关键词： 电弧增材制造   马氏体耐热钢   显微组织   力学性能   热处理  

摘要： 电弧增材制造（Wire and Arc Additive Manufacture,WAAM）是将电弧作为热源,按照特定路径逐层地堆积,得到所需要的三维零部件的技术。该技术具有成型效率高、设备成本较低、成型件尺寸不受限制等特点,特别适合大型金属零件的制造。马氏体耐热钢由于具有高导热性,良好的抗应力腐蚀和抗氧化性能,以及良好的高温性能,被广泛应用于火电和核电厂的高温部件。本文采用电弧增材制造技术,系统地研究了电弧增材制造马氏体钢的成型质量、显微组织以及力学性能。本文首先研究了电弧增材制造马氏体耐热钢的成型工艺。结果表明:合适的工艺参数是送丝速度5.0 m/min,焊接速度6.5 mm/s,收弧电流时间0.8 s,保护气的气流量为20-25 L/min。其次,采用利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）等分析测试技术研究了不同位置处的电弧增材金属墙的显微组织以及力学性能。实验结果表明:沉积金属墙表面的飞溅较少。在沉积直壁墙的表面发现了氧化层。晶粒趋于沿着沉积方向表现为典型的外延生长。与金属墙的中间相比,靠近基板处的晶粒尺寸更小。在沉积金属墙的顶部区域,得到了等轴状板条。通过XRD检测技术,测得金属墙中存在α-Fe,未检测到其他相的衍射峰。沉积金属墙的硬度变化范围为404 HV-432 HV。靠近基板处的平均硬度值高于试样中部和顶部区域的硬度值。直壁金属墙室温下的抗拉强度约为1270 MPa,屈服强度为990-1002 MPa,拉伸试样的延伸率均小于15%。样品在不同位置处的拉伸性能表现出一定的各向异性。直壁金属墙水平方向的冲击韧性值小于垂直方向的韧性值,冲击断面生成了第二相颗粒。最后,研究了热处理对电弧增材制造马氏体钢组织和力学性能的影响。结果表明:在正火+回火后,板条马氏体发生分解,析出了大量的沉淀物。金属墙的EDS和XRD测试结果表明了M23C6,MX以及Cr7C3的存在。在正火+回火热处理后,试样的硬度值降低了36-48.5%。试样的强度降低了37.4-48.6%。然而,试样的延伸率都增加了38%以上。沉积态的试样冲击韧性仅相当于热处理后试样冲击韧性的14.3-18.6%,冲击韧性随回火温度的升高趋于增加。同时热处理实验也证实了正火+回火热处理下冲击韧性值增加量大于仅进行回火热处理的冲击韧性值。

关键词： 熔池图像   电弧光谱   FPGA平台   工艺电流   Apriori算法  

摘要： 熔池质量在线检测是焊接领域中重要的研究内容之一,在线获取并分析焊接过程中的多元化信息,可为焊接制造过程提供实时质量评价数据和工艺控制导向。在冷金属过渡复合脉冲焊接(Cold Metal Transfer Plus Pulse Welding,CMT+P)过程中,熔池图像宽度反映了焊速的变化,电弧光谱反映了保护气流量的变化与焊接母材表面有机物残留情况。本文的研究内容主要集中在基于PC+FPGA(Personal Computer and FieldProgrammable Gate Array)平台设计并研制电弧增材工艺光谱协同感知装置,通过该装置在焊接过程中获取高信噪比熔池图像与电弧光谱并最终实现了焊速、保护气流量、母材表面有机物残留的实时监测与反馈,具体内容如下:(1)基于熔池图像的焊速稳定性监测。使用FPGA设计合适的滤波器检测工艺电流信号,自适应判断短路过渡时刻并同时触发相机,拍摄得到高信噪比熔池图像。然后在PC端通过轮廓提取算法的得到熔池宽度,实现焊速变化的监测。(2)基于电弧光谱的保护气与有机物监测。经光谱仪采集到的光谱数据包含了大量的杂色光和噪声,通过FPGA触发设计可有效的削弱杂色光和噪声得到高信噪比的光谱数据。使用Apriori算法对所得光谱数据进行数据挖掘得到不同保护气流量的关联规则,进而设计FPGA模块实时监测焊接过程中电弧光谱的变化情况,实现保护气流量与母材表面有机物残留情况监测。(3)基于FPGA的焊接反馈模块。本模块利用FPGA强大的并行处理功能实时采集焊接过程中电参和光谱数据,将焊接过程中焊速的变化、保护气流量的变化和母材表面有机物残留的情况通过外设I/O口实时反馈给焊机控制系统,实现焊机自身工艺参数的调控以提高焊接整体质量。基于上述工作,经整机研制得到电弧增材工艺光谱协同感知装置,最后通过实验设计验证装置功能,实现了焊接焊接过程中焊速的变化、保护气流量的变化和母材表面有机物残留的在线反馈与调控,增强了焊接机器人的智能性。

