关键词： 电弧增材制造   旁路耦合   熔滴过渡   建模仿真   xPC实时控制系统  

摘要： 电弧增材制造方法是目前制造零部件快速成形的一种新技术,具有低成本、能量利用率高、研发周期短等优点,其广泛应用于工业生产领域。本文针对电弧增材制造过程存在的热积累严重、电弧起始位置和收弧位置塌陷、成形精度不足等问题,开展了旁路耦合电弧增材制造方法的研究,使电弧增材制造技术更加完善,更广泛地应用于工业生产中。在旁路TIG焊增材制造过程中,结合高速摄影仪和电流电压传感器同步采集的特性,建立了旁路TIG焊增材制造试验平台。观测了送丝速度、旁路电流、焊丝初始位置及送丝角度对增材制造过程熔滴过渡行为的影响。结果表明:熔滴过渡模式可分为自由滴状过渡、接触过渡,以及自由+接触的混合过渡模式。与熔滴的自由过渡模式相比,接触过渡模式的焊缝更均匀、美观。随着送丝速度的增加,熔滴逐渐从自由向接触过渡转变。旁路电流对焊接过程有耦合效应,随着旁路电流的增加,电弧存在先收缩后发散的现象。而且熔滴直径也受到电弧的影响,呈现出先减小后增加的趋势。对旁路电流取样分析,其分布趋势服从高斯分布。焊丝的初始位置对熔滴过渡模式有着直接的影响,在相同的送丝速度条件下焊丝的初始高度越大,熔滴的过渡频率越小。为了达到接触过渡模式,则需要更大的送丝速度才能实现理想的稳定过渡模式。由于钨极与熔池之间会形成导电通道,大送丝角度会使焊丝插入熔池,使熔池的稳定性遭到破坏。与大的送丝角度相比,小角度送丝更有利于熔滴过渡。同时,基于前期的试验过程及结果进行了旁路TIG电弧增材制造焊丝的熔化过程模型的建立,并分析了影响因素在焊丝熔化过程的内在影响,进一步验证了模型的准确性。同时对焊丝熔化过程的数学模型进行优化分析,还验证了所建立模型的稳定性。结果表明:在焊丝熔化模型中,送丝速度阶跃幅度较小,焊丝熔化过程波动性越小。旁路电流从0 A阶跃至4.5 A时,焊丝干伸长将会增加。但是从0 A阶跃到11.7 A时,焊丝的干伸长减小。总之,随着旁路电流的增加,焊丝的干伸长呈现出先增加后减小的变化趋势。送丝角度对焊丝的熔化过程的仿真结果表明,随着送丝角度的增加,焊丝的干伸长逐渐减小,而且下降的幅度呈现增加的趋势。送丝角度在40度到50度之间,旁路电流的仿真结果会产生阶跃行为。在增量式PID的控制下利用旁路电流作为目标设定值,逐渐增加的送丝速度可以使旁路电流趋于目标设定值4.2 A。测试了焊丝的旁路耦合熔化模型在外界干扰过程中的稳定性,通过增量式PID的调节约0.5 s就可以实现相对的稳定过程。最后,建立了旁路TIG焊增材制造自适应送丝控制试验平台。在总结前期熔滴过渡模式的基础试验和仿真结果,分析了熔滴随着送丝速度逐步增加的过渡模式的变化,辨识了熔滴从自由向接触过渡模式转变的旁路电流临界值,同时利用高速摄像仪和电流电压传感器采集熔滴的过渡行为,进一步利用确认的试验参数进行电弧增材制造试验。结果表明:旁路电流可以辨识熔滴的过渡模式,随着送丝速度的增加,熔滴从自由向搭桥过渡模式转变的临界旁路电流值为3.8 A。同时,证实了xPC实时控制系统可以减小或降低旁路电弧增材制造过程形成的塌陷现象。

