关键词： 热锻模具   电弧增材再制造   工艺参数   切片算法   路径规划  

摘要： 为解决采用人工堆焊修复热锻模具时,精确尺寸难以控制、加工余量大造成的焊材浪费、现场作业环境恶劣、锻模组织性能稳定性差等问题,提出采用自动化电弧增材制造技术代替传统的人工堆焊,充分发挥失效锻模作为再制造基体的低成本优势和自动化电弧增材制造技术的精确性优势,具有广阔的应用前景。该方法在国内起步较晚,其成形精度和自动化水准都与国外先进水平存在较大差距,包括电弧增材工艺参数优化、复杂构件分层切片算法、填充路径轨迹规划方法等关键核心技术有待突破。本文以失效的曲轴热锻模具自动化电弧增材再制造过程为研究对象,对焊接工艺参数与焊缝形状映射关系、电弧增材制造分层切片及填充路径规划方法等关键核心技术进行了全面系统的研究,并进行了曲轴模具的自动化电弧增材再制造试验。论文主要的研究工作有以下几点:(1)针对能够直接影响电弧增材制造效率和质量的焊接工艺参数及其对应的焊缝形状,以直径1.2mm的CD645牌号焊材开展了自动化平板电弧增材制造实验,确定了焊接工艺参数范围,并统计了对应的焊缝形状数据。进而,训练出了预测及泛化能力良好的的BP神经网络进行数据扩容。(2)针对现有方法难以得到目标焊缝形状对应的最优工艺参数的难题,以训练好的BP神经网络为基础,结合改进的爬山算法,构建了工艺参数优化模型。进而基于MATLAB平台,编写了工艺参数优化软件,并对该软件进行运行效果测试,发现该软件完全满足焊缝形状预测及对目标结果的优化,计算结果具有很高的可靠性。(3)针对STL模型的结构特点,设计了Point、Triangle、STLModel三个类对模型的数据进行存储。然后分析了常用分层切片算法的缺陷和不足,并从提高分层切片处理效率和实用性的角度出发,提出了一种先求交点后重构为环从而得到轮廓多边形的分层切片算法,进而引入了提高轮廓多边形精度的插值拟合修复算法,然后推导出了轮廓顺逆判据的一般公式,并构建了离散多边形的计算式。(4)针对扫描填充路径的规划,通过分析常规填充算法的优缺点,提出了一种内部填充均匀、外部过渡平顺的复合填充算法。进而开发了填充轨迹与机器人指令文件的转化接口及其转换方法。结合自动电弧增材数控系统、数字焊机的硬件结构以及焊接工艺,架构了电弧增材轨迹规划软件相关业务逻辑类的关系,并采用业务逻辑和UI逻辑分开的方法深度设计了路径规划软件。(5)结合工厂实际生产情况,分析了曲轴锻模失效的常见形式、位置分布以及失效原因,进而详细介绍了曲轴锻模自动化电弧增材再制造的流程,并对失效的曲轴锻模进行了电弧增材再制造试验,验证了整套方案的可行性。