关键词： 钛合金   电弧增材制造   熔滴振荡动量   连续生长限制因数   活性剂   氟化物  

摘要： 当今,航空航天领域的Ti-6Al-4V钛合金零部件呈现出高性能、大型化、整体化和复杂化的发展趋势,越来越多地应用电弧增材制造技术进行生产,如何提高零部件的成形质量是钛合金电弧增材制造技术面临的重大课题。电弧增材制造成形质量涉及表面质量的影响因素、材料组织的演化规律等诸多机理性问题。研究和探索成形质量影响机理并在此基础上提出新的控制材料组织性能的方法,将为改进钛合金电弧增材制造技术、提高Ti-6Al-4V钛合金零部件成形质量提供理论支撑和技术方法。本文针对沉积态钛合金材料组织存在粗大柱状β晶粒影响力学性能的问题,主要从四个方面开展研究:①分析钛合金电弧增材制造成形质量的主要影响因素;②“熔滴振荡动量”及其对表面质量的影响;③“连续生长限制因数”及采用其分析熔池局部凝固组织演化规律;④氟化物对钛合金电弧增材制造成形质量影响机理。具体研究工作如下:针对“Zhang-Chen”理论未考虑熔滴冲击对熔池几何变形影响的问题,本文研究了熔滴动量与熔池几何变形、表面质量的关系,得出“熔滴振荡动量”影响表面质量的分析结论;针对“Rajamaki”理论未考虑晶粒形核与生长之间相互关系的问题,本文研究了溶质浓度连续变化条件下熔池晶粒的形核与生长行为,得出熔池具有“连续凝固”特征的分析结论。以上述两个分析结论为基础,系统分析电弧增材制造成形质量的影响因素及其作用机理。针对寻找能够反映出熔滴振荡生长的变量,来揭示焊接电流、熔滴振荡和表面质量三者之间交互关系的问题,本文研究了熔滴在振荡生长过程中的动量对后续熔池几何变形和表面质量的影响,提出一种采用“熔滴振荡动量”来分析表面质量影响机理的方法。基于“质量—弹簧”理论建立焊接电流与“熔滴振荡动量”的数学模型,结合“熔滴振荡动量”影响表面质量的分析结论,建立焊接电流、熔滴振荡与表面质量三者之间的联系,得出“增加焊接电流可降低熔滴振荡动量,从而提高表面质量”的分析结论。通过模型计算、熔滴过渡实验和沉积成形实验验证上述分析结论,以及本文所提方法的有效性。针对生长限制因数不能够客观反映熔池局部凝固组织演化规律的问题,本文研究了在熔池溶质连续变化、晶粒形核与生长相互依存的条件下,生长限制因数沿着熔池凝固路径的演化规律,提出一种采用“连续生长限制因数”来分析熔池局部凝固组织演化规律的方法。在生长限制因数基础上,结合熔池具有“连续凝固”特征的分析结论,建立“连续生长限制因数”的数学模型。通过实验验证,采用“连续生长限制因数”可分析在给定溶质浓度和焊接速度条件下熔池晶粒尺寸的演化规律,以及溶质浓度和焊接速度对熔池平均晶粒尺寸、熔池熔化边界附近平面生长距离的影响规律。针对沉积态钛合金材料组织存在粗大柱状β晶粒的问题,本文研究了 CaF2/NaF活性剂对Ti-6Al-4V钛合金电弧增材制造成形质量的影响规律,提出一种采用CaF2/NaF控制沉积态钛合金材料组织的新技术方法。该方法主要在沉积层间增加了涂覆氟化物的工序,从而改变常规沉积成形过程中的电弧形态和熔池凝固环境。添加氟化物之后,运用“熔滴振荡动量”分析表面质量降低的机理;运用“连续生长限制因数”分析柱状β晶粒细化的机理;结合沉积态钛合金α相扩散生长的动力学特性,分析板状α相细化、准连续晶界α相形成以及β相体积占比提高的机理;通过分析沉积态钛合金材料结构得出提高沉积态钛合金材料拉伸性能的机理。对两种氟化物在抑制粗大柱状β晶粒的生成、改善沉积态钛合金材料组织性能的效果进行对比分析,进而验证本文所提方法的有效性。

