材逐层熔覆堆积成形的制造技术,具有沉积率高、设备简单、生产周期短等优点。现阶段使用WAAM制备铝合金研究已取得长足的进展,但由于其高沉积率的特点,使熔池易在重力、电弧吹力和表面张力的共同作用下沿成形件外壁产生流淌现象,造成成形件尺寸精度的降低。本课题采用熔池约束夹具对每层熔池进行接触式约束,使用TIG电弧热源,Φ=1.2mm的ER4043铝合金焊丝进行电弧增材制造,以实现在保证铝合金力学性能的基础上提高尺寸精度及成形效率。首先分析了焊接电流、焊接速度与送丝速度对单道焊缝的影响:对熔深影响程度由大到小为焊接电流、焊接速度、送丝速度;对熔覆层高影响程度由大到小为送丝速度、焊接电流、焊接速度;对熔宽影响程度由大到小为焊接速度、焊接电流、送丝速度。熔池约束条件下由于约束板的吸热及约束作用,焊缝的熔深明显减小,熔覆层高显著增加。成形良好、适合增材制造的工艺参数为焊接电流I=125A,送丝速度vd=1100mm/min,焊接速度vm=200mm/min。熔池约束距离6mm条件下单道多层成形件尺寸精度最优,成形效率增加35%,熔池流淌现象明显改善。熔池约束未对组织、相组成产生明显影响。近表面区域晶粒背向约束板方向生长。熔池约束成形件厚度中心区域显微硬度平均值为56.5HV;近表面区域显微硬度明显增高,平均值为66.6HV。无约束成形件厚度中心区域显微硬度平均值为55.5HV,近表面区域为57.2HV。熔池约束成形件X方向平均抗拉强度及伸长率为145.6MPa/22.7%,Z方向为126.1MPa/13.0%;未约束成形件X方向为143.9MPa/21.4%,Z方向为126.8MPa/12.9%。固溶时效处理后未约束成形件厚度中心区域显微硬度平均值为48.6HV,近表面区域为49.1HV;熔池约束成形件厚度中心区域显微硬度平均值为47.5HV,近表面区域为48.3HV。两种成形件抗拉强度略有降低,伸长率显著增大。熔池约束成形件X方向的平均抗拉强度及伸长率为109.4MPa/35.5%,Z方向为111.8MPa/21.0%;未约束成形件X方向为118.4MPa/32.8%,Z方向为114.7MPa/22.9%。

关键词： 304不锈钢   MIG焊   电弧增材制造   数值模拟  

摘要： 不锈钢具有性价比高、耐腐蚀性好、耐热耐低温的优良特性。其在现代船舶与海工行业,尤其是化学品船、超大型LNG船、海水淡化装置中的应用越来越广泛。增材制造技术顺应了当今科技大发展的趋势,符合现代绿色制造的的理念,因此也越来越受到现代人们的重视。增材制造技术与船舶海工制造的结合也是当今船海制造领域的热门话题。不锈钢增材制造技术也引起了国内外学者的普遍研究。传统的不锈钢电弧增材制造技术受限于保护罩等装置无法进行工厂化应用,另外无保护装置的增材实验结果外观氧化严重,影响了增材件的外观,增加了增材后期加工的麻烦。本文利用MIG焊接机器人为热源对304不锈钢电弧增材制造技术进行了深入的研究。首先使用焊接机器人研究了保护气、增材电流、电压以及增材速度等不同工艺参数对单层单道增材沉积的影响。结果发现通过适当的调整增材工艺参数,可以合理控制电弧增材过程中的热量输入。在保持熔池滴状过度的情况下得到氧化较少、表面质量良好的不锈钢增材实验件。然后基于前面得到的良好的不锈钢电弧增材工艺参数,制作了不同增材层数的试验件。研究了增材试验件的枝晶组织特征和生长机理,解释了沉积体内不同晶粒形态。对多层沉积过程的冷却凝固机理进行了分析。讨论了多层沉积过程组织转变规律,进而研究了增材件内部参与铁素体的形成机理。分析了增材试验件的不同区域的元素组成和变化。最后在前面实验研究的基础上,对不锈钢电弧增材制造过程进行了数值模拟计算。模拟得到304不锈钢1-6层增材制造过程的温度场变化情况。选取部分感兴趣的节点绘制了节点热循环曲线。证明了采用体生热率热源和生死单元方法相结合能够较好的模拟不锈钢电弧增材制造过程的温度变化。