关键词： 加氢反应器   2.25Cr-1Mo-0.25V   电弧熔丝增材制造   热影响区  

摘要： 加氢反应器主要用于石油炼制中重质油的加氢裂化、加氢精制和催化重整等工艺过程,是现代炼油工业的重大关键设备,但是传统工艺研制加氢反应器时具有加工周期长、材料利用率低等弊端。电弧熔丝增材制造技术是金属增材技术的一种,不仅成形效率高而且成本低,尤其适合大型复合金属构件的制造。本文采用冷金属过渡技术,以加氢反应器用2.25Cr-1Mo-0.25V为母材,一种实心合金焊丝为填充材料,研究了电弧熔丝增材成形试样的微观组织形貌、不同工艺参数下成形尺寸和力学性能的变化规律以及模拟最小焊后热处理对成形试样力学性能的影响。电弧熔丝增材制造的试样,其尺寸和宏观形貌受到工艺参数的直接影响。较大的线能量密度会使得单层单道焊缝的熔宽和余高更大,但适中的线能量密度有利于降低多层单道成形时的表面波度。当焊接速度处于较高的水平时,在起弧段和稳定段之间将出现颈缩现象。热影响区的宽度、深度和面积均随着线能量密度的增大而增大,但是奥氏体平均晶粒尺寸受工艺参数的影响较小,多在24～29μm之间。经历热循环时,热影响区内部将发生M-A岛的分解和碳化物的析出。力学性能的测试结果表明,热影响区的存在将恶化试样结合处的力学性能。增材试样的横向(与扫描方向平行为横向,与增材方向平行为纵向)力学性能与取样高度有关,且横纵向的力学性能存在明显差异,尤其是塑性。在线能量密度增大时横纵向的伸长率差异将由45.1%降低至10%左右。模拟最小焊后热处理会降低成形试样的抗拉强度,但是能够有效提升因为热影响区的存在而恶化的塑性,伸长率可以提高超过一倍,且能够显著降低热影响区和增材区的硬度,使得各区域的硬度分布趋于一致。

关键词： TC4钛合金   电弧增材制造   热力场   组织性能   沉积路径   氧浓度  

摘要： 在航空航天领域,钛合金由于具有良好的比强度、高温性能和耐腐蚀性能而得到了广泛的应用。以航空航天飞行器大型钛合金框架类结构、整体骨架结构为代表的复杂整体钛合金结构是国防装备的关键构件,然而传统的机械加工方法材料利用率低、加工效率低且制造成本高。电弧增材制造技术是实现这些关键构件高性能、低成本、轻量化制造的重要手段之一,在装备制造领域有重大的需求。本文以应用广泛的TC4钛合金为研究材料,以钨极气体保护焊技术为基础,对电弧增材制造薄壁样件的热力场分布、成形特点、显微组织和力学性能进行了系统研究。结果表明,电弧增材制造过程中,沉积材料会经历多次温度瞬升快降且峰值温度逐渐降低的热循环过程,样件大部分区域会经历四次或五次β相变。残余应力基本都呈对称分布,最大残余应力分布区域位于薄壁样件根部。独特的热循环过程使薄壁样件截面表现出三个特征明显的区域,后续层对前层在α+β相区热处理产生的层带结构主要为集束组织。层带区域硬度低于非层带区域（20 HV）,样件整体硬度底部区域和顶部区域略高于中部区域。样件的抗拉强度范围为826 MPa948 MPa,伸长率范围为10%15%,水平方向的试样比垂直方向的试样抗拉强度高、伸长率低。沉积路径研究结果表明,往复沉积的薄壁样件相对工艺性良好,其侧面波纹度两端大中间小;往复沉积时,样件两端的温度变化速率呈一层快一层慢的层层交错的趋势,从而使样件整体上残余应力较同向沉积的样件分布均匀;显微组织方面,同向沉积路径的β晶粒斜向上生长,往复沉积路径的晶粒生长方向相对杂乱;力学性能方面,在垂直方向上,往复沉积路径的试样抗拉强度为850 MPa,低于同向沉积路径试样的抗拉强度（900 MPa）。环境氧浓度研究结果表明,在氧浓度1000 ppm以下制备薄壁样件时,其内部氧含量符合ASTM B381-2013标准的要求,且随环境氧浓度的升高,组织会得到一定程度的细化,硬度和抗拉强度逐渐升高,伸长率略有降低;空气环境下沉积的样件硬度增长到500 HV,抗拉强度和伸长率却同时急剧下降,断裂形式以脆性断裂为主。

