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。

关键词： 电弧增材制造   多晶结构   建模仿真   超声检测  

摘要： 电弧增材制造技术是一种以电弧为载能束,运用丝材进行多层多道熔覆堆积的成形工艺,可一体化成形大型复杂结构零件,在未来航空、航天、核电、石化、船舶等领域关键大型构件的增材制造方面具有巨大应用潜力。受电弧焊接工艺本质的影响,在熔池凝固过程中,不可避免会产生气孔、微裂纹、夹杂、熔合不良等宏观缺陷,需要对增材构件进行无损检测。然而,电弧增材构件经历多次热循环,内部存在较大的温度梯度,导致增材沉积层组织呈层状不均匀分布,增材区域还会产生粗大的柱状晶,给无损检测带来极大挑战。针对以上问题,本文以电弧增材制造构件为研究对象,开展电弧增材多晶结构建模和超声无损检测仿真及实验研究,具体内容如下:(1)采用电弧增材实验制备了JQMG70S-6焊材的电弧增材制造金属试块,金相显微分析后观测到电弧增材制造构件内部晶粒具有分层分布的特征,分析数据获得了各区域的平均晶粒尺寸;结合电弧增材制造材料多晶体取向和弹性特性之间的对应关系,提出了一种多晶结构整体式建模方法,直接生成电弧增材构件多晶结构整体模型。(2)联合运用MATLAB和COMSOL声学仿真软件,建立了母材Q235钢的二维多晶体结构超声传播仿真模型,分析了声波在多晶体中的传播、散射规律,获得不同取向、晶粒尺寸、脉冲频率的声波幅值、衰减等信号特征,研究了晶粒及缺陷尺寸对缺陷检测信号幅值、信噪比的作用规律;在此基础上,结合研究内容(1),建立了JQMG70S-6焊材的电弧增材构件多晶结构超声检测仿真模型,得到检测信号的波形及声速、衰减系数等声学参数,同时仿真分析了电弧增材制造不同尺寸和分布区域缺陷回波幅值及信噪比的变化规律。(3)开展了电弧增材试块超声无损检测实验,获得实际超声检测信号,仿真结果与实验结果基本吻合,验证了模型的准确性。采用人工设置平底孔的方式模拟生产过程中可能出现的气孔缺陷,同时设置对比试块,进行缺陷无损探伤,获得缺陷波幅值随距离表面深度的变化规律,得出:电弧增材制造构件内部粗大且分布不均的晶粒会对缺陷探伤产生影响,距离表面较深的缺陷可能出现漏检现象。因此,在实际检测中可以适当调大增益,或者采用双面检测法使检测结果更加准确可靠。(4)制备了增材试样沿层深方向不同区域的检测试块,根据探头选型原则选取不同频率的探头,基于超声反射衰减原理对各区域试块进行超声无损检测实验,分析数据得到衰减系数随晶粒尺寸的变化曲线,构建了超声无损评价电弧增材试块晶粒尺寸的数学模型;同时研究了不同频率的探头对于检测结果的影响规律,得出采用高频探头会使检测结果更加准确的结论,建立了电弧增材内部晶粒尺寸超声无损评价方法。本文研究为电弧增材构件内部的晶粒组织评价和缺陷检测提供了理论和方法指导。