关键词： 增材制造   高度预测   有理B样条曲线拟合   路径规划   成型精度控制  

摘要： 薄壁件由于质量轻、结构紧凑等优点,被广泛应用于航空航天、汽车制造等工业领域,同时因其壁厚尺寸小、结构形状不规则等特点,导致薄壁件在传统加工过程中难以保证其成型质量且加工成本高。将增材制造技术与弧焊机器人技术相结合,基于“离散-堆积”的加工原理,采用CMT的焊接工艺,实现薄壁件的电弧增材制造成型,不但可以提高成型效率、降低成本,而且成型精度得到保证。首先在传统的分层算法的基础上,对成型的截面几何模型进行建模并建立分层高度预测的数学模型,计算分层高度的预估值。通过边缘曲线方程计算预制件在Z轴方向上偏移量,进行高度补偿预测,提高分层精度,实现基于高度预测的分层算法优化。针对复杂薄壁件的轮廓曲线引入有理B样条曲线求取焊接轨迹,通过有理B样条函数定义式与有理B样条曲线拟合方法,设计轨迹求取算法,根据预制件三维模型提取轮廓数据建立轨迹曲线方程,自动生成成型路径。然后提出一种快速标定方法:辅助特殊点快速标定法,通过模型预测理论中求得的四元数位姿矩阵,根据向量旋转理论,完成增材制造成型系统的标定。设计离线编程流程图,利用离线编程仿真软件Robotstudio,结合计算出的路径曲线拟合方程进行路径自动提取,利用VB编程软件生成机器人成型Rapid语言程序。利用圆弧离散局部逼近算法,对复杂薄壁件的切片截面曲线方程进行微分,计算出四元数矩阵,实现焊枪位姿自动调整保证成型质量。进一步针对成型尺寸精度与成型表面质量控制问题进行研究,在进行焊接工艺试验基础上,记录成型规律,通过工艺改良进行成型精度控制,得到焊接参数匹配曲线并选择合适的焊接参数,满足成型精度控制要求。并采取往复焊接方式及特殊两步法的焊接模式实现增材制造薄壁件的成型过程优化。针对具有相交特征的薄壁件交叉点处焊高过高等问题,基于相反、相切成型路径思想设计最佳路径,尽量减小由于应力集中和热累计产生的误差。同时探究变截面成型规律,验证该成型系统成型宽度变化的薄壁件的可行性。最后通过焊制部分典型薄壁件进行试验验证,试验结果表明:优化的分层算法精度控制到误差不超过1mm,焊接路径规划与轨迹自动提取得到实现;同时通过工艺优化与机器人末端位姿实时调整,成型质量明显得到控制。