关键词： 5B06铝合金   电弧增材制造   应力与变形   有限元模拟  

摘要： 5B06铝合金在航天工业中有着重要地位,其强度适中,塑性好,密度低,具有较强的抗腐蚀性,且抗裂纹能力好,使用这种材料来代替钢铁也能大幅减少构件的质量,可以达到节能环保的目的。近年来,随着复合材料和钛合金材料在航天领域的大量应用,航天用铝合金材料必须进行优化,促使航天用铝合金降低密度,提高材料强度和综合性能,又要降低成本。在焊接过程中产生的残余应力和由其引起的焊接变形对材料的成形质量是一项重要考验,为了克服这一问题,本文通过CMT电弧增材制造铝合金单道多层薄壁构件,并通过有限元模拟分析的方式,对铝合金电弧增材制造的应力场和焊接变形进行了观察和研究,主要结果如下:(1)设计了5B06铝合金焊丝增材制造实验,通过总结前期探索实验的结果进行了参数的选择,得到了成形效果良好的构件,根据成形质量选择了实验的主要研究对象。(2)利用有限元法模拟了5B06铝合金焊丝的CMT增材制造过程,并对其温度场、应力场都进行了分析和讨论,研究了薄壁构件上各个方向上的点在焊接过程中及焊后所产生的变化规律。(3)研究温度场时发现各熔覆层在第一次熔覆时温度最高,随着熔覆层数不断增加,每一层的峰值温度逐渐降低。熔覆层冷却的最低温度都呈递增趋势直至趋于稳定,这是由于基板的散热作用,较低层数的熔覆层距离基板较近,而基板大部分位置处于室温状态且散热面积大,所以冷却较快。而随着熔覆层数增加,经过热源的加热作用,基板的温度逐渐升高,且热源和当前熔覆层距离基板也越来越远,热量向下传递所经过的构件层数增加,且传热面积减小,导致基板的散热作用下降,容易形成热累积,冷却的最低温度也就越来越高,直到基板对散热的影响降低到几乎可以忽略不计,最低温度也就趋于平稳。(4)对模拟得到的残余应力值和实际测得的残余应力值进行了对比和分析,并发现两者大体趋势吻合,可以表明模拟产生的结果具有很高的可信性和正确性,对应力和变形的控制的研究具有一定意义。(5)通过有限元模拟预测的方式对9组不同工艺参数的电弧增材制造过程进行了计算并采集其结果绘制成曲线图进行分析讨论。研究了焊接残余应力及焊后变形受工艺参数影响的规律,分析认为通过调整焊接热输入可以在一定程度上实现对残余应力及变形的控制。