关键词： 电弧增材制造   5356铝合金   尺寸精度   数值模拟  

摘要： 铝合金由于其质轻、抗蚀、易于加工等优点,在制造业各个领域的需求量逐渐增大,而传统的锻造、铸造模具成形零件的方式已经渐渐满足不了结构日益复杂化的零件成形需求。电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacture,WAAM）采用电弧产生的能量作为热源,相较于其它金属增材制造技术,在材料利用率、成形尺寸、成本以及效率方面具有一定的优势。但目前用电弧增材制造技术成形铝合金仍然存在着技术难度高、工艺参数复杂以及成形精度低的问题。本文基于极坐标三维成形平台,对5356铝合金WAAM中不同工艺参数下单层、多层以及多道成形件的尺寸精度和质量进行了实验研究,并利用有限元软件对单道多层成形的温度场、应力场以及变形进行了数值模拟研究。首先在8mm厚度的6061铝合金平板上开展了5356铝合金MIG焊接基础工艺研究,分析了工艺参数对单道单层成形尺寸和质量的影响规律,结果表明:对于焊道熔宽和余高,各因素影响程度的主要次序为焊接速度＞焊接电流＞电弧电压。利用实验分析方法对正交试验结果进行了优化;得到最佳工艺参数组:焊接电流120A,焊接速度4mm/s,电弧电压19V;成形焊道表面质量较好,未出现明显缺陷。其次,建立了10道5356铝合金单道多层焊接模型,通过焊接模拟软件***对焊接温度场、应力场和变形进行了模拟。结果表明通过设置一定的层间冷却时间能够降低多层成形时热累积作用下的构件塌陷风险;通过分析应力场和变形演化规律,得到了残余应力和变形分布的主要区域。然后在10mm厚度的6061铝合金平板上进行了5356铝合金单道多层实验。通过实验发现采用交替成形路径能够有效改善由起弧和收弧缺陷累积造成的单道多层成形塌陷和凸起问题,并对比了不同层间冷却时间下的焊道尺寸变化规律和表面形貌,结果表明当层间等待时间为60s时,构件的尺寸和表面平整度能得到较好的控制。最后搭建了铝合金相邻焊道间的理想搭接模型,计算出一定工艺参数下的最优搭接距离,设计了不同组对照实验来检验该模型结果的正确性。结果表明,使用该模型计算出的搭接量成形的单层多道零件表面平整度较好,最优搭接距离为4.45mm。

关键词： 电弧增材制造   铝合金   工艺参数   后处理  

摘要： 电弧增材制造具有成形尺寸大、效率高、成本低的特点,在几种增材制造方式中面向铝合金结构件的大型化、整体化、智能化发展具有显著优势。本论文以典型铝镁系铝合金、铝硅系铝合金、铝铜系铝合金等4种常见铝合金为研究对象,利用冷金属过渡技术开展铝合金电弧增材制造工艺研究,探讨了工艺参数对增材成形的影响规律,主要研究结论如下:(1)以5B06铝合金为例,在铝合金电弧增材制造单层单道成形过程中,一定范围内成形电流和成形速度的增加均有助于改善成形金属的润湿性,但当成形电流过大时,由于热积累效应增材到一定高度时会发生熔覆流淌现象,而成形速度过快时单层厚度较小,影响了增材制造效率。在单层单道增材试验基础上,进一步研究了关键工艺参数对多层单道成形外观的影响规律。发现在C+P模式下,随着成形电流的增大,多层单道成形宽度逐渐增加,但电流过大时成形金属表面会发生严重的氧化现象;随着成形速度的增加金属氧化现象减轻,当成形速度与电流不匹配时成形金属凹凸不平。为兼顾成形效率和成形质量,建议选用C+P或C+P+A两种成形模式进行电弧增材制造,优化后的多层单道电弧增材制造工艺参数为成形模式(C+P)、成形电流(90-120)A2成形速度(6-9)mm/s。(2)铝镁系铝合金5356和5B06铝合金的多层单道电弧增材制造试验中,在C+P+A成形模式下,5B06铝合金电弧增材制造层间力学性能可达320MPa,延伸率23.5%,道间力学性能可达315MPa,延伸率22.5%;适当的层间停留时间可以有效避免层间热量积累效应导致的晶粒长大;适当的后处理可以消除内部残余应力,但当后处理温度升高时,会出现晶粒长大倾向,导致成形力学性能下降。(3)在铝硅系ZL114A铝合金的多层单道电弧增材制造试验中,成形模式对ZL114A铝合金电弧增材制造成形影响较小;ZL114A铝合金电弧增材制造显微组织为典型的柱状树枝晶,在较为粗大的α板条之间分布着细小的Al-Si共晶组织,晶界内部无明显的析出强化相。沉积态ZL114抗拉强度为160MPa-180MPa,延伸率为2%-3%;经T6热处理拉伸强度提高到330MPa-350MPa,延伸率提高至3.5%-5%,断裂机理为韧性和脆性混合断裂。(4)铝铜系2319铝合金电弧增材制造单壁增材成形效果较好,微观组织为典型的等轴树枝晶,层间过渡区域存在少量柱状树枝晶。沉积态力学性能较低,经T6热处理,抗拉强度从230MPa-250MPa提高至390MPa-420MPa,断后延伸率明显提升,但2319层间与道间延伸率相差较多,无法经热处理消除各向异性。

