关键词： CMT电弧增材制造   四元保护气   电信号特征   微观组织   力学性能  

摘要： 针对目前高氮奥氏体不锈钢CMT电弧增材过程中存在的熔覆过程不稳定、氮损失、氮气孔等问题,本课题基于机器人CMT电弧增材制造技术,研究四元保护气体对高氮钢增材过程影响,优化高氮钢CMT电弧增材保护气成分配比。首先,进行了CMT熔敷金属增材试验,通过高速摄像观察不同保护气下的熔滴过渡情况,发现高氮钢CMT熔滴过渡过程不稳定的主要原因在于熔滴形成过程中发生爆炸飞溅。通过采集与之相对应的电弧形态与电信号参数,分析其变化规律,发现当N2含量处于0%～10%,O2含量处于0%～2%,He含量处于0%～30%时,能够得到比较稳定的熔覆过程。然后,通过对熔敷金属表面成形、气孔率、氮含量、微观组织与成分以及显微硬度的系统研究,分析发现N2的添加有助于平衡熔池内外氮分压,抑制气孔的生成,熔池凝固模式由FA凝固模式改变为A凝固模式;He的添加会有益于内部气孔的上浮,抑制内部气孔形成,但含量过高时会延长熔池存在时间,导致氮含量损失加剧,且会促进铁素体枝晶的进一步长大,形成二次枝晶甚至三次枝晶;O2的添加能够增加液态熔池中氮的过饱和度,减少氮原子相互结合生成氮气的倾向,抑制气孔的生成,而含量过多时则会加剧Mn的烧损,抑制了奥氏体组织的形成,同时条状、粒状铁素体数量增多。最后依据制定的保护气工艺窗口,进行了增材构件的表面成形、内部缺陷以及拉伸性能等方面的研究。分析发现2～5号构件表面成形良好,平面度在1.3mm左右;增材构件道间存在的裂纹与层内存在的夹杂缺陷是由于在增材过程中产生的Mn的氧化物所导致。通过优化保护气成分,能够得到气孔较少、缺陷率较低的增材构件。增材构件的拉伸宏观断口均存在明显的塑性变形,微观断口均存在大量的韧窝以及球形第二相粒子,断裂模式为微孔聚集型断裂,最大抗拉强度达到870MPa,断后延伸率达到30%。最终,优化的最佳保护气配比为73.5%Ar+5%N2+1.5%O2+20%He。

关键词： 电弧增材制造   热输入   熔滴过渡   等离子流   高速摄像技术  

摘要： 电弧增材制造技术是以焊接电弧为热源,焊丝为原料,基于计算机三维建模技术,以焊丝熔化产生的熔滴为基本单元,层层堆积,直接成形零件的技术,具有沉积效率高、材料利用率高、设备成本低、设计灵活等优势,适用于大型简单金属构件的制造,已经应用于航空航天、汽车制造等领域。然而,现有技术其仍有两个未解决的问题:一个是由于电弧温度过高,热输入过大导致的成形件残余应力和变形较大;另一个是台阶效应和表面粗糙导致的成形精度低。对于熔化极气体保护焊接工艺,采用间接电弧的方式可以有效的减小电弧对焊缝的热输入,但是易产生焊缝不熔合和熔滴过渡不稳定的情况,为了解决电弧增材制造过程中电弧对堆积层热输入过高这一问题,采用陶瓷喷嘴拘束间接电弧的方式,以期望获得低热输入兼稳定的熔滴过渡过程,后续的实验证实了其可行性。针对之前该技术存在工艺重复性差、堆积层飞溅多的问题,而其原因在于缺乏对焊枪工作原理、不同参数下电弧行为及熔滴过渡规律的理解,因此本论文主要研究了该技术的物理过程,并基于此获得了改善的堆积层成形,主要研究内容及结论如下:（1）设计并加工了带有高温玻璃视筒的水冷铜喷嘴,采用高速摄像技术探索了无喷嘴拘束下电弧及熔滴的产生过程,研究了不同电流参数、电压参数及保护气体流量参数下的电弧形态和熔滴过渡规律。高电参数下的电弧及熔滴过渡过程更加稳定,更适合该工艺,并选取了 300 A/18.3 V,保护气5 L/min作为一组合适的参数。（2）通过直观的熔滴过渡图像对比,归纳总结了两种不同的熔滴过渡特征,一种以单个熔滴过渡,对应于参数范围80A/14.9 V—240A/18.3 V,一种以形成液相柱再分裂为单个熔滴的形式过渡,对应于参数范围250 A/18.3V—300A/18.3 V,并从力学的角度定性地解释了这些现象。（3）运用视觉检测的方法,设计了三组对照实验探索在陶瓷喷嘴拘束下电弧及熔滴过渡行为,以凸显陶瓷喷嘴的拘束作用。使用陶瓷喷嘴拘束间接电弧可以产生等离子流,将从喷嘴内喷射出的气流以亮度为区分,较暗的被称为等离子流,亮度较亮的称为主电弧。等离子流可以促使电弧形状的改变并促进熔滴过渡。（4）使用改善后的工艺参数获得了工艺重复性良好且几乎零飞溅的单层单道成形;尝试了多层单道的堆积层成形,排除工艺参数,由于焊枪机械结构不完善,成形不是很好;最后提出了焊枪的几点不足及改进的建议。