关键词： 铝/钢连接结构   电弧增材制造   磁场   界面演化   界面调控  

摘要： 铝/钢电弧增材制造构件具有质量轻、强度高、成形方式灵活、成本低等优点,在车辆、航空航天、船舶等领域具有广泛的应用前景。但是,铝/钢界面连接强度较低,是整个增材构件的薄弱区域。磁场作为异种金属连接中常用的辅助手段,可以改善界面结构,提高接头力学性能。增材热过程是伴随电弧增材制造方法而出现的温度变化过程,可以对增材构件的组织性能产生一定的影响。本文将磁场引入铝/钢电弧增材制造过程,研究铝/钢界面结构在增材热过程下的演化行为,阐述磁场和增材热过程对铝/钢界面结构的调控机制。首先,研究励磁电流和磁场频率对铝/钢界面微观组织和力学性能的影响,确定铝/钢增材连接界面调控的磁场参数。磁场可以通过降低焊接时的峰值温度,缩短高温停留时间,加快熔池流动行为等方式降低界面金属间化合物层的厚度并减少脆性较大的（Al,Si）13Fe4化合物在界面处生成。施加励磁电流为2A,磁场频率为0Hz的磁场可以使铝/钢界面处形成厚度较低且只有Al8Fe2Si一种物相组成的化合物层,使铝/钢接头的力学性能提升43.2%,被选为铝/钢增材磁场调控参数。然后,研究单层多道和单道多层两种增材形式下的热过程对铝/钢界面结构的影响,得到界面结构在不同增材温度下随着增材次数增多而出现的演化行为。增材热过程作用下界面结构的整体演化进程是在初始化合物层和钢基板之间生成（Al,Si）13（Fe,Cr）4化合物,该化合物的生长随着增材次数的增多将会经历杆状形态、层片状形态等时期。增次温度的升高会使铝焊缝中金属间化合物增多,加快界面结构的演化进程,甚至在（Al,Si）13（Fe,Cr）4化合物和钢基板间生成Fe2Al5化合物。最后,建立界面结构在增材热过程下的演化模型,阐述磁场和增材热过程对铝/钢增材界面结构的调控机制。增材热影响作用下依靠界面反应生成的杆状的（Al,Si）13（Fe,Cr）4化合物可以阻碍裂纹在Al8Fe2Si化合物层中扩展;而增材热累积作用下依靠扩散行为生长的层片状的（Al,Si）13（Fe,Cr）4化合物将成为剪切试验中的裂纹源;较高频率的增材热冲击作用下生成的Fe2Al5化合物将造成界面强度的急剧下降。磁场可以在改善初始界面结构的同时,降低后续增材热过程的峰值温度和高温停留时间。合理的调节增材温度可以引起适当的热冲击作用,形成化合物以镶嵌状形态分布的界面结构。

关键词： 电弧增材制造   5356铝合金   显微组织   力学性能   热处理  

摘要： 相比于其他增材制造技术,电弧增材制造技术在成形效率、材料利用率、零件结构尺寸等方面具有无可比拟的优势,在航空、航天、船舶等领域具有广泛的应用前景。本文针对5356铝合金的电弧增材制造成形工艺进行了研究。结果表明:成形工艺参数对成形试样的外观形貌及成形质量均存在一定影响;优化得出较为合理的工艺参数组合,其中焊接电流为180A,送丝速度为8.1m/min,扫描速度为18mm/s,扫描间距为3mm,层高为2mm。最终成形出的块状试样表面形貌良好,未出现坍塌现象。对铝合金微观组织及拉伸性能进行了研究。结果表明:电弧增材制造5356铝合金成形质量良好、冶金结合优良,未出现较大缺陷;试样显微组织主要由ɑ(Al)基体和弥散强化相β(AlMg)组成,经420℃x18h均匀化退火处理元素分布均匀性得到改善;均匀化退火后铝合金的强韧性同时得到提高,远远超过5356铝合金的焊接性能;室温拉伸试样的断口位置出现明显颈缩;沉积态断口表面较为平缓,均匀化退火后断口表面出现明显起伏;断口表面分布有细小且均匀的韧窝,且均匀化退火后韧窝更为细小。最后,研究了辅助外力作用对成形试样组织及性能的影响。结果表明:通过施加辅助外力,成形焊道表面变得平整,焊道熔高显著降低;同时,由于焊道发生塑性变形,试样内部气孔等缺陷也发生变形,试样内部孔隙率得到降低。辅助外力作用下,试样内部晶粒尺寸发生变化,因此,与直接成形试样对比,辅助外力成形试样的抗拉强度和屈服强度均有所提高,而试样的塑性明显降低。