关键词： 电弧增材制造   轨迹规划   柔性多点支撑   热电制冷   变形控制  

摘要： 在制造业进入信息化智能化时代，对结构轻量化需求日益增加，网格壁板结构以其高载荷强度能力在航空航天领域获得了广泛的应用，但传统铣削制造方式不仅大大增加了在上述领域的生产周期，而且高成本的生产方式也限制了其在更广泛的民用汽车及造船领域的应用，因此迫切需要一种全新的成型方式来突破这一制造瓶颈。电弧增材制造通过逐层累加的方式针对性的成型所需要的特异性和常规结构，这一先进制造技术材料利用率更高、生产成本更低、熔敷沉积周期更短、熔敷效率更高，是一种非常有希望获得突破性应用的未来科技。本文以双丝脉冲MIG热源为熔敷热源，开展了电弧增材制造网格壁板成型控制技术研究，主要内容包括成型工艺传质特性研究、主动制冷控制温度场研究、柔性多点支撑控制变形研究、成型轨迹规划算法及策略研究、不同成型顺序对变形的影响规律研究。　　首先，采用Tandem-GMAW增材制造系统，以试验为基础，研究一次成型宽墙体结构双丝脉冲MIG熔敷工艺的传质稳定性和成型特性、基层成型工艺区间及相应的工艺窗口。通过在墙体结构上熔敷成型的方式，研究在增材上层的成型工艺窗口。并采用统计学方法研究在单位长度熔敷量情况下关键工艺因子对成型墙体宽度的影响规律，研究结果表明这一工艺方式具有持续成形频繁转换沉积方向路径的能力。创新性采用对电弧无干扰、并且能强力制冷的热电制冷技术实现对熔敷过程及冷却过程温度场的主动控制。通过采用热电主动制冷技术增强熔敷焊道散热速率，减少对前层金属的重熔和层间等待时间，主动控制温度场间接调控成形形貌和拓宽成形工艺窗口，提升成型效率和成型精度，完成对热场的控制技术研究。　　在网格壁板熔敷成型过程中，由于对金属基板有剧烈的电弧热输入，造成基板在熔敷焊道和邻近部位经历快速的加热和冷却过程，这一过程不可避免的产生内部残余应力和外部变形。本文结合传统应力变形理论设计柔性多点支撑主动控制力场设备，研究网格壁板沉积过程变形控制新方法，与固定夹紧和预变形控制变形结果进行对比。研究发现变形控制效果，柔性多点支撑＞预变形＞单纯固定夹紧。柔性多点支撑设备可以通过在施加角变形力的基础上施加纵向附加力来消除纵向变形，显著减少基板角变形及纵向弯曲变形。　　网格壁板包含大量的交叉节点和以墙体结构为基本单元的轨迹段，现有熔敷沉积轨迹规划方式过多的打断成型过程，成为限制成型效率和质量的关键点。针对这种多节点多轨迹段轨迹特征，本文创新性应用图论理论进行了轨迹规划算法的开发，以及后续不同尺寸壁板结构成型策略的研究。结合上述可以一次成型宽墙体结构的熔敷成型工艺可以实现对网格壁板结构的一次成型，极大减少极易产生熔敷缺陷的起熄弧点数，并且将累积交叉节点转换为拐角搭接节点。这一轨迹规划算法及相应成型策略显著保证成型效率、质量、熔敷的可持续性，提升整体成型效率。　　根据变形机理对子结构轨迹规划路径进行基于热过程的变形量倾向性编码，采用模拟退火算法对网格壁板子结构变形全局最小路径顺序进行求解，并通过有限元模拟的方式对求解结果进行验证。实验结果显示所采用的编码方式和模拟退火算法对变形倾向性的预测是合理和准确的，采用所求得优先沉积中间结构的轨迹路径，其最小变形量仅为其他轨迹路径的28％到40％。　　通过对角网格壁板子结构在不同顺序下的成型过程进行有限元数值模拟，分析相应热循环、残余应力、变形变化规律。在大基板上沉积不同顺序的子结构有限元模拟结果显示，优先熔敷中间位置子结构能有效降低所引起的边和角位置子结构的变形量，通过不同轨迹规划顺序有效利用子结构成型的热过程进行整体变形控制效果显著，相应的变形规律对于成型其他类型大网格壁板极具参考价值。