关键词： 316L不锈钢   电弧熔丝增材制造   显微组织   力学性能   耐腐蚀性能  

摘要： 316L不锈钢具有良好的焊接性能、力学性能以及耐腐蚀性能,被广泛应用于核电、化工等领域。电弧熔丝增材技术具有高的加工效率,已在某些316L不锈钢构件的制造中得到尝试。但电弧熔丝增材工艺参数对316L不锈钢的显微组织、力学性能以及耐腐蚀性能的影响尚不清楚。本文面向316L不锈钢核电构件的制造,开展316L不锈钢电弧熔丝增材工艺实验,对增材试样进行硬度、拉伸、电化学腐蚀和显微组织观察等测试,研究了冷却速度、线能量密度、层间温度与材料显微组织、力学性能以及耐腐蚀性能的关系。首先,研究了送丝速度以及扫描速度对316L不锈钢沉积单道成形形貌以及几何尺寸的影响。研究发现,随着扫描速度的增大或者送丝速度的减小,沉积单道的成形形貌由熔宽过大、蛇形焊道特征逐步转变为成形良好特征再进一步转变为断续、驼峰特征,且熔宽、熔深、层高都减小,熔深最小只有0.57 mm。通过对试样形貌的综合分析,建立了316L不锈钢电弧熔丝增材制造的工艺窗口。其次,研究了电弧熔丝增材制造过程中线能量密度和冷却速度对材料显微组织、力学性能以及耐腐蚀性能的影响。研究结果表明,电弧熔丝增材制造316L不锈钢的显微组织主要包括奥氏体柱状树枝晶以及δ-铁素体;随着线能量密度的增大,奥氏体柱状晶的一次枝晶间距增大,此时,虽然材料的断裂延伸率增大,但抗拉强度和屈服强度变小,耐点蚀性能变差;随着冷却速度的增大,奥氏体柱状晶一次枝晶间距减小,δ-铁素体含量增多,材料的抗拉强度、屈服强度增大。最后,研究了层间温度对316L不锈钢力学性能以及耐腐蚀性能的影响。发现随着层间温度的升高,奥氏体的二次枝晶间距增大,δ-铁素体含量显著减少。当层间温度为400℃时,材料具有较小的表面粗糙度,良好的综合力学性能以及耐腐蚀性能。