关键词： 模具钢构件   电弧熔丝   增材制造   结构性能   各向异性  

摘要： 现有模具钢构件均采用等材-减材联合工艺生产制造，该方法具有加工量大、材料利用率低、生产周期长等缺点。且因模具钢性能要求高、几何结构复杂、材料形变难等原因，给传统制造工艺带来了很大困难。而电弧熔丝增材制造技术有望为具有复杂形状、大尺寸模具钢构件的制备提供一种有效途径。该技术在沉积时无需多道繁琐工序配合，显著改善效率、降低成本、提高材料利用率，且不受成型室空间限制而可柔性制造大尺寸构件。因此，本课题旨在:(1)建立不锈钢电弧构件“沉积方位-热历程-显微组织-力学性能”间内在关系;(2)通过沉积参数优化以主动控制原位微热处理制度而实现结构性能主动控制;(3)采用冷金属过渡焊技术打印含随形冷却复杂内流道块体模拟件。通过本课题的开展将为增材制造模具钢构件的制备及结构性能研究提供技术支撑及理论支持。　　研究成果如下:　　阐明了2Cr13沉积件内部周期性结构特征及性能演变规律，为组织性能调控提供了指导。顶层(第25层)为外延状铁素体内分布着针状马氏体，其余层以层高为周期，一周期内分为细晶区(重熔区)、过渡区(淬火区)及粗晶区(过热区)。第2-24层粗晶区因原位微热处理使部分亚稳态马氏体发生碳原子自扩散而生成稳态铁素体，马氏体含量沿沉积高度反方向逐渐降低。原位微热处理亦使马氏体基体上析出大量非晶薄层包裹的晶体内核纳米相。硬度性能随周期性组织呈周期性演变。拉伸性能因马氏体强化、细晶强化及弥散强化而改善。　　揭示了不同层间温度下2Cr13沉积件结构性能各向异性演变规律，实现了结构性能主动控制。550℃沉积件内针状马氏体因重熔碎晶呈细长外延状生长并具有略强织构取向，且于马氏体间隙处零散分布着很少量细小不规则逆变奥氏体。550℃沉积件因细晶强化获得了较高强度与硬度，但拉伸性能具有明显各向异性。110-180℃沉积件各领域间板条状马氏体虽大致沿沉积方向生长但无明显织构取向，马氏体晶粒因层间温度降低导致冷凝速度增加而略呈细化趋势。110-180℃沉积件力学性能因具有相近板条状马氏体组织而较相近且呈各向同性。　　建立了H13块体“沉积方位-热历程-显微组织-力学性能”间内在关系。主体区和搭接区组织转变过程分别为L→γ→M和L→γ→M→L→γ+δ→M+δ。主体区中心区域与搭接区中细小针状马氏体分布于近等轴状铁素体内;其余区域则呈外延状分布。大量纳米级及亚微米级颗粒因高应变马氏体晶格畸变及内应力释放而析出。各区内拉伸性能排序为:搭接区＜混合区＜主体区(强度)、混合区＜主体区＜搭接区(塑性)。上部主体区马氏体尺寸最细小、下部次之、中部最粗大;与中部搭接区相比，上部及下部均残留有较少δ-铁素体。　　研究了四种沉积路径下H13块体结构性能各向异性演变规律。相邻道间沉积方向对沉积态结构性能影响较小，相邻层间沉积方向影响较大。相邻沉积面沉积方向相同构件搭接区中间区域为全针状马氏体、两侧为马氏体加少量δ-铁素体;构件横向与纵向拉伸性能呈各向同性且耐磨性较好。而相邻沉积面沉积方向垂直构件搭接区均为马氏体加δ-铁素体，但中间区域马氏体和近长条状δ-铁素体生长方向性很强;构件拉伸性能呈各向异性。　　搭建了ABB机器人辅助CMT电弧熔丝增材制造平台，分别采用“直接盖面法”与“切削盖面法”电弧打印了含随形冷却内流道H13块体模拟件。两者区别在于:“直接盖面法”将流道顶层钢板覆盖于全焊缝结构流道上表层后继续进行电弧沉积;“切削盖面法”则先在沉积块表面进行下半部分流道槽铣削、然后将机加工后上半部分流道顶盖与其装配、再继续沉积。上述两种方法均解决了传统模具中冷却流道仅可通过直线钻孔制备的难题。

关键词： 感应加热   电弧熔丝增材   感应线圈   平台设计   焊道截面尺寸  

摘要： 随着社会的不断发展,对加工制造产业提出了更高的要求,电弧熔丝增材制造技术由于效率高,灵活性强等特点,广泛应用于各个领域,传统电弧熔丝增材制造由于热输入大,增材速率低,成为制约其发展的瓶颈,为了减小电弧熔丝增材制造过程中的热输入,减小基板热损伤,提高增材效率,课题提出了焊丝感应预热的方法。本文计算了有关电磁感应预热的参数,并通过实验结合实际情况进行修正,购买了相关设备,搭建了感应热丝焊接平台,探究了不同感应加热电流对焊丝预热温度的影响,并做了一系列焊丝预热实验探究感应加热电流参数对焊接效果的影响,为感应热丝相关工艺制定提供参考,主要内容如下:首先,根据查阅资料以及经验公式,对感应加热设备的参数进行了大致计算,包括线圈的长度,内径,电源频率等,之后到感应设备公司进行焊丝加热试验,根据加热效果以及感应线圈与焊枪的配合,线圈的实际效率等情况,对电源以及线圈的参数进行调整,在满足使用要求后,购入加热设备。使用所购加热设备,进行了焊丝加热的实验,发现焊丝温度随着感应加热电流的增大而增大,随着送丝速度的增大而变小。然后,对感应加热平台与焊接平台进行整合,首先根据CMT焊接平台设计了线圈与焊枪随动连接结构,其次根据线圈与焊枪的尺寸,设计了具有焊丝挺度矫正作用的陶瓷管以及具有防止焊接保护气逸散、防止焊渣飞溅损害线圈的保护外罩,由于搭载CMT的机器手臂载重不够,另外设计了基于MIG焊接的同步作业平台,由载重小车承载线圈在导轨上进行移动,制作连接装置将焊枪与线圈固定实现焊枪与线圈的随动,将焊枪送丝开关与加热电源开关引出后连在同一开关上,实现了焊机送丝与线圈加热的同步启停。最后,由搭建的感应热丝电弧熔丝增材制造平台开展了相关实验,研究了不同感应加热电流参数下,焊接得到的焊道形貌以及截面尺寸、热影响区深度的变化规律。发现随着感应电流的增大,焊道熔宽逐渐增大而余高逐渐减小,热影响区深度基本保持不变,但比无感应加热时的热影响区深度大。