关键词： 焊接修复   电弧增材再制造   点云处理   NX二次开发   路径规划  

摘要： 随着我国装备制造业的快速发展,现代制造工艺对于机械设备的使用寿命提出了更高的要求。机械设备上的大型铸件在铸造生产和设备使用过程中,不可避免地会产生各种类型的局部缺陷,导致设备的使用性能降低甚至整体失效。需要借助焊接的方式对缺陷铸件进行再制造,以延长机械设备的使用寿命,实现可持续发展。为了实现再制造过程的自动化和智能化,本文对电弧增材再制造技术中关键的路径规划问题进行了系统研究,开发了路径规划工具,实现了焊枪轨迹和姿态的自主规划。首先,论文对再制造过程中相关的工艺参数和路径规划算法开展了研究。通过对成形过程的理论分析与实验研究,得出了最优焊缝间距的表达式以及堆积层高与焊缝余高的关系。结合简单截面的成形实验,分析、总结了各算法的优劣,为焊道路径规划算法的选择提供了依据;根据单条焊缝起弧点和熄弧点的几何特点,探讨了焊层路径规划的策略。其次,论文对缺陷零件再制造区域点云数据的获取开展了研究。介绍了缺陷零件点云数据的采集和处理流程,提出了基于边界曲率和布尔运算获取再制造区域点云数据的提取方法。然后,论文利用NX二次开发工具设计了路径规划工具。通过调用二次开发函数,实现了点云分层切片和路径自主规划,生成了再制造过程的焊枪轨迹和姿态。并对具有典型几何形态的再制造区域进行焊枪轨迹仿真,以验证路径规划工具对于不同种类和形状的再制造区域的适用性和精确度。最后,论文进行了电弧增材再制造实验。搭建了再制造实验平台,利用后处理程序对路径规划结果进行坐标变换,生成了机器人运动程序,并根据运动程序对缺陷模具进行再制造实验,以验证路径规划工具生成的焊枪轨迹和姿态的正确性。

关键词： 304不锈钢   电弧增材制造   有限元模拟   残余应力   微观组织   显微硬度   高温拉伸试验  

摘要： 电弧增材制造是一种基于三维CAD模型,将三维模型进行分层处理后,利用电弧作为热源熔化丝材进行逐层制造的一种新的制造方式。电弧增材制造技术相比传统制造技术如:铸造和机械加工,其具有较大的材料利用率,可以减少产品生产周期和生产成本;又可以在任何条件下进行制造或对产品进行修复。因此电弧增材制造受到越来越多的企业及科研人员的高度重视。本文对不同结构的304不锈钢电弧增材制造构件的残余应力演变、微观组织性能及高温力学性能进行研究,主要研究内容如下:(1)通过CLOOS机器人及窄间隙MIG焊系统进行制造,进行摆动电弧圆环壁及直壁增材制造试验、非摆动电弧直壁及圆环壁增材制造试验、多层多道电弧增材制造试验并得到成型完好的成型构件。(2)对304不锈钢电弧增材制造过程中的温度场变化趋势,及应力场的演变建立了基于***软件的电弧增材制造有限元模型,得到增材制造过程中温度场变化,发现电弧增材制造过程中电弧加热会引起已增材制造层的部分重熔,此作用只影响前一层,随着熔覆层增加热积累效应越来越不明显。等效应力随着热源加热后金属的冷却迅速升高到一个峰值,随着下一层热源加热会迅速降低到一个谷值,随着下一层热源的离开,等效应力又会达到一个峰值,由于热积累效应存在每一层的增材制造会对已经增材制造层起到热处理的效果,已经增材制造层的应力值逐渐降低,最终随着电弧增材制造结束,温度冷却到室温后形成残余应力。(3)对304不锈钢电弧增材制造构件的残余应力进行测量,其中每增材制造三层后冷却到室温再基于盲孔法进行残余应力的测量,随着层数的增加,基板对增材制造层的拘束作用逐渐降低,使得残余应力随着层数的增加呈下降趋势。(4)对304不锈钢电弧增材制造成型构件的纵截面进行了微观组织分析,其微观组织主要由奥氏体和残余铁素体组成,微观组织形貌主要由不同形貌的树枝晶构成,随着电弧增材制造的层数增加,距离基板的距离增加,增材制造层的冷却速率及温度梯度逐渐减小,微观组织形貌由胞状铁素体向骨架状铁素体转变。(5)电弧增材制造试样的显微硬度值均超过200HV,高于热轧304不锈钢的显微硬度。高温拉伸试验结果表明,Z轴的屈服强度低于X轴和Y轴,但是其余的高温力学性能在三个坐标方向基本一致,其中拉伸强度超过于热轧304不锈钢;