关键词： CMT电弧增材制造   2319铝合金   微观组织   拉伸性能  

摘要： 2219铝合金属于2XXX（Al-Cu）系合金,其特点是强度高,因此通常称为硬铝合金,广泛应用于航空、航天领域航天火箭焊接氧化剂槽与燃料槽,超音速飞机蒙皮与结构材料。ER2319铝合金是专门用于焊接Al-Cu合金的焊条和填充焊料,其成分与2219铝合金相同。得益于2219铝合金广泛的应用领域,其增材制造技术成为研究热点。但若采用主流的激光增材制造技术,由于反射率高铝合金会发生球化结晶,致使冶金结合不良。以电弧为热源避免了高反射率问题,成形效率高,在铝合金制造领域优势显著。CMT（Cold Metal Transfer）技术作为一种新型焊接工艺,热输入量小、飞溅少等工艺特点,非常适合铝合金等低熔点金属的增材制造。本文在完成CMT电弧增材制造2319铝合金的成形工艺研究、组织性能表征之后,初步揭示其微观组织演变规律,制定适用于沉积态2319铝合金的热处理工艺,优化析出强化效果以实现峰值时效。引入超声振动以细化晶粒,控制气孔缺陷,从而改善沉积态2319铝合金的力学性能,使其综合力学性能接近传统制造方法。主要研究内容和结果如下:沉积态2319铝合金的显微组织非均匀分布,顶部圆弧区分布了大量枝晶,点状和棒状共晶组织（α-Al+Cu Al2）断续分布,中下部熔宽稳定区枝晶逐步向等轴晶过渡,网状共晶组织连续分布,而底部区域存在少量柱状晶。沉积态2319铝合金不同区域组织特征各异,但呈现出规律性的晶粒形貌演化过程,形成了晶粒沿沉积高度方向生长的一致性。Cu元素固溶于Al基体中或以Cu Al2的形式存在,不同成形参数下合金的组织差异较小。此状态下沉积态2319铝合金拉伸性能无各向异性,抗拉强度和屈服强度分别可达277MPa和119MPa,延伸率在13%左右。拉伸断口上分布了大量等轴韧窝,断裂机制为韧性断裂。针对沉积态2319铝合金进行了热处理工艺研究。结果表明沉积态2319铝合金经（固溶:535℃,60min+时效:175℃,3h）热处理后硬度和强度显著提高。通过分析实现热处理组织、性能优化的关键因素,探究了回归再时效处理对沉积态2319铝合金的工艺适应性,明确了影响合金强度的关键组织特征,探索了回归再时效处理状态下合金的时效峰点。结果表明再时效11h时合金基体内的存在大量弥散分布的θ″和孤立分布的θ'相,晶界无析出带宽度较窄,使合金的强度达到峰值,抗拉强度和屈服强度分别达到394MPa、266MPa,延伸率为8.1%。因此,采用固溶时效处理和回归再时效处理结合的热处理制度可使沉积态2319铝合金的综合力学性能优于2219T4态变形铝合金,已接近2219T6态变形铝合金。引入超声振动后,沉积态2319铝合金晶粒细化明显,平均晶粒直径由147.20μm减小至71.06μm,细化了48%。沉积态中少量分布的粗大柱状晶在引入超声振动后被抑制,微观组织由细小等轴晶和等轴枝晶组成,组织的均匀性得到改善。另外,超声振动具有良好的除气效果,可以有效减少沉积态2319铝合金的气孔数量、降低气孔平均直径。引入超声振动后气孔数量可减少79%,基本消除了70μm以上的气孔。力学性能方面,引入超声振动后,2319铝合金的抗拉强度和屈服强度均有小幅提高,分别比沉积态提高了3.4%和6%。延伸率略有下降。拉伸性能各向同性特征更加显著。

关键词： 电弧   增材制造   铝合金   Q235低碳钢  

摘要： 在船舶建造初期,船舶制造业使用的材质大都是钢材料结构,但随着科技进步,技术成熟,造船行业为了实现轻量化以获取更高的船速,一般使用密度较低且性能较优的铝及铝合金结构,因此铝合金的大量投入使用避免不了两种材质结构互相连接的位置。然而铝和钢的物理性能相差又很悬殊,所以铝和钢的直接连接存在许多问题。综合以上几点,本文首先研究船用5083铝合金电弧增材制造工艺研究,然后在此基础上再对5083铝合金-低碳钢异种材料结构电弧增材制造工艺进行研究。船用5083铝合金电弧增材制造工艺研究中主要是基于已有实验的文献数据,通过对数据进行推算和模拟,采用FD V6焊接机器人进行操作,完成船用铝合金TIG电弧增材制造实验。实验中,选择船用5083铝合金作为基板,增材材料为ER5356铝合金焊丝,研究影响焊缝外观成形尺寸的几大焊接参数。对参数优化后,然后利用该参数完成铝合金墙的制造,最后观察微观组织并对其力学性能进行分析。实验发现,当焊接电流、焊接速度以及送丝速度为100A、30cm/min和140cm/min,脉冲频率为100Hz时所获得的铝合金墙外形美观,内部微观组织性能良好,且拉伸测试实验表明抗拉强度可达264.04MPa,为母材强度的83%左右,断裂延伸率为20.09%。5083铝合金-低碳钢异种材料结构电弧增材制造工艺研究中主要以Q235低碳钢板为基板,同样选择ER5356铝合金焊丝作为增材材料进行研究。实验首先进行单层单道焊缝成形研究,分别讨论使用钎料和不使用钎料两种情况下焊接参数对焊缝外观成形的影响规律,对参数进行优化,然后利用该优化后的成型参数进行试件制作,观察所得试件的微观组织以及组织腐蚀后的晶粒、晶界,最后采用扫描电镜和能谱仪完成连接界面化学成分的分析。实验发现,在使用钎料后,当焊接电流、送丝速度以及焊接速度的参数为180A、160cm/min和25cm/min时,焊缝宏观成形均匀完整,无飞溅产生,焊接过程稳定,且内部微观组织仅存在少量缺陷,铝侧主要由α-Al基体与细晶区和柱状晶组成,组织性能得到改善。