关键词： 电弧增材制造   Ti-6Al-4V   热处理工艺   显微组织   力学性能  

摘要： Ti-6Al-4V作为常用的钛合金之一,被航空航天等领域广泛使用。但是,由于钛合金传统制造技术存在着生产周期较长、材料利用率较低、制造成本相对较高及难以制造复杂结构件等问题,在一定程度上限制了Ti-6Al-4V合金的应用。本文通过低成本和高效率TIG电弧增材制造（TIG WAAM）技术的研究,解决激光增材制造技术（LAM）等成本高和效率低两大技术瓶颈问题,进一步拓宽Ti-6Al-4V合金的应用范围。TIG WAAM是以TIG电弧作为热源,通过逐层堆积,以自下而上的方式将数字化模型直接制造出实体零部件的近净成形技术。本文采用TIG WAAM技术制备了Ti-6Al-4V合金样件,主要研究了不同热处理工艺对TIG WAAM Ti-6Al-4V合金样件组织与性能的影响。采用光学显微镜（OM）,扫描电子显微镜（SEM）和X-射线衍射仪（XRD）对沉积态试样和经不同热处理工艺下样件显微组织、断口形貌及相结构进行了分析;采用电子万能试验机和维氏硬度计测试了样件拉伸性能和硬度分布。试验结果表明,沉积态样件组织由针状马氏体组织、网篮组织及片层状组织构成;热处理态试样的组织均由大量初生α相（含有一定量的马氏体α’）和初生α相之间α+β组织构成;初生α相随沉积层高度的增加而逐渐粗化;本次热处理条件下不能完全改变沉积态试样的组织状态,存在着组织遗传现象。沉积态样件在950℃/2h/WC（水冷）、950℃/2h/AC（空冷）及950℃/2h/FC（炉冷）热处理条件下随着热处理冷却速率的降低,抗拉强度（UTS）和屈服强度（YS）逐渐降低,延伸率（EL）和断面收缩率（RA）逐渐提高;上述950℃/2h/AC热处理条件下获得的最佳力学性能指标（UTS850Mpa、YS810Mpa、EL5%及RA6%）超过铸造Ti-6Al-4V国家标准（UTS835MPa、YS765MPa、EL5%）。沉积态样件在850℃×1h/AC、850℃×1.5h/AC、850℃×2h/AC及850℃×2.5h/AC正火处理条件下,随着正火保温时间的增加,样件的UTS、YS、EL及RA均呈现先升后降的变化规律,在保温时间为2h时综合力学性能达到最佳状态;随着正火温度的增加,样件UTS、YS、EL及RA均呈现先升后降的趋势,沉积态样件在850℃/2h/AC正火处理条件下综合力学性能（UTS940MPa、YS926MPa、EL10.5%及RA13.7%）达到最佳状态,其拉伸性能超越了Ti-6Al-4V合金铸造国家标准。沉积态样件在950℃/2h/WC固溶处理后,分别研究了时效温度和时效时间对样件组织性能的影响规律,随着时效温度的增加,样件UTS和YS均呈现逐渐下降的趋势,EL和RA均呈现先升后降的趋势,在950℃/2h/WC+600℃/6h/AC下获得了最佳的强-塑性匹配;随着时效时间的增加,样件UTS和YS均呈现逐渐下降的趋势、EL和RA均呈现先升后降的趋势,在950℃/2h/WC+600℃/6h/AC下获得了最佳的强-塑性匹配;在950℃/2h/WC+600℃/6h/AC热处理条件下,最佳力学性能指标超越了铸造国家标准。