关键词： 2219铝合金   电弧增材制造   温度场   层间FSP   组织与性能  

摘要： 金属电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)技术是指采用电弧作为热源,将金属丝材熔化,并在程序的控制下逐层沉积成形,制造出接近产品形状和尺寸要求的三维金属坯件。与以激光和电子束为热源的金属增材制造技术相比,WAAM具有丝材利用率高、沉积速度快、制造成本低,易于实现大尺寸零件的制造等优点。然而,WAAM技术本质是连续堆焊过程,因此焊接所遇到的问题在WAAM过程中同样存在。铝合金的焊接性较差决定了利用WAAM方法成形铝合金时在成形质量、内部缺陷以及微观组织的控制方面充满了挑战。2219铝合金属于Al-Cu-Mn系铝合金,具有高强度、较好的耐热性能和加工性能等优点,在航空、航天领域具有广泛应用。本研究采用双椭球热源对十层单道直壁墙电弧增材过程的温度场进行数值模拟,并系统研究了不同焊接速度对WAAM 2219铝合金直壁墙微观组织及力学性能的影响。此外,为了细化组织,消除气孔等缺陷,在电弧增材过程中施加层间搅拌摩擦加工(FSP)改性,研究了 WAAM+层间FSP改性工艺制备的直壁墙成形后和T6处理后的微观组织和拉伸性能。利用WAAM方法在焊接速度400-700mm/min范围内分别成形单道10层直壁墙(长270mm×宽5.5-8mm×高23-31.5mm),并对WAAM过程的温度场进行数值模拟。将600mm/min焊速条件下的实验结果与模拟结果进行对比,结果表明:实测热循环曲线和熔化区特征观察结果与模拟结果符合良好;熔池最高温度(Tmax)随沉积金属的层数(n)增加而升高,当n≥5时,熔池温度增幅减缓;第n层沉积金属在第n+1层金属的沉积过程中,发生明显重熔,重熔深度约为层高的82%。焊接速度由400mm/min增加到700mm/min,熔深及重熔区深度逐渐减小,沉积第10层时熔深由5.02mm减小至4.01mm,重熔区深度由2.12mm减小至1.81mm。采用400-700mm/min的焊接速度进行WAAM 2219铝合金直壁墙的制备(长270mm×宽5.5-8mm×高70mm),系统研究了焊接速度对直壁墙成形质量、微观组织及力学性能的影响。结果表明,随着焊接速度由400mm/min增加到700mm/min,成形直壁墙平均层高和总壁宽减小,有效宽度系数增加,气孔率逐渐降低,层内和层间的微观组织明显细化。随焊速增加,WAAM直壁墙的抗拉强度变化不大,屈服强度和断裂延伸率分别表现出升高和下降的趋势。当焊速为600mm/min时,抗拉强度与屈服强度最高,焊接方向(X方向)的抗拉强度、屈服强度和断裂延伸率分别为250MPa、98MPa和17.7%,增材方向(Z方向)的抗拉强度、屈服强度和断裂延伸率分别为248MPa、95MPa和15.4%。对700mm/min焊速条件下成形的直壁墙进行T6处理(530℃×50min+175℃×12h),焊接方向(X方向)的抗拉强度和屈服强度平均值分别为415MPa和298MPa,增材方向(Z方向)的抗拉强度和屈服强度平均值分别为346MPa和194MPa,但是焊接方向(X方向)的延伸率由T6处理前的16.5%降低至13.5%,增材方向(Z方向)的延伸率由T6处理前的13.7%降低至3.8%。所有焊速条件下成形直壁墙的增材方向(Z方向)拉伸性能明显低于焊接方向(X方向)的拉伸性能,层间共晶相形貌特征及气孔分布特征是影响直壁墙增材方向(Z方向)力学性能的关键因素。利用WAAM+层间FSP改性工艺制备了 2219铝合金直壁墙(长330mm×宽12mm×高45mm),即每沉积成形n层(本研究中n=3)金属后施加一道次FSP改性,直至达到预设高度,其中WAAM过程中采用电弧摆动及强制水冷工艺。由于施加了 FSP改性,原始沉积层金属中气孔被消除,枝晶组织转变为等轴细晶组织,平均晶粒尺寸为5.2μm,共晶相被破碎和细化。焊接方向(X方向)的抗拉强度、屈服强度和断裂延伸率平均值分别为279MPa、108MPa和23.7%,增材方向(Z方向)的抗拉强度、屈服强度和断裂延伸率平均值分别为277MPa和104MPa和16.4%。“WAAM+层间FSP改性”直壁墙T6热处理(530℃50min+175℃×12h)后沿焊接方向(X方向)的抗拉强度、屈服强度和断裂延伸率分别为426MPa、299MPa和12.0%,沿增材方向(Z方向)的抗拉强度、屈服强度和断裂延伸率分别为382MPa、268MPa和7.5%;与WAAM工艺成形的直壁墙T6处理后的拉伸性能相比,沿焊接方向(X方向)的拉伸性能变化不大,增材方向(Z方向)的抗拉强度提高10%,屈服强度提高38%,延伸率提高97%。

