关键词：
电弧增材制造
温度场、应力场数值模拟
熔池流动
成形形貌
摘要：
电弧增材制造技术以其成本低、效率高的优势,为金属零件的快速成形提供了新途径。目前对于该技术的研究主要集中在工艺优化和成形控制上,而对影响成形质量的热、力演变以及液态金属流动等物理过程的研究则较少。本文将采用数值模拟与实验相结合的技术,对铝合金电弧增材制造过程中的温度场、应力场和熔池流场进行研究,以期为揭示电弧增材制造物理过程、提高成形件成形质量提供依据。首先,利用CMT电弧增材制造系统,进行了不同工艺参数下的铝合金多层单道成形实验。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,采用双椭球+熔敷体组合热源模型进行计算。结果表明,组合热源模型较单独的双椭球热源更适用于电弧增材制造的温度场计算。对于单道堆积层而言,起弧端熔池最高温度较收弧端低,热量在收弧端累积严重。在电弧增材制造过程中,成形件内部的温度和应力均经历了反复的升降过程,且存在堆积层重熔和应力释放现象。夹具释放后,成形件的变形主要为沿长度方向的翘曲。其次,在建立的有限元模型基础之上,对不同的成形路径和道间等待时间下成形件的温度场、应力场进行了计算。结果表明,成形路径会影响成形件所经历的热过程以及残余应力的对称性。与往复成形相比,单向成形时成形件的热量在收弧端累积,基板上靠近收弧端的位置残余应力水平较高,其热过程和残余应力分布对称性较低。增加道间等待时间,会降低成形件整体的热累积程度,使成形件整体的残余应力水平下降。随后,基于CFD理论对CMT电弧增材制造过程中金属熔池的流动以及考虑焊丝回抽时的熔滴过渡情况进行了数值计算。结果表明,熔池中各种作用力对液态金属流动影响的重要程度按从大到小顺序依次为表面张力、电弧压力、电磁力和浮力。重力和表面张力是影响熔滴过渡过程的主要作用力,焊丝向下运动时表面张力促进熔滴过渡,而焊丝回抽时则阻碍熔滴过渡。熔池散热条件变差时其熔深和熔宽将增加,有利于熔滴金属向熔池两侧铺展。最后,以数值模拟结果为依据,对不同成形路径和道间等待时间下CMT电弧增材制造所获得的成形件形貌进行了分析。结果表明,单向成形时热量在成形件收弧端累积,从起弧端到收弧端成形件高度逐渐下降,而往复成形时成形件经历热过程对称性高,成形件高度变化较小。延长道间等待时间会降低成形件整体的热累积程度,改善熔池的散热条件,从而抑制液态金属的流淌,使堆积层的平均宽度减小而高度增加,成形件宽度的一致性也随之提高。本文对电弧增材制造过程中温度场、应力场和熔池流场的数值计算,以及对实际成形件的形貌研究,揭示了该过程热、力演变及液态金属流动特点,为改善成形质量提供了理论支撑。
欢迎来到三峡大学图书馆！