关键词： 电弧增材制造   数值模拟   温度场   应力场   成形路径   层间冷却  

摘要： 电弧增材制造技术拥有节约成本、工期短、不受工件尺寸大小限制等诸多优势,而船舶作为一种典型的大尺寸复杂结构,许多工件尺寸都过大,因此研究船舶常用金属的增材为船舶大尺度金属零件的快速成形提供了新途径。铝合金材料具有优良性能,且有利于减轻船体自重,提高船舶的快速性,符合造船业发展的要求。但目前对于该技术的研究领域主要集中在焊接实验工艺优化和实验成形控制上,对于影响增材成形质量的温度场、应力场演变等物理过程的研究则较少,因此本文选择采用数值模拟技术基于MARC对船舶常用的5083铝合金材料的增材制造进行研究,以期通过研究电弧增材制造过程的内在规律、为提高实际增材过程中的增材工件成形质量提供依据。首先,基于OTC AⅡ系列脉冲TIG焊机器人系统,针对不同工艺参数下的铝合金多层单道成形选择合适的成形参数下获得的成形件几何参数作为有限元几何模型的建模基础。由于大部分金属材料的性能参数只停留在常温区段,而对于高温区段的热物理性能参数存在不够完整的情况,不利于有限元模型的建立,因此在有限元模型建立过程中,采用了材料性能模拟软件JMatPro对本文增材制造过程中所用到的铝合金5083金属材料进行热物理性能的分析计算,得到建模所需的材料参数。根据实际工况进行熔覆层模型与力学边界条件,设置焊接热输入参数,选取热源模型,以得到较为合理的数学模型以供后续分析计算。其次,基于所建立的有限元模型,对铝合金多层单道增材工件的温度场与应力场进行计算分析。结果表明,在温度场方面,增材工件内部存在比较大的温度场梯度,且随着熔覆层数的增加,增材工件内部热量累积现象明显,但同时,第一层增材的热循环曲线状态也趋于稳定在应力场方面,在基板与熔覆层的连接处容易产生应力集中,且增材工件在冷却过程中产生的纵向应力在残余应力的形成中占有主导作用。最后,对不同的成形路径和层间冷却时间下的增材工件的温度场、应力场进行了计算。结果表明,成形路径会影响增材工件的散热情况、残余应力以及变形。综合来看交叉增材的成形效果与应力分布都比同向增材表现得更优秀,可以在保证工件成形效率的同时也保证工件的质量。增加层间冷却时间,会降低增材工件整体的热累积量,使增材工件整体的残余应力大情况得到改善。本文对电弧增材制造过程中温度场、应力场进行了数值模拟计算,揭示了增材过程中热、力演变的规律及特点,研究了不同成形路径及层间冷却对增材工件的影响,为改善成形质量提供理论支撑。