关键词： 电弧增材制造   TC4钛合金   β晶粒形态   力学性能   热处理  

摘要： TC4钛合金是一种中等强度α+β两相钛合金,具有比强度高、密度低、耐腐蚀等诸多优点,是目前在航空航天领域应用和研究最广泛的钛合金。近年来,随着金属增材制造技术的快速发展,电弧增材制造技术因相比激光、电子束增材制造技术具有更低廉的成本和更高的成形效率,逐渐成为了大尺寸钛合金复杂构件的一种重要增材制造手段。通常情况下,电弧增材制造TC4钛合金的典型宏观组织为外延生长的粗大柱状β晶粒,导致力学性能存在较强的各向异性,极大地阻碍了电弧增材制造TC4钛合金在航空航天领域的应用拓展。同时,增材制造过程是一个经历了快速加热和冷却的非平衡过程,成形件内部往往存在较大的残余应力,微观组织通常为不稳定的亚稳态组织,且不同位置经历的热历史差异造成了微观组织的不均匀性。因此,消除粗大柱状β晶粒并获得稳定和均匀的晶内组织具有重要的意义。基于此,本文重点围绕电弧增材制造β晶粒形态控制,研究了沉积参数和沉积策略对沉积态宏微观组织演变及力学性能的影响规律,明晰了等轴β晶粒的形成机理和热历史对晶内微观组织的影响规律。在此基础上,进一步考察了亚临界热处理对微观组织和力学性能的影响规律,并通过比较沉积态和热处理态宏微观组织特征差异,分析了宏微观组织与力学性能之间的映射关系。取得的主要研究成果如下:（1）本研究中电弧增材制造TC4钛合金的典型组织特征为:成形件底部存在一定范围的等轴β晶粒,中上部为外延生长的初生柱状β晶粒,其生长方向沿扫描方向的反方向倾斜。β晶粒间存在连续的晶界α(αGB)相,在αGB相处析出相互平行的晶界魏氏α集束(αWGB),β晶粒内为网篮α（αB）组织,其α/β相界处分布有面心立方结构的α/β界面相。（2）在采用大沉积电流（140 A）成形时,成形件底部由于应力应变较大,诱发了再结晶而导致初生柱状β晶粒转变为等轴β晶粒,随着沉积高度的增加,应力应变急剧减小,柱状β晶粒得以保留。此时形成的等轴β晶粒仍具有较强的织构,在（100）极图上的最大织构强度为8.2,而柱状β晶粒最大织构强度为20,因此再结晶β晶粒的织构强度显著降低。在采用小沉积电流（120 A）成形时,等轴β晶粒的体积分数显著增加,这是由于此时插入熔池丝材较多,一方面熔池中未熔丝材残余物有可能诱发新的形核,另一方面冷丝材从熔池顶部插入还会导致熔池顶部熔体温度降低,有利于熔池顶部β晶粒的横向生长,进而阻碍了底部柱状β晶粒的外延生长,两不同生长方向β晶粒竞争生长导致了等轴形态β晶粒的形成,并且等轴β晶粒具有强烈的立方织构,在（100）极图上的最大织构强度为23。（3）采用本研究典型沉积参数（电流:140 A,扫描速度:250 mm/min,送丝速度:2000 mm/min）成形所得等轴β晶粒尺寸为1414±793μm,柱状β晶粒的宽度为2809±805μm,等轴β晶粒尺寸随沉积电流的减小,扫描速度和送丝速度的增加而减小。柱状β晶粒宽度随扫描速度和送丝速度的增加而减小。α板条的宽度为1.03±0.13μm,且随沉积电流、扫描速度和送丝速度的增加而变大。沉积态试样的抗拉强度和延伸率沿扫描方向分别为809±11 MPa和11.47±2.04%,沿沉积方向分别为780±15 MPa和13.91±2.49%。随着沉积电流的减小,扫描速度和送丝速度的增大,成形件的强度提高,但延伸率有所降低。成形件沿扫描方向和沉积方向的拉伸性能测试表明,柱状β晶粒强度和延伸率的各向异性差异分别为2.75–3.95%和14.37–23.35%,而等轴β晶粒强度和延伸率的各向异性差异分别为0.29%和9.62%,各向异性相比柱状β晶粒显著较低。（4）采用往复扫描有利于获得竖直生长的柱状β晶粒。增加层间间隔时间有利于增加层间应力应变而促进柱状β晶粒发生再结晶形成等轴β晶粒。往复扫描所得成形件的内部会形成倾斜分布的层带,而单向扫描所得成形件的内部则形成水平分布的层带。随着层间间隔时间的增加,拉伸强度升高,延伸率降低,沿扫描方向最优的抗拉强度和延伸率分别为853±9 MPa和15.51±2.0%。（5）采用本研究典型沉积参数所得沉积态组织经600℃/4h/AC（Air cooling）退火处理后,微观组织类型及形态基本不变,α/β界面相部分分解;经850℃/2 h/AC退火处理后,晶内微观组织粗化,并有极少量的次生α（αs）相生成,α/β界面相在空冷过程中重新形成。沉积态组织经930℃/1 h/AC+550℃/4 h/AC固溶时效处理后,微观组织呈现为粗化且不连续αGB+初生α（αp）相+αs相的混合组织,部分αp板条端部呈蟹爪状,αs相呈魏氏结构,α/β界面相只在αp相周围出现;若增加固溶后的冷却速率,采用930℃/1h/WQ（Water quenching）+550℃/4 h/AC固溶时效处理,微观组织呈现为不连续αGB相+α