关键词： 5A06铝合金   电弧增材   连接界面   力学性能   显微组织  

摘要： 随着国家高新技术产业的迅猛发展,航空航天、国防军工等诸多领域中,越来越多的构件为满足轻量化、一体化、高性能的需求,被设计成大型整体结构件,使得铝合金挤压件得以广泛应用。大型整体构件突出特点是尺寸大,例如本文的铝合金深腔,其整体高度超过500mm,若通过整体挤压成型,将面对无法脱模的问题,且成形压力大,普通设备难以达到吨位要求。本文采用挤压-电弧增材复合制造技术成型大型铝合金构件,将构件按结构特点分成两部分,一部分采用热挤压成型后,在其特定表面进行电弧增材得到完整构件。而挤压-电弧增材连接界面作为整个构件的关键部位,其结合状态、组织性能对构件实用性起决定作用。本文对电弧增材工艺参数进行探索,系统的研究了复合制造连接界面的组织性能,寻找最佳工艺参数。电弧增材实验采用CMT（冷金属过渡技术）机器人柔性焊接系统,在不同基材特定表面进行电弧增材,获得直臂体增材件。对电弧增材工艺进行研究,确定了宏观形貌好、力学性能高的增材件对应的工艺参数。调整工艺参数进行不同工艺参数的对比实验,探究工艺参数对增材件连接界面组织性能的影响规律和机制。利用室温拉伸实验、维式显微硬度测试、冲击实验对复合制造连接界面进行力学性能测试;利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）对增材件进行组织观察。测试其室温拉伸性能、维式显微硬度及冲击韧性,观察晶粒大小、形态,生长规律,分析其相组成、晶粒取向等。确定了最佳连接界面对应的工艺参数以及基材状态。所获得抗拉强度达到319.15MPa,延伸率可达21.20%,维式显微硬度增材区HV180.2,连接界面HV190.7,挤压区HV191,冲击韧性最好,冲击功为17.95J。分析了增材件各区域晶粒形貌特征以及生长机理。挤压-电弧增材连接界面晶粒形貌特征为,结合处一层等轴细晶,向下为基材热影响区,向上为增材区首层柱状晶,连接界面形成良好冶金结合。增材区晶粒为柱状晶与等轴晶交替分布,随着增材高度的增加,柱状晶特征有所减弱。通过拉伸件断口扫描发现,拉伸件普遍断裂在增材区,且增材区存在数量不等、大小不一的气孔,随增材高度增加气孔逐渐增多,各增材件连接界面处未发现气孔。

关键词： 增材制造   分层切片   TRIO控制器   工艺参数  

摘要： 近些年,随着轨道交通、船舶、航天航空等对较大尺寸致密金属零件制造在生产成本、制造周期和性能的迫切需求,电弧增材制造技术脱颖而出。它以高热输入的电弧作为热源,以逐层堆焊制造方式,并且具备机械设备简单,快速成型容易,焊接成型良好等优点。因此其在低成本、大尺寸较复杂构件上具备其他增材制造不可相比的优势。本文就该技术的分层切片、控制系统设计、工艺参数、金属成型件打印进行了研究。首先,对该技术进行系统了解并分析,对其中的重难点充分认识,针对该技术中通用的STL数据模型进行分层切片算法的研究。对STL文件的读取,显示,数据的存储以及针对STL三角形面片改进了一种分组等层厚的分层切片算法,提高了分层的效率,将分层轮廓数据存入G指令文本中。其次,通过对TRIO运动控制器的认识和了解,实现了基于TRIO控制器的打印系统设计和实现,保证能够满足基本金属打印的需求。主要工作放在硬件的选型和搭建,软件功能的实现,其软件功能包括回零,单轴运动,实时打印控制,以及对主要信息的监控和弧焊机的控制。最后,在该系统下进行工艺参数的实验,主要内容是通过试验确定单层单道工艺参数区间,并对其进行精度分析以及探究其与焊接电流、吐丝速度和焊接速度之间的关系。在此基础上建立多层单道工艺参数与成形尺寸的函数关系,并分析工艺参数对成形尺寸的影响。选择合适的工艺参数进行多层多道即金属件成型实验,并对其中出现的主要问题进行解决。