关键词： 电弧增材制造   无支撑悬垂结构   成形控制   螺旋桨制造  

摘要： 基于GMAW（熔化极气体保护焊）的电弧增材制造技术具有组织致密、化学成分均匀、熔敷效率高以及生产成本低等很多优势,广泛应用于大尺寸金属件的增材制造与修复。悬垂结构是复杂构件中非常常见的组成部分。在非金属增材制造中往往通过添加支撑实现悬垂结构的成形,其设计与制造已经较为成熟,而金属增材制造的支撑结构还处于初步研究阶段且面临很多困难与挑战。因此,研究无支撑悬垂结构成形的影响因素,探索悬垂结构良好成形的极限倾角,实现大角度悬垂结构的自支撑具有重要的研究意义。本文以解决无支撑悬垂结构制造过程中的一系列工艺问题、获得较为普适的工艺规范和加工策略为目标,通过熔池观察、理论分析及一系列工艺试验对悬垂结构展开研究,实现了大角度倾斜悬垂结构的良好成形并堆敷出了悬垂结构典型件。首先搭建了机器人GMA增材制造试验系统,研究了平焊时不同工艺下的熔敷道成形质量,获得了初步工艺参数区间并确定了熔敷电流和熔敷电压的匹配关系。通过建立的视觉传感系统观察了悬垂结构堆敷过程中的液态熔池,对熔池流淌现象进行了初步分析。建立了无支撑悬垂结构堆积模型,引入了悬垂角和焊枪倾斜角的概念,提出了堆积过程中材料缺失问题的解决方法,并确定了悬垂结构的成形标准。对液态熔池进行了受力分析,为较小热输入下焊枪倾斜角的选择提供了理论指导。在线能量450J/mm下,悬垂角30°时,倾斜角应为41.41°;悬垂角45°时,倾斜角应为61.25°;悬垂角60°时,倾斜角应为80.04°。以45°倾斜悬垂结构为研究对象,分别探索了熔敷电流、行走速度、焊枪倾斜角对悬垂结构成形的影响。通过正交试验确定了不同悬垂角对应的工艺参数区间,并制订了不同悬垂角下倾斜结构的加工策略,分别堆敷出30°、45°、60°多层单道倾斜结构。设计并完成了水平悬垂结构搭桥试验。最后选取螺旋桨模型作为典型件,针对该模型的特征进行了曲面分层切片与空间路径规划并生成了机器人执行程序。通过GMA增材制造获得的螺旋桨成形质量良好,无明显熔池流淌,有效厚度在5mm以上,验证了工艺规范及加工策略的适用性。