关键词： 增材制造   随焊锤击   压电致动   轨迹跟随   晶粒细化  

摘要： 金属零件电弧增材制造过程的复杂热循环状态往往导致成形件的微观组织晶粒粗大,内部缺陷萌生,力学性能弱化。如何提高金属增材零件的力学性能是领域内的研究重点和难点之一。传统电弧焊接领域已有应用的随焊锤击、碾压、超声冲击等方法为这一问题提供了可行的探索方向。但传统随焊处理设备一般都设备庞大,锤击速度较慢,锤击力和锤击频率可调范围窄。本文提出了一种基于压电致动器的新型随焊微锤锻技术,压电致动器体积小巧,力输出大,频率高,响应快,尤其适用于高速电弧增材过程同步锤击的应用。本课题针对铝合金零件电弧增材制造过程中容易产生气孔、晶粒粗大和变形等问题,设计了一种利用压电驱动的随焊锤锻设备,其工作原理为:在增材过程中,用锤头锤击焊缝,利用高频且大力输出的振动头直接冲击工件表面,达到提升成形件力学性能的效果。首先完成了锤击装置的硬件机构设计,设计实现了压电致动器预紧力可调,内置压力传感器实时检测压电致动预紧状态和锤击力输出大小。设计了滚动机构消除切向力对压电陶瓷本体的潜在破坏。在VS2017环境下开发高频锤锻系统锤锻力波形控制(正弦波、方波)系统,锤锻力数据采集系统(将数据存入CSV文件,方便数据处理)。该基于压电致动器的锤击装置体积仅略大于普通MIG焊枪,远小于已有的各类随焊处理设备。针对电弧增材制造应用需求,提出并定义锤击密度概念:随焊运动状态下,在单位长度单位时间内的锤击次数和锤击力,来衡量锤击作用覆盖全熔积层的有效性。针对熔积层表面高度波动可能引起机器人锤击头末端受压过载或无接触空载的问题,提出了相应的随焊表面贴合自适应追踪算法,设计了相应的控制系统,可实现在电弧熔积过程中,自动追踪熔积层表面,保持基础接触压力在合适范围内。测试结果表明,控制系统能够实现表面贴合追踪,但动态性能有所不足,这主要是由于基于步进电机的升降系统响应时间较长。针对可能的单机器人电弧熔积-同步锤锻系统应用场景,研究了锤击路径对电弧熔积路径的动态跟随问题。假定锤锻头与焊枪刚性连接,在熔积路径非直线时,锤锻头必须做定轴转动保持持续锤基熔积层表面。针对几种典型轨迹计算了跟踪轨迹的解析算法。最后利用对随焊锤击工艺过程进行了定点焊锤击的物理模拟,以分立研究锤击对已凝固高温区的影响和对液态熔池的影响。结果表明加入锤击作用后晶粒得到了一定程度细化,由粗大的柱状晶转变为细小的等轴晶;振动熔池实验中,振幅对晶粒细化的影响比振动频率更明显,且振幅越大,晶粒细化效果越好,但振动频率在100Hz时,出现了明显的树枝状晶体断裂。这可能是由于该频率最接近树枝状晶体的共振频率,此时,熔体中产生的相对运动和碰撞更加频繁,并且树枝状断裂的程度得到改善;锤击已凝固焊缝实验中,锤击频率变化对晶粒细化的影响比锤击力变化作用更加明显,一定范围内锤击频率越大,晶粒细化效果越好。