关键词： 电弧增材   不锈钢   微观组织   电弧特性  

摘要： 随着工业技术发展,增材制造技术以其独特的制造工艺在航天、航海、生物医疗等行业占有了自己的一席之地,利用金属增材技术已经能制造性能良好的不锈钢叶轮零件。电弧增材制造以其高沉积速率、强适应性、低成本特点在大型复杂难加工易变形构件领域得到广泛关注。而TIG电弧增材制造以其良好的稳定性、无飞溅,可以实现高品质成形制等优点,目前在航空、航海、能源等领域的复杂结构大尺寸、小批量制造中广泛使用。本文针对TIG增材的电弧物理特性及组织演变规律进行研究,搭建TIG电弧增材制造系统,从TIG焊增材成形工艺、电弧物理特性和组织演变三个方面进行讨论。本文主要研究内容如下:合适的电弧增材工艺参数是获得性能良好的构件的前提。增材电流和熔滴过渡形式是影响电弧稳定性及构件成形形貌的重要参数,本文分别以三种不同的电流大小进行增材工艺试验,并对三组电流下增材成形形貌、电弧过渡形式以及电弧形貌进行对比最终确定焊接电流200A,焊接速度250-260mm/min,送丝速度200cm/min,层间冷去时间60s左右,过渡形式为搭桥过渡条件下为最优参数。在TIG电弧增材的过程中,随着增材层数的增加,增材电弧的性能也发生变化。通过TIG电弧增材的光学采集试验系统获得增材电弧的谱线分布及电弧的特征谱强度分布,并通过分析增材电弧的几何形貌,获得增材电弧的直观变化趋势。进一步利用相对强度法计算增材电弧中心位置温度,分析增材过程中电弧温度的变化趋势,得到了增材电弧中心位置温度在前5层整体呈上升趋势,5层后电弧中心温度小幅度降低后,再稳定在一定范围的变化趋势。根据电弧热源的热流分布特点,分析增材电弧中热源的变化规律,得到了增材热源随着沉积层数增加,电弧中心温度升高并向两边呈高斯分布辐射,在五层后,温度分布趋势稳定在一定范围的变化特点。对增材过程中电弧物理性能的分析为增材构件中热量输入的研究奠定基础。增材过程中各沉积层经历了重复的预热,加热及后热的过程,其组织变化由增材过程中电弧的输入热量与工件散热的热过程共同决定。本文分别对热累积非平衡状态和热累积平衡状态下,增材构件沉积过程中顶层的微观组织形貌进行观察,讨论多层沉积层中顶层微观组织形貌变化行为,接着分别对热累积非平衡状态和热累积平衡状态下,增材构件整体的微观组织形貌进行观察,分析不同层增材构件的整体微观组织,得到了不同状态下的微观组织形貌结构和组织演变规律。

关键词： 含复合脱氧剂   电弧增材   药芯焊丝   性能优化  

摘要： 电弧增材制造技术修复模具相比于传统的手工堆焊修复技术有着很多优点，但是传统的焊接材料满足不了该技术的使用要求。国产手工堆焊RMD535药芯焊丝虽然性能优良，但是熔渣含量较多不能连续焊接，本文在该焊丝基础上降低其熔渣含量，同时为了增强焊丝保护效果，对焊丝复合脱氧剂的成分配比进行优化，以研制一种能够真正适用于模具电弧增材再制造的焊丝。　　首先，使用焊接飞溅率测量、焊缝成形观察、硬度韧性测量等方法研究熔渣含量对焊丝性能的影响，发现：当焊丝中的熔渣含量为15%时，焊丝可以实现连续焊接，并且在焊接过程中有着较小的飞溅，以及良好的熔渣覆盖和焊缝成形，同时力学性能优良。　　其次，调节焊丝中的铝镁合金含量，研究结果显示：当焊丝中铝镁合金含量为1.2%时，焊接过程中熔滴过渡较细，飞溅也较小同时焊缝有着良好的宏观成形;并且熔敷金属中针状铁素体含量较多，整体微观组织均匀细致，还有着较高的硬度和良好的韧性。　　再者，通过金相组织观察、扫描电镜分析等方法分析钛含量对焊丝力学性能的影响，结果显示当焊丝中钛铁含量为1.8%时，熔敷金属中的夹杂物相对比较细小，微观组织中针状铁素体含量较多而先共析铁素体含量较少，整体力学性能优良。　　进一步调节焊丝中的硅铁含量，发现：随着焊丝中硅铁含量的增加，熔敷金属中的大尺寸夹杂物呈现先降低后增加的趋势，同时熔敷金属的硬度逐渐增加而韧性逐渐降低。当焊丝中硅铁含量为1.6%时，熔敷金属在有着较高硬度的同时还有着良好的韧性。　　最后，将最终的试验焊丝与基础焊丝的性能进行比较，发现试验焊丝有着优良的综合性能。将不同直径的焊丝性能进行比较，发现直径为1.6mm的焊丝不仅有良好的焊缝宏观成形以及优良的综合力学性能，还能保证较高的生产效率。　　本文研制的熔渣含量为15%，铝镁合金含量为1.2%，钛铁含量为1.8%，硅铁含量为1.6%，直径为1.6mm的药芯焊丝有着良好的工艺性能和力学性能，可以实现连续焊接，并有着较高的生产效率，可以满足模具电弧增材再制造的使用要求。