关键词： ZL114A   电弧增材制造   工艺优化   温度场   应力场  

摘要： 近年来,铸造铝合金的应用越来越广泛,其中Al-Si系合金中高强高韧性的ZL114A合金凭借良好的铸造性能和力学性能被广泛应用于兵工、航空、交通等现代制造业中。增材制造技术因其高效低成本的制造特点,自概念诞生以来就在全球受到了广泛关注,各领域都将研究增材制造作为热点,焊接工艺与增材制造技术的结合成为新的发展方向,电弧增材制造技术应运而生,并因其热源成本低、易获取的特点迅速成为热门研究内容。本文将电弧增材制造技术与铸造铝合金结合起来,使用GTA电弧增材制备ZL114A零件,通过工艺试验进行参数优化,使用基于ABAQUS软件的有限元数值模拟方法研究增材制造过程中温度场与应力场的动态变化规律,进而预测工艺成形。使用自主设计搭建的增材制造平台进行工艺试验,研究工艺参数对GTA增材制造ZL114A成形的影响,通过正交试验法研究工艺参数对层高、层宽的影响程度,发现对焊缝层高影响程度的工艺参数排序为:送丝速度、焊接电流、行走速度,对焊缝层宽影响程度的工艺参数排序为:行走速度、焊接电流、送丝速度。通过控制变量试验研究工艺参数对层高、层宽的影响规律发现,焊缝层高随着焊接电流、行走速度增大而减小,随送丝速度增大而增大;层宽随焊接电流增大而增大,随行走速度、送丝速度增大而减小。层宽随焊接电流、行走速度、送丝速度变化的曲线中会出现拐点,层高随焊接电流、行走速度变化曲线中会出现拐点,拐点对应数值焊接电流140 A,行走速度100 mm/min,送丝速度100 cm/min即为最优参数。使用ABAQUS有限元软件进行三维数值模型建立和温度场的计算与分析,使用FORTRAN语言定义热源子程序,使用PYTHON语言编辑生死单元。温度场计算结果表明,增材过程中后续焊缝对首道焊缝有热处理作用,但作用效果逐渐减弱且趋于稳定,稳定时后续焊缝可使首道焊缝重新加热到400℃;首道焊缝起弧端和收弧端的热循环曲线差异较大,峰值温度相差近100℃,起弧端的升温速度和降温速度都要快于收弧端。随着增材的进行,每道焊缝的峰值温度都在逐渐上升,并趋于稳定值1200℃;每层之间起弧端与收弧端所经历的热循环都不同,每道焊缝之间相同位置的材料所经历的热循环也有很大差异。随着电流的增大,首道焊缝起弧端和收弧端热循环曲线的峰值温度均有提高,但是二者温度之间的差值基本保持不变为300℃,各道焊缝中间时刻的峰值温度均有提高,但层与层之间峰值温度的差值不随着电流的增大而改变,依旧为为100℃左右,增大电流并不能改善增材组织的不均匀性。在温度场模型基础上建立应力场模型,选择顺序耦合热应力程序,应力场计算结果表明,首道焊缝焊接过程中,熔池前方区域等效应力值最大,随着热源的前进,远离热源的区域等效应力逐渐减低。当增材到第3层时,基板的等效应力逐渐稳定,增材完成冷却至室温时,堆积层与基板接触部位残余应力值最大,此处最容易发生开裂。堆积层上应力呈循环状态,后一层对前一层具有热处理做用,起到了应力释放的作用,随着堆积层数的增加,热输入不断累积,后堆积层对先堆积层的应力释放效果逐渐减弱。增材完成冷却至室温后,基板和堆积层形变最严重位置都位于收弧端附近。