关键词： 电弧增材制造   数值模拟   TC4   晶粒生长  

摘要： 钛合金具有密度低、强度高、耐蚀性好以及优良的耐高温性能和生物相容性等特点,因此被广泛应用于航空航天以及医疗设备等方面,但钛合金的加工性能较差,采用传统的去除材料加工方法的成本高昂。随着增材制造技术的不断发展,增材制造技术在钛合金上的应用引起了研究人员广泛关注。TC4钛合金由于其出色的性能,是当前使用最多的钛合金材料,电弧增材制造技术具有成本低、设备较为简单且易于控制的特点,广泛应用多种材料的增材制造技术中。使用电弧增材制造技术制备TC4钛合金零部件是最为经济的。金属材料的力学性能主要取决于晶粒的形态、大小及取向等因素,由于难以对增材制造过程中晶粒的形核、生长及演变过程进行直接观察,采用物理建模的数值分析方法可深入分析复杂热源条件下晶粒的形核、生长及演变行为,并探究增材制造过程在特殊热循环下,晶粒形貌形成原因及机理。本文结合蒙特卡洛方法（Monte Carlo,MC）MC和CA（Cellular Automaton,CA）方法建立非热平衡条件下的多取向物相模型,对增材制造中熔池凝固过程以及晶粒形核和生长行为进行了二维及三维数值分析。数值模型采用六边形网格,使用蒙特卡洛方法对熔池不同位置的液相进行随机非均匀形核及均匀形核的网格选取,遵守最小能量原则进行晶粒生长;且采用元胞自动机方法考虑相邻网格的溶质扩散、浓度分布、晶粒取向等进行计算;考虑电弧热源特性,建立三维传热模型分析了不同工艺参数条件下的峰值温度、冷却速度对晶粒生长情况影响。分析了不同工艺参数对熔池及热影响区的晶粒生长取向、晶粒尺寸、晶粒形貌的影响规律;分析多道多层堆垛对晶粒形貌的影响及作用机理。该模型围绕实际非平衡热源建立,将模拟结果与试验结果进行对比分析。首先在二维尺度上进行建模,通过分析模拟结果发现,峰值温度、线能量及冷却速度对热影响区和焊缝的晶粒生长有显著影响。随着峰值温度升高热影响区和焊缝晶粒尺寸增加;线能量对焊缝及热影响区晶粒尺寸的影响最显著,随着线能量的增加其晶粒尺寸增加;随着冷却速度增加,晶粒尺寸减小。在二维模型中还研究了液相停留时间对焊缝及热影响区晶粒尺寸的影响情况,研究发现液相停留时间对晶粒尺寸没有太大影响。其次,通过建立了三维模型来研究熔敷和堆垛过程中晶粒生长情况,研究发现不同的参数对熔敷金属晶粒的尺寸生长取向有显著影响,熔敷速度越快晶粒尺寸越小,晶粒在生长过程中偏转越明显;峰值温度越高,熔敷金属的晶粒越大,生长过程中偏转角度越小。

关键词： 电弧增材制造   高温合金   微观组织   力学性能   增减材一体化  

摘要： 高温合金以其耐高温、抗腐蚀以及抗蠕变等优良性能广泛应用于工业领域,但传统加工方法存在效率低成本高等问题,限制了其进一步发展。电弧增材制造不仅成形效率高、材料利用率高,而且具有成形路径受限小、尺寸范围大等优势。高温合金增材成形结构件的组织性能是影响其在工程应用的关键因素,因此本文研究了GH4169镍基高温合金TIG电弧增材成形质量。通过扫描仪测量了堆焊层轮廓,对焊道模型进行简化拟合后建立了电弧增材单道熔覆和多层堆积的数学模型。基于JmatPro软件模拟计算出材料在高温条件下的热物理参数,借助ANSYS参数化语言APDL,采用生死单元法实现了电弧增材过程动态仿真。模拟了单道熔覆时的温度场变化规律并通过实验对比验证,在此基础上进行多层堆积模拟仿真,分析多层堆积过程中温度场变化规律以及基板对焊道散热的作用。研究了不同增材工艺参数对镍基高温合金宏观成形质量的影响。首先通过正交试验探究了镍基高温合金单道熔覆时稳定成形的工艺参数范围,接着探究了焊接电流、焊接速度以及送丝速度等工艺参数对焊道熔宽和余高的影响,采用多元非线性回归分析建立了增材参数与焊道熔宽以及余高的数学关系模型。在多层堆积过程中,研究了增材工艺参数对直壁件成形形貌的影响,通过试验探究了各个熔覆层高度之间的关系,解决了自动化增材过程中焊枪抬升高度问题。探究了不同增材工艺参数对镍基高温合金成形件微观组织及力学性能的影响。首先分析了单道熔覆的组织生长特征和显微硬度变化规律,然后探究了多层堆积时成形件在不同位置处的晶粒尺寸、析出相及显微硬度等变化情况,最后通过单因素控制变量法研究了焊接电流、焊接速度以及送丝速度等工艺参数改变时,成形件的微观组织、显微硬度及抗拉强度的变化规律。最后针对单纯电弧增材制造成形件表面质量差,不能直接满足实际应用的问题,设计了机器臂电弧增材与数控减材一体化成形系统。通过设计专用夹具搭建了两套增材成形系统,即机床电弧增材成形系统和机器臂电弧增材与机床铣削减材一体化成形系统。借助数控机床M代码的通讯功能和机器臂的外部接口实现机器臂与加工中心、焊机以及送丝机之间的通信集成,完成增材系统与减材系统的坐标标定,并通过成形直壁叶片实验验证了增减材系统的可行性。