关键词： 分层交叠结构   电弧增材制造   低合金高强钢   微观组织   力学性能  

摘要： 本文基于GMA电弧增材制造技术,仿天然贝壳珍珠层“砖-泥”结构,以制备抗冲击性能优异的增材结构件。本文以ER130S-G高强钢为主要研究对象,分析增材工艺成形特性、层道组织及力学性能,开展单道沉积成形特性和尺寸调控、多道搭接工艺,以及分层交叠结构件组织性能研究。针对高强钢单道沉积,制定工艺参数窗口,获得成形良好的工艺规范区间。通过Design-Expert软件,以送丝速度、电弧运动速度、摆动幅度为输入变量,以沉积焊道高度和宽度为输出变量,采用传统的二次回归建立沉积焊道高度和宽度与输入变量之间的二次回归方程。得出送丝速度对焊道成形尺寸影响最显著。高强钢多道搭接工艺试验研究,研究道间搭接率、冷却温度以及送丝速度对其成形、组织以及力学性能的影响。结果表明,高强钢搭接后组织可分为未受热区主要由针状铁素体和粒状贝氏体;受热区主要由针状铁素体+少量粒状贝氏体+板条马氏体的混合组织。在搭接率为45%,冷却温度150℃,送丝速度6.0m/min时获得力学性能最佳。最后,仿照天然贝壳珍珠层的结构特征对不同层数比例的高强钢与不锈钢进行多层多道分层交叠结构试验。异材交界处金相分析,高强钢组织主要为马氏体和贝氏体,由细晶区向粗晶区过渡,不锈钢组织主要为奥氏体与铁素体。在沿着焊道与垂直焊道两个方向上,与纯不锈钢相比,高强钢-不锈钢异材分层交叠结构抗拉强度明显提升。当不锈钢与高强钢之比为1:3时,抗拉强度最高可达1119.54MPa。通过添加一定比例的不锈钢,不论在正面或者侧面冲击,异材分层交叠结构的冲击性能均得到提高。其中不锈钢与高强钢之比为1:1时,抗冲击性能改善最明显,正面冲击韧性提升74.24%,侧面冲击韧性提升66.98%。

关键词： 双热填丝   等离子电弧   增材制造   组织性能  

摘要： 丝材增材制造工艺以金属丝材为填加材料,具有生产成本低、成形精度高等特点,在生产制造大型零件方面具有显著优势。本论文基于等离子电弧增材制造工艺,将其与双填丝技术和热丝焊接技术结合,提出一种新型双热填丝等离子电弧增材制造(Double Hot-Wire and Plasma arc Additive Manufacturing,DHW-PAM)工艺。以高氮钢丝材和308L不锈钢丝材为填加材料,进行了热填丝与冷填丝增材对比试验的研究,并深入探究了堆敷速度和填丝工艺在成形效率、显微组织和力学性能等方面的影响规律。首先进行了DHW-PAM系统的设计与构建。在原有等离子电弧增材制造系统的基础上,采用二套可独立调节的送丝装置送进丝材,并采用二台恒流电源进行丝材加热,从而构成精密灵活可控的双热填丝增材制造装置。在焊接电源电流电压监测系统上重新设计了热丝电流电压监测模块和增材过程层间温度检测模块以及监控和查询软件,完善了过程监控系统。设计的DHW-PAM系统满足双热填丝增材制造的需求,能够对双热填丝增材过程进行实时监测与过程特征判别,实现工艺规范优化。然后进行高氮钢单冷填丝和单热填丝增材对比试验研究,探究高氮钢单热填丝工艺特性。试验将相同堆敷速度成型的单冷填丝和单热填丝试样进行对比,发现单热填丝工艺的成形效率是单冷填丝工艺的2.02倍。力学性能检测发现单热填丝增材试样的抗拉强度略有降低,但仍然达到1086 MPa,是母材抗拉强度的99.6%。结果表明单热填丝工艺不仅能够将高氮钢增材的成形效率提高到2倍以上,还能保持较高的抗拉强度。再以308L不锈钢丝材为填加材料进行不同堆敷速度的单冷填丝和单热填丝工艺对比试验。试验发现,在不改变其它参数的情况下,单热填丝工艺能够有效降低焊丝损失量,并将成形效率提高到2.05倍。显微组织观察表明,单热填丝工艺将显微组织的晶粒尺寸从10.41μm、9.42μm和8.37μm细化到9.98μm、8.71μm和7.62μm。对比发现,单热填丝工艺不但可以提高增材制造的成形效率,并且能细化不锈钢的显微组织晶粒。最后对不锈钢DHW-PAM工艺的特点进行深入探究。试验发现,与双冷填丝工艺相比,双热填丝工艺对堆敷速度更为敏感,工艺范围较小。对比可知,DHW-PAM工艺的成形效率是单冷填丝工艺的3.89倍、双冷填丝工艺的2.10倍。显微组织分析发现,该工艺能够获得更细小的显微组织,且增材试样的抗拉强度和延伸率都略有提高。结果表明,与单冷填丝和双冷填丝增材工艺相比,DHW-PAM工艺可以大幅度提高增材制造的成形效率,同时还能进一步细化晶粒、略微提升增材试样的拉伸性能。