关键词： 电弧熔丝   锻模修复   残余应力   锤击处理   有限元分析  

摘要： 锻模长期处于反复高温、高载荷及交变应力的恶劣工作环境中,工作表面强度和耐磨损性能需要经受严峻的考验,在服役过程中常发生磨损失效、疲劳失效和断裂失效,甚至会有裂纹的形成,严重影响锻模的使用寿命。为了降低模具成本,电弧熔丝增材技术被应用于锻模裂纹修复,而电弧熔丝修复后模具的残余应力消除问题,是提升其使用寿命的关键。锤击处理技术通过锤头在焊道及其及热影响区的高频锤击,能够在降低熔丝增材区域残余拉应力的同时在锤击表面形成残余压应力区,因而被广泛应用于电弧熔丝后残余应力的消除。为此,本文依据电弧熔丝-锤击实验,构建单层多道熔丝-锤击有限元模型研究熔丝-锤击各工艺参数对工件增材区域残余应力消除及表面平整度提高效果,寻求最佳熔丝-锤击参数,以实现熔丝-锤击工艺路径优化进而提高熔丝增材修复模具寿命。运用与实际高度匹配的熔丝-锤击有限元模型能快速准确的实现熔丝-锤击模具修复工艺的优化调控,减少修复成本的同时有效提高修复质量,为实际熔丝-锤击生产中的残余应力消除处理提供参考,对模具电弧熔丝修复技术向自动化、高效化、高质量发展具有重要意义。本文的主要工作内容和研究结论如下:(1)基于大江杰信有限公司自主研发的气动随焊锤击设备,采用2.4 mm的RMD丝材在45钢平板上进行了电弧熔丝增材和熔丝-锤击实验,电弧熔丝增材实验的焊接电压和电流分别为32 V和360 A,丝材移动速度为420-480 mm/min。运用X射线应力测试仪对电弧熔丝增材工件和熔丝-锤击工件进行残余应力的测试,为电弧熔丝增材和锤击有限元模拟结果的准确性提供了验证对比数据。(2)依据单道熔丝增材实验数据,利用ABAQUS软件构建了高匹配的熔丝增材有限元模型,模拟再现了不同熔丝增材速度下45钢材的温度场云图及焊道的熔池形态。不同熔丝增材速度下的残余应力分布趋势相同,焊道以及热熔区主要为残余拉应力,焊道两端和离焊道较远的母材区域呈现残余压应力。由于热输入量和焊道结构尺寸的相互作用下,随着熔丝增材速度的增加,横向残余应力先减小后增大,纵向残余应力呈增大趋势。(3)基于ABAQUS软件构建单道熔丝-锤击有限元模型,模拟显示焊道在锤击处理后产生了明显的塑性变形,高度明显下降的同时宽度变宽,焊道内部和热影响区域的残余拉应力得到有效释放,并在表面受压区域产生压应力。锤击处理后工件的纵向残余拉应力降幅达到25%以上,减小效果要优于横向残余拉应力,较小尺寸焊道的消减效果最为显著。(4)多道熔丝增材过程中,由于相邻焊道间具有预热和再热作用,后续焊道温度较前面焊道的温度高200℃,节点的热循环曲线呈现多峰变化。多道熔丝增材工件上的残余应力沿垂直焊道方向呈非对称分布,焊道连接区域呈现残余拉应力且随焊道间距的增大有一定的增大趋势。随着焊道间距的增大,残余拉应力的峰值基本相近但区域范围呈扩大趋势,残余压应力值有一定的增加但范围区域减小。(5)通过构建锤击工艺参数与残余应力之间的的响应曲面模型,可以得知锤头直径,锤头移动速度和焊道间距及它们间的交互作用都对熔丝-增材工件的残余应力影响较大。为获得较小的残余应力,小焊道间距熔丝增材工件需匹配小锤头直径和慢锤头移动速度,而大焊道间距熔丝增材工件需匹配大锤头直径和快锤头移动速度。当焊道间距为7.2mm时,采用直径8mm的锤头,以1200mm/min的移动速度进行锤击处理能获得最优残余应力消减结果。