关键词： 电弧熔丝增材制造(WAAM)   Al-Cu合金   成分优化   微观组织   力学性能  

摘要： Al-Cu合金属于硬铝合金,可进行热处理强化,具有强度高、韧性好,承载性和机械加工性优异等特点,在某些领域实现了“以铝代钢”,为承力结构件的轻量化创造了条件,在航空航天和汽车工业结构部件中有着重要而不可替代的作用。Al-Cu合金产品传统的成形方法主要有铸造、锻造和焊接三种形式。但由于Al-Cu合金的结晶温度范围宽,铸造产品容易产生热裂、偏析、缩松等缺陷,造成成品率低、质量稳定性差。锻造工艺材料利用率低,生产周期长,生产的产品结构受限。焊接产品,焊缝的强度只能达到母材的一半,成为部件的短板,降低了合金的高强韧优势。 与铸造、锻造、焊接等成形方法相比,电弧熔丝增材制造技术(WAAM),可根据结构的实际受力情况,设计结构的尺寸,并对结构进行优化,设计不受传统制造工艺束缚,可有效减重并具有较高的强度和刚度。国际增材制造产业联盟制定的电弧熔丝增材制造高强铝合金的力学性能要求为:抗拉强度450-480MPa,屈服强度390-410MPa,伸长率>5%。目前WAAMAl-Cu合金力学性能均不能完全达到高强合金的要求,且横纵向力学性能普遍存在较大差异,纵向的伸长率为横向的一半。针对目前WAAM Al-Cu合金存在的问题,本研究应用CMT工艺成形ZL205A合金,考察了其堆积体的组织与性能。并对其成分进行优化,以Sn代替有毒的Cd,考察Sn含量对其组织与性能的影响。系统地研究了不同Cu含量增材制造堆积体直接堆积态、热处理T4态、热处理T6态的组织演变,合金元素Cu的微观分布及存在形式的转变。考察了热输入量及双丝CMT工艺对堆积体组织与性能的影响。按照优化的Al-Cu-Sn合金成分制备丝材,采用优化的CMT工艺打印产品,并实际应用。验证了合金工业适用性。取得主要研究结果如下: 研究发现,WAAM ZL205A合金直接堆积态的堆积体中存在少量尺寸小于20μm的气孔,平均晶粒尺寸为26.2μm,大小均匀,初生θ相在晶内和晶界弥散分布,层间区域无聚集现象。固溶处理后气孔数量增加,尺寸增大,平均晶粒尺寸为24.12μm,层内区域和层间区域的固溶Cu含量一致为4.7%,层内和层间区域均存在少量尺寸小于5μm的未固溶θ相,弥散分布。时效处理后析出大量θ'强化相,尺寸为100nm长,70nm宽,5nm厚,相间距为15nm,弥散分布。WAAM ZL205A堆积体T6热处理后,抗拉强度:500Mpa,屈服强度:450Mpa,伸长率:10%,横纵向上力学性能一致,均高于铸造ZL205A合金。 ZL205A合金中含有Cd,在电弧的作用下产生有毒性的CdO,不符合安全生产的要求,本研究以Sn替换Cd。WAAM Al-Cu合金堆积体加入Sn可显著细化直接堆积态晶粒,晶粒大小均匀,尺寸约为25.48μm。Sn含量小于0.1%,直接堆积态的初生θ相为长条状,固溶处理后固溶Cu含量约为4.70%,无大尺寸的未固溶θ相,时效后析出θ'相的密度随Sn含量的增大而增大。Sn含量大于0.15%,初生θ相由长条状转变为块状,尺寸增大,固溶处理后存在尺寸大于20μm的未固溶θ相,Sn含量越高未固溶θ相的数量越多,固溶Cu含量越低,析出θ相的密度越小。Sn含量达到0.25%,热处理后,堆积体出现沿晶界分布的裂纹。随着Sn含量的增加,堆积体力学性能呈现先增加后降低的趋势,Sn含量为0.1%,综合力学性能最佳,抗拉强度:493Mpa,屈服强度:434Mpa,伸长率:9.5%,横纵向力学性能一致。 研究得到,不同Cu含量的Al-Cu-Sn合金堆积体直接堆积态组织从上而下呈等轴晶-等轴枝晶交替的周期性分布,每个堆积层为一个周期,微区Cu含量的分布规律为:等轴晶区<等轴枝晶区<层间区域,Cu主要以初生θ相的形式存在,分布规律受凝固顺序的影响。固溶处理后晶粒转化为等轴晶,随着堆积体Cu含量的提高,固溶Cu含量呈现先升高后不变的趋势。时效处理后θ'析出相的数量呈现先升高后不变的趋势,堆积体的力学性能先升高后降低,Cu含量为5.65%的堆积体具有最优的力学性能,抗拉强度538Mpa,屈服强度478Mpa,伸长率:10.5%,横纵向力学性能一致。 研究发现,Cu含量是影响堆积体横纵向力学性能差异的关键因素。Cu含量为5.0%和5.65%,堆积体直接堆积体态层内和层间初生θ相无偏聚现象,热处理后无大尺寸未固溶θ相,横纵向力学性能一致。Cu含量为6.3%,堆积体直接堆积态层间区域的微观组织中存在聚集的初生θ相,热处理后,存在大量尺寸大于20μm的未固溶θ相沿晶界呈线性分布,使纵向力学性能降低,横纵向力学性能不均。 WAAM 2219合金堆积体的Cu含量由6.3%降低到5.65%,直接堆积态堆积体中的气孔和晶粒的尺寸和分布没有变化,层间区域分布的初生θ相的尺寸减小,偏聚现象消失。固溶处理后,层内和层间区