关键词： 电弧增材制造   316L不锈钢   增材质量评定   成型效率   辅助气体工艺  

摘要： GMAW电弧增材制造以成本低和效率高等优势被广泛应用于金属制造等领域,但其较大的热输入影响其成型形貌和性能并限制其成型效率的进一步提高,316L不锈钢GMAW电弧增材制造有多种工艺和电弧模式,提升其成型效率和质量尚缺乏充分研究。本文将316L不锈钢作为试验材料,以提高增材制造的成型效率为目标,在建立电弧增材制造质量定量综合评定系统的基础上,采用MIG和CMT两种工艺,从单丝工艺参数、双丝不同模式及辅助气体工艺,系统地研究了提高成型效率和性能的工艺优化方法。论文的主要研究内容如下:（1）综合利用电参量波形、成型形貌和显微组织的图像分析以及力学性能表现,建立了增材制造的多信息融合定量化评定系统,为增材制造的工艺试验研究提供制件成形质量的评定工具。采用沉积过程稳定性、成型质量、成型效率和性能四个一级和多个二级评定指标构建了电弧增材制造质量的评定标准与准则体系;利用统计学方法提取电压和电流概率密度集中度K值;基于横截面图像识别采用截面法、差值法和粒子测距法提取增材制造件成型效率、三个方向的成型粗糙度Sa、Sb和Sc和微观组织特征;基于模糊量化方法获得成型缺陷和弯曲性能等特征值,对这些特征值进行归一化处理,实现对增材制造质量的多指标融合定量综合评定。（2）利用MIG焊开展了316L不锈钢单丝电弧增材制造的多工艺参数对比试验,结合评定结果揭示上述工艺参数对成型、晶粒生长和性能的影响机理,在保证性能达标的条件下,着重提升“效率”,优化工艺参数。结果表明:底部渐变减小电流可稳定沉积过程并优化底部成型,而增大扫描速度或冷却时间可以降低热输入从而提高性能。直径1.2mm焊丝高速电弧加强焊的有效沉积率高于其它电弧模式,且比0.8mm焊丝提高约82.2%。在此工艺基础上进行相同电源功率的单双丝对比试验,结果表明:双丝制件的总沉积率达到1.15kg/h,而有效沉积率达到0.82 kg/h,比单丝件提升约23.2%。由于双丝填丝量的增加以及电弧力对熔池的搅拌作用,使中上部显微组织细化,制件的平均拉伸强度提高20.4MPa。所有试样的显微组织呈现柱状晶形态,由于前层对后层的预热及后层对前层的热循环处理,使底部硬度大于中上部,并且在拉伸性能上都具有各向异性,抗拉强度各向异性最高达14.38%,其断裂微观形貌为典型的韧性断裂。（3）探究双电弧相互干扰的影响机理,提出双丝采用同相位电流及非同步起弧和收弧的工艺方法,从而降低电弧相互干扰和改善增材制造样起弧和收弧端成型。通过开展对CMT焊不同电弧模式的沉积及拉断金相分析试验,揭示CMT+P模式对熔池的搅拌作用及电弧增材制造拉伸各向异性断裂机理,验证了该模式不仅有利于成型,又可连续沉积提高效率。结果表明:水平拉伸使柱状晶沿垂直于主轴方向被拉宽,晶粒产生变形,使断裂发生在晶界处;而垂直拉伸的柱状晶未发生明显变形,断裂发生在层间重熔胞晶处,说明水平方向塑性优于垂直方向。而柱状晶晶界是拉伸疲劳的薄弱环节,故具有更多晶界的水平拉伸试样的拉伸强度小于垂直强度。通过开展CMT+P不同速度的沉积试验,进一步得到双丝电弧增材制造316L不锈钢良好成型的送丝速度与扫描速度比例关系约为4.2,当扫描速度为120cm/min时,最高沉积率和有效沉积率分别为5.41kg/h和3.91kg/h。（4）构建双丝CMT+P不锈钢电弧增材制造双向辅助气体新工艺试验平台。从单层单向辅助气体沉积到多层双向辅助气体沉积,探究辅助气喷嘴角度、辅助气流量和辅助气喷嘴距离基板高度对双丝316L不锈钢电弧增材制造熔池的冷却和搅拌作用机理。在此基础上,为进一步探究辅助气体工艺参数与成型和性能间关系,利用评定系统和BBD响应曲面法建立沉积综合评定结果与辅助气体三个工艺参数间的回归方程。经模型预测得到最优辅助气体工艺参数为辅助气喷嘴角度17.4°、气体流量25L/min和喷嘴高度10.44mm。利用最优辅助气体工艺参数开展的50层沉积试验表明:由于受辅助气体气流外力的搅拌和冷却作用,与无辅助气体工艺制件相比,最优辅助气体工艺制件的微观组织得到细化,其有效沉积率、硬度和最大抗弯曲力分别提升约24%、6.85%和12.96%,同时各向异性减弱,其中抗拉强度的各向异性仅为3.7%。当送丝速度和扫描速度分别提高至5.5m/min和1.5m/min,最优辅助气体工艺沉积的50层制件成型良好,其平均硬度和抗拉强度分别达到167±5.01HV和521.45±10.25MPa,总沉积率和有效沉积率分别高达5.95kg/h和4.61kg/h,从而实现316L不锈钢的高效电弧增材制造。