关键词： 电弧增材   5356铝合金   冷金属过渡技术(CMT)   熔化极惰性气体保护焊技术(MIG)  

摘要： 电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)以其极高的成形效率和低廉的成本使得人们渐渐将电弧增材作为个性化零件定制的新选择。近些年来,电弧增材(WAAM)以较低的成本、较高的成形效率和较高的材料利用率在航空宇航领域已经逐渐开始应用,由于铝合金电弧增材成形质量低下,针对铝合金电弧增材工艺的研究较少。本文针对电弧增材制造5356铝合金薄壁和墙体试样工艺进行了研究。分析了波形、摆动幅度A、当量速度Vt和摆动角度α等工艺参数,研究了工艺参数对摆动成形电弧增材制造的5356铝合金试样外观和表面尺寸精度的影响。从摆动成形电弧增材的制造工艺试验来看,最佳电弧参数为:送丝速度8.5m/min、焊接速度0.020m/s、摆动幅度4.5mm、摆动角度为α=80°。通过对增材工艺和组织缺陷的控制,成功打印出了形貌和质量优良的铝合金弧框通过对比冷金属过渡技术(CMT)和熔化极惰性气体保护焊技术(MIG)两种增材工艺制造出的沉积块,MIG成形形貌由于热输入大,边缘塌陷情况严重,反之CMT试样表面规则均匀;电弧增材气孔缺陷聚集在熔合线附近,其中采用MIG方式增材试样气孔缺陷尺寸和数量明显多于CMT增材试样,CMT试样气孔直径低于5μm同时符合“Ⅰ级”射线探伤标准;CMT和MIG两种增材工艺试样光镜组织差异明显,MIG试样组织熔合线明显,而CMT试样由于热输入低,熔合线不明显且层内组织等轴化明显,而CMT试样出现了明显的Mg元素偏析;CMT试样抗拉强度平均值为261Mpa显示出各向同性,而MIG试样各向异性明显,柱状晶使得z向强度略低于xy向。本文对WAAM 5356铝合金进行了四种不同的冷却辅助工艺研究。研究了不同冷却工艺对材料几何形状、缺陷、金相及性能的影响。主要研究结果包括:在铝镁合金的WAAM工艺中,采用在线冷却辅助工艺保持了最低层间温度,且沉积壁厚最容易控制在规定尺寸;特别是,薄壁两端看不到明显的弧坑;采用在线冷却工艺后,孔隙率降低到0.1%,降低层间温度对晶粒细化有显著影响。通过EDS和XRD对微观结构的分析发现,在熔合线附近出现第二相,在线冷却工艺试样层间偏析最为严重,自然冷却工艺中出现了镁元素烧蚀;结果表明,冷却工艺极大影响了强度、延伸率和硬度等力学性能,其中在线冷却工艺效果最好。通过不同冷却工艺制备的拉伸试样虽然均是塑性断裂,但发现自然冷却试样部分部位出现解理断裂。