关键词： 冷金属过渡,电弧增材制造   内部缺陷   力学性能   复合加工  

摘要： 由于增材制造（Additive manufacturing,AM）增材成形件通过逐层堆积成形,容易在增材成形件内部产生孔隙、夹杂、裂纹等内部缺陷以及表面流淌严重、表面粗糙度差等成形缺陷。因此,本课题在冷金属过渡（CMT）的电弧增材技术（WAAM）的基础上复合了铣削的减材加工,以低碳钢焊丝ER70-G为研究对象,根据成形工艺参数、焊渣清理方式及焊缝金属叠加量三个因素制定了8个增材方案,并对其成形件内部冶金质量和力学性能进行了分析研究。主要研究结果如下:首先,通过对8个增材试验方案的工艺研究对比分析,最终确定了增材电流为102 A,增材电压为13 V,送丝速度为2.6 m/min,增材速度为5 mm/s,气体流量为15 L/min,起弧和收弧停顿时间为2 s为本研究最佳的增材制造工艺参数。采用X射线探伤、XRD物相分析、SEM能谱分析和金相观察等手段对8个增材方案下成形件的内部缺陷进行分析后发现,为了获得较好的成形件内部质量,必须要对每道焊缝上的焊渣进行清理。随着焊渣清理力度的加深,成形件内部的孔隙、未熔合、夹杂、裂纹等缺陷明显减少。方案7及8中将上表面金属大量打磨的方式虽然进一步减少了内部缺陷,反而使材料浪费严重。最佳的焊渣清理工艺为:每道熔覆后,下道熔覆前,清理每道焊缝金属的上表面、侧面间隙及两道焊缝金属相叠加的侧面间隙。在其它条件一致的情况下,3.4 mm的焊缝金属叠加量比3.6mm下的内部缺陷数量有所减少。其次,对8个增材方案下的成形件进行了显微硬度、冲击性能和疲劳性能的试验研究,并结合SEM、OM等手段对断口的宏观和微观形貌进行了分析。结果表明,处于焊缝的交界处及两侧的显微硬度数值较低,交界处由于出现缺陷的集中,导致其显微硬度值最低,在焊缝中心处的显微硬度数值最高。试样缺口与增材方向垂直的试样冲击性能普遍优于试样缺口与增材方向相平行的试样;随着试验温度的降低,冲击性能也降低;随着焊渣清理力度的加大,试样的冲击力学性能有着一定程度的提高,但是过多的焊渣清理不仅没有显著提升力学性能,反而浪费了大量材料。相同工艺参数及焊渣清理方式下,3.6 mm和3.4 mm的焊缝金属叠加量得到的成形件其力学性能也相差不大。最后,采用L16（4～5）正交表在不同铣削工艺参数下对成形件表面粗糙度的影响进行设计。通过极差分析和单因素分析,确定了最佳的铣削参数为:进给速度2mm/min,主轴转速9000 r/min,轴向切深3 mm,径向切深0.4 mm,逆铣。