关键词： CMT增材制造   GH4169高温合金   成形行为   显微组织   力学性能  

摘要： 电弧增材制造技术是一种以普通焊接电源为热源、丝材材料同步送进熔化凝固成形为主要技术特征的增材制造技术,该技术更加适合大中型金属构件无支撑、快速、数字化成形。电弧增材制造技术与铸造、锻造、车铣等传统加工制造技术的成形原理差异较大,在成形过程中材料的物理化学冶金反应过程较为复杂,电弧作用下丝材熔化凝固的堆积成形与合金组织的变化特征关系密切。开展CMT电弧增材制造GH4169高温合金成形特性及组织性能研究,有助于深化GH4169高温合金在电弧增材制造过程中的成形控制以及对组织演化、力学性能的理解。本论文采用CMT焊机“非一元化功能”方法对单道熔覆层的成形进行了研究。CMT电流波形中短路电流持续时间、短路电流大小对熔覆层铺展性有较大影响,CMT模式下熔覆层与基板的润湿性较差。在此基础上进一步探究了CMT模式、CMT+Pulse模式下工艺参数对熔覆层成形的影响,CMT模式下焊接速度(TS,Travel speed)越大、送丝速度(WFS,Wire feed speed)越大,熔覆层的铺展性越差;CMT+Pulse模式下,较大的焊接速度、送丝速度,熔覆层的铺展性越好。单道熔覆层成形铺展性研究试验表明,基板温度越高,单道熔覆层在基板上的铺展性越好,当基板预热温度从100℃增加至400℃时,熔覆层的宽度增加了约2mm。焊丝干伸长度越小,电弧作用在基板上的功率密度越大,越有利于熔覆层的铺展,焊丝干伸长度由10.5mm减小至6.5mm时,电弧高度减小,熔覆层的宽度增加了约1.1mm,当焊丝干伸长度继续减小至5mm,电弧底部作用在熔池的面积减小,熔覆层的宽度有所下降。薄壁逐层成形试验表明,当成形层数较大时,熔覆层顶部的热积累较大,熔覆层层与层之间的搭接变化较大,成形薄壁的均匀性下降。在薄壁成形的逐层沉积过程中,熔覆层的边界形状主要受成形温度以及焊丝干伸长度影响。焊丝干伸长度一定,成形温度较低时,熔覆层形状较为对称、一致时,成形薄壁的表面质量较好,成形误差小于0.2mm;焊丝干伸长度不变,成形层间温度越高,熔覆层宽度越大,高度越小,熔覆层形状差异较大,其中较高温度下每层熔覆层在电弧作用下的熔覆量越大,最大熔覆层熔化量约为66%。显微组织分析结果显示,CMT电弧成形GH6169合金的微观组织演变主要表现为柱状晶的生长方向、一次枝晶臂间距及Laves相,沉积态组织总体表现为外延生长的柱状晶。成形薄壁的散热方向主要沿着沉积方向,粗大的柱状晶贯穿整个熔覆层,沉积层数越高,一次枝晶间臂越大,Laves相的取向特征越明显,其中一次枝晶间臂最大约为23μm;成形块状试样的熔覆层散热能力较强,散热方向与沉积方向呈一定的夹角,柱状晶的生长方向差异较大,其中一次枝晶间臂最大约为13.70μm。室温拉伸性能研究表明,CMT电弧增材制造GH6169合金薄壁及块状试样具有各向异性特征,成形薄壁试样沉积方向的抗拉强度最大,为774MPa,伸长率为27%;成形块状试样横向抗拉强度最大为1099MPa,伸长率为18%。沉积态抗拉强度主要受柱状晶的生长方向、Laves相、一次枝晶臂间距影响,成形薄壁试样柱状晶生长方向基本与沉积方向平行,Laves相对沉积方向的晶粒钉扎作用更明显;成形块状试样柱状晶生长方向取决于搭接策略影响下的散热条件,横向拉伸时,Laves相对沿沉积方向晶粒的钉扎使材料的强度更大,塑形更差。热处理试验结果显示,固溶温度越高、时间越长,柱状晶晶界的迁移越明显,Laves相的溶解程度越高;热处理后块状试样的各向异性低于成形薄壁的各向异性,成形GH4169合金薄壁水平方向试样的抗拉强度最大为1085MPa,伸长率约为30%,沿沉积高度方向试样的抗拉强度最大为1222MPa,伸长率约为30%;成形GH4169合金块体沿水平方向试样的抗拉强度最大为1367MPa,伸长率约为18%,沿沉积高度方向试样的抗拉强度最大为1330MPa,伸长率约为17%。