关键词： CMT电弧增材修复   GH4169合金   界面组织   疲劳裂纹扩展速率  

摘要： 冷金属过渡(Cold Metal Transfer,CMT)作为一种无焊渣飞溅的新型焊接工艺技术,可极大地限制焊接热输入,弱化了对界面组织的影响,在修复中具有广泛的应用前景。GH4169合金在航空发动机中应用广泛,针对GH4169合金零件的修复一直是航空发动机维护关注的重要问题。与传统弧焊修复和激光熔覆修复相比,CMT电弧增材修复方法具有较大修复效率,且对热输入的严格控制更有利于金属基体结构组织和性能的保持,修复后的零件具有较好的组织和力学性能均匀性。针对损伤零件高效率和高性能修复问题,采用热输入低的CMT电弧增材修复方法实现了GH4169合金试样的快速修复。对修复试样采用不同的热处理制度以改善修复区和界面区的力学性能,采用光学显微镜OM和扫描电子显微镜SEM观察热处理前后试样的组织形貌,采用硬度计和拉伸试验机测试试样的显微硬度以及拉伸性能,最后通过疲劳裂纹扩展速率试验分析了修复试样各个区域的疲劳性能及失效方式。论文主要得到以下结论。CMT增材修复GH4169合金试样组织大致可分为修复区、半熔化区、热影响区和基材区等四个区域,其中热影响区宽度约为200μm,修复区为典型的外延生长柱状晶形貌,且树枝晶的生长方向随着层高逐渐趋于垂直修复表面。对修复试样分别进行热处理,S-HSA试样修复区长条状Laves相溶解,保留较多的小尺寸Laves相;熔合线附近的半熔化区析出较多δ相,热影响区晶界处析出一定数量的短针状δ相。HSA-DA试样修复区枝晶结构和Laves相形貌未发生明显变化,热影响区无δ相析出,经过热处理后两组试样基材组织形貌无明显区别。热处理后试样修复区硬度获得大幅提升,S-HSA试样修复区硬度平均值略低于基材,达到了445HV;HSA-DA试样修复区硬度平均值为457HV,与基材硬度值相当,两组试样的热影响区硬度均低于修复区。HSA-DA试样抗拉强度1271MPa,伸长率13%,断裂位置为修复区;S-HSA试样抗拉强度1218MPa,伸长率25%,断裂位置为修复区,断口发现大量韧窝,且韧窝底部均存在硬质相颗粒,两组试样断裂方式均为韧性断裂。S-HSA试样由于修复区大尺寸Laves相溶解以及δ相的析出占用了Nb元素,降低了γ″强化相的析出量,因此强度和硬度均略低于HSA-DA试样,但伸长率出现大幅提高,极大地改善了零件的变形协调能力。通过疲劳裂纹扩展速率试验发现预制裂纹位于修复区和熔合线附近时,裂纹发生跨区域扩展仅发生于HSA-DA试样中。S-HSA试样由于修复区脆硬的Laves相尺寸较小不利于裂纹的快速扩展且熔合线附近析出了δ相对裂纹产生钉扎作用,因此表现出较好的疲劳性能;而HSA-DA试样修复区脆性Laves相体积较大,裂纹容易以Laves相为通道进行扩展,界面区晶粒尺寸较大且无大颗粒强化相析出,因此疲劳性能较差。垂直于熔合线进行疲劳裂纹扩展速率试验时发现HSA-DA试样的裂纹扩展速率明显高于S-HSA试样。疲劳断口观察发现Laves相会“引导”裂纹的扩展,在热影响区附近疲劳裂纹以沿晶界扩展为主,HSA热处理消除了修复区长条状Laves相,削弱了裂纹的快速传播,熔合线附近的δ相阻碍了裂纹的扩展,进而表现出更佳的疲劳性能。