关键词： 电弧熔丝增材制造   CMT   工艺规划策略   成形精度控制   温度场模拟  

摘要： 电弧熔丝增材制造(WAAM)是以数字模型为基础，将材料逐层堆积直接制造出三维实体的新型制造技术，其在制造效率、材料利用率、结构易构性和自动化程度等方面均有突出优势，极大地释放了工业领域功能性复杂金属构件的制造潜力，得到世界各国的高度重视。与其他工艺相比，基于冷金属过渡(CMT)弧焊工艺的增材制造技术在制造效率与节能降耗方面具有明显优势，然而，该技术的应用仍存在许多问题，例如:WAAM的熔池体积较大且处于弱拘束状态，容易受到外部环境或参数变化的扰动，影响成形稳定性;制造过程中热量积累引起熔敷层尺寸误差传递效应;非平衡加热过程导致残余应力和形变等。因此，如何控制零件的成形精度是WAAM技术的关键点，为解决此问题，本课题具体研究工作从增材制造的弧焊工艺特性、工艺规划及优化、熔质传输、热量传输这四个方面展开:　　(1)搭建基于KUKA机器人和CMT焊接工艺的增材制造平台，基于Robotmaster开发WAAM离线编程控制系统。以单道多层结构为制造模型，研究工艺参数(送丝速度、行走速度、弧长修正、焊枪行走角度)对制造过程和成形形貌的影响作用和机理，在此基础上优化工艺参数，改善薄壁结构成形质量。构建以送丝速度、单位长度熔敷层的金属熔敷量为输入变量、以熔敷层宽度和高度为输出变量的工艺响应模型，对熔敷层成形几何特征进行预测，以典型结构件为例验证响应模型的精度。　　(2)针对复杂曲率路径的成形精度控制问题，开发自适应工艺控制方案，根据焊枪运动轨迹的曲率阈值分割路径，并根据机械动力学约束和工艺模型分别规划焊枪行走速度和送丝速度，实现平滑的机械运动和均匀的熔敷层成形形貌，从而保证零件成形的精确性和制造过程的稳定性。针对增材制造中成形尺寸特征与工艺属性的权衡问题，引入增材微元模型，将高温液态金属熔滴向已成形表面持续过渡宏观等效为微元结构的离散叠加，将电弧热源的热、质解耦控制问题转化为求解微元结构的热、质需求问题，开发多目标优化算法，以变截面异形弯管为制造模型，优化工艺参数，实现制造过程最优化。　　(3)针对倾斜结构零件制造方法，提出一种利用电弧焊接优异的层间搭接能力直接成形的制造策略，分析了倾斜熔敷模型几何特征，采用高速摄像机从横截面的角度拍摄液态金属的传输行为，发现了倾斜短路过渡现象。基于非对称力场模型、非对称磁场模型分析了熔滴倾斜短路过渡过程，研究工艺参数(送丝速度、焊枪行走速度、横向偏移量)对熔滴过渡行为和倾斜壁成形形貌的影响规律和作用机理，构建了工艺响应模型，实现典型的变截面倾斜结构花瓶零件在无变位装备条件下直接熔敷成形。　　(4)针对大尺寸薄壁结构件增材制造过程中变温度场下的成形误差控制问题，提出一种新颖的变工艺参数控形技术。通过有限元方法建立变温度场数值模拟模型，研究增材制造过程中工件上的温度传递行为、分布特征及演变规律。定义温度控制节点和参数控制节点，开发温度监测方法和温度预测算法，构建准稳态阶段的温度—尺寸预测模型，以温度变量为前馈，控制熔敷层成形尺寸，在保证零件成形精度条件下提升制造效率。