关键词： 电弧增材制造   工艺   扫描路径   变形量   三维测量  

摘要： 铝合金过渡端框架是分级火箭过渡段的主承力构件,用于实现火箭级与级之间的连接,在火箭发射过程中起着重要作用。目前主要是通过将锻件毛坯进行机加工减材的方式来生产过渡端零件,生产效率低,生产成本高,已经无法满足我国运载火箭高频率、多种类的使用需求。电弧增材制造是一种以电弧为热源的新型制造方法,具有效率高、成本低等一系列优点,能够很好的满足尺寸大、结构复杂金属零件的制造,近年来已近在航空航天等领域取得了较大的发展。本文主要是对2139铝合金丝材运用电弧增材制造方式打印过渡端框架的“控形”进行研究,并打印出尺寸合格的过渡端构件。在打印过渡端框架之前,需先打印出符合尺寸要求的过渡端单元体结构。首先研究在不同工艺下单层单道、单层多道的成形尺寸和质量变化规律。在电流为80-150A范围内进行单层单道堆积时,随着电流的增大,堆积金属的熔宽呈逐渐增加的趋势,余高则保持在3.5mm范围附近,且在120A时临近最大值。运用二次回归通用旋转组合设计方法建立了单层多道堆积金属层高的数学模型公式,其中电流为正相关,枪头移动速度和偏移量则为负相关,对于层高的影响力大小为枪头移动速度>偏移量>电流。根据获得的层高数学模型,选取合理的堆积层高,运用相应的工艺参数打印过渡端单元体结构,运用三维测量技术检测出尺寸误差在±1.983mm内,有足够的加工余量,满足尺寸要求。根据单元体的结构特点,研究了不同切片工艺和扫描路径对于基板和构件变形的影响,选出变形量较小的工艺和路径。(1)在打印相同尺寸,高度为20mm的长方形金属块时,分别选择层高3.33mm、4mm、5mm三种打印方式,发现切片层高为5mm时,基板产生的变形量最小,为3.1776mm;(2)打印环形构件时,与由内到外的扫描方式相比,由外到内的扫描方式基板整体变形量更小,但由外到内扫描方式造成在接近熄弧点处角点变形量更大,造成整体基板变形不均匀;(3)加强板部分的扫描方式中轮廓偏置扫描起弧次数较多造成基板变形量较大。且该扫描方式拐角较多,造成打印成型质量较差,因此在打印时应选用圆弧扫描方式更为合理。运用变形量最小的工艺和路径打印单元体,整体变形量小于0.9mm。最后,打印铝合金过渡端框架构件,根据构件的结构特点进行分区打印。运用三维测量设备和处理软件Geomagic Qualify对每一打印区域进行尺寸测量。测得过渡端框架整体误差在±2.1268mm内,满足零件加工和使用要求。