关键词： 电弧增材   形貌检测   预测模型   视觉传感   点云   XGBoost算法  

摘要： 电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)是一种典型的金属增材制造工艺,由于其具有生产效率高,制造成本低,成形件力学性能优异等优点,在大型金属零部件的一体化成形中具有广泛的应用前景。然而由于电弧成形过程易受到工艺参数,热积累等多方面因素的影响而使得电弧增材制造的成形精度较低,其成形精度控制一直是研究的重点和难点。本文基于激光视觉传感技术搭建了一套电弧增材制造成形信息检测系统,对电弧增材制造成形过程熔敷道形貌尺寸的检测和预测进行了研究。首先,本文基于激光视觉传感器搭建了一套机器人电弧增材制造与成形信息检测系统,该系统能实现对电弧增材成形过程中熔敷道的形貌特征信息进行检测,并能根据成形参数信息对熔敷道形貌进行预测。通过利用视觉传感系统采集获得的反映熔敷道形貌的点云数据,研究了一套点云数据处理算法,包括基于邻域平均的统计滤波算法实现了点云数据降噪,基于贪心搜索算法实现了点云坐标矩阵旋转校正,基于八叉树的点云切片搜索算法获得了成形件截面轮廓等,该算法对点云数据处理效果较好,且具有较高的鲁棒性。设计了基于一阶高度差分与二阶高度差分结合的熔敷道特征点选取算法。对比选取了二次多项式函数进行熔敷道表面轮廓曲线拟合。针对系统存在的检测误差,结合熔敷道金属熔敷截面积进行了误差修正。利用XGBoost算法构建了由层间温度,熔敷电流,熔敷电压,熔敷速度到熔敷道形貌的预测模型,解决了预测模型中训练样本少,模型易过拟合的问题,结果表明预测算法的平均相对误差1.25%,具有较高的预测精度。针对多层单道与多层多道电弧增材制造,进行了视觉检测系统的精度验证实验。实验结果表明,视觉检测系统的平均检测误差为0.25mm。