关键词： 激光诱导电弧   增材制造   电信号   高速摄像   等离子体  

摘要： 电弧作为金属增材制造单一热源时,由于电弧稳定性较差,熔池的可控性也较差,容易产生熔池金属外溢及沉积结构坍塌等缺陷,影响增材制造构件的成形质量。而激光诱导电弧形成的复合热源综合了激光与电弧各自的优点,弥补了电弧增材制造过程中的不足。但是目前对激光诱导电弧能量传输机理认识的缺乏限制了该复合热源在实际增材制造工艺中的应用。本文主要针对铝合金材料建立了激光诱导电弧增材制造实验系统,对增材制造过程中的电信号及电弧形态等特征信息进行了同步采集,研究了激光对电弧熔滴过渡形式的影响,计算并分析了激光诱导电弧耦合等离子体的电子温度及电子密度数特征,最后探讨了激光诱导电弧能量定向传输机制。研究结果表明,激光诱导非脉冲MIG电弧时,其短路过渡频率相比于单电弧有所降低,但是电弧电信号波形更加均匀。当激光诱导脉冲MIG电弧时,发现激光能量能够减少不稳定的熔滴瞬时短路现象发生,并且随着激光功率的增加,这种不稳定的熔滴过渡现象得到有效抑制,同时增材制造沉积层的表面成形质量也得到了一定程度的改善。通过计算激光诱导电弧耦合等离子体物理参数特征发现,耦合等离子体电子温度在电弧功率较小时相比于单电弧更大,当电弧功率增加到一定程度时,耦合等离子体电子温度变化不明显。另外,通过改变脉冲激光输出能量发现,耦合等离子体电子温度及电子密度数都是随着激光峰值功率的增大而增大。当固定单脉冲激光能量时,电子温度及电子密度数都是随着激光脉冲宽度的增加而降低。改变热源间距发现,耦合等离子体电子温度和电子密度数都是随着热源间距的增加先升高后降低。通过高速摄像及电信号同步采集发现,激光的加入能够提高电弧起弧时一次成功的可能性,并且在脉冲激光作用期间明显改变了电弧能量传输的方向,电弧弧根部分偏向于激光作用点,电弧导电通道受到一定程度的压缩,表现出电弧能量传输的定向特征。最终通过对激光诱导电弧能量传输的方向性以及耦合等离子体物理参数特征的研究,建立了激光诱导电弧物理导电模型,认为激光诱导电弧能量定向传输的主要原因在于激光能量破坏了金属母材表面的氧化膜,为电弧提供了稳定的阴极斑点,并且激光致等离子体中的带电粒子参与了电弧的导电,使电弧燃烧更加稳定。

关键词： ZL114A铝合金   电弧增材   正交试验   力学性能  

摘要： 通过设计正交试验,研究了电弧熔丝增材制造ZL114A铝合金的成形电流、电压、Z轴增量、层间停留时间等工艺参数对成形铝合金力学性能的影响。结果表明,工艺参数对力学性能的影响程度关系是:送丝速度>电流>电压>层间停留时间;层宽极差分析表明:电流和电压因素对层宽的影响非常显著,层间停留时间因素对层宽的影响显著,送丝速度因素对层宽的影响不明显;电弧熔丝增材制造ZL114综合力学性能最好时的成形工艺参数是:电流170A、电压13V、送丝速度90mm/min、层间停留时间10s。

关键词： 电弧增材制造   钛合金  

摘要： 采用CMT电弧增材制造技术制造了TC4钛合金薄壁墙构件,并对其组织特征进行了研究.结果表明,在电弧增材制造过程中,受其热输入、多次热循环及冷却速度的影响,在其构件中产生了从高温保留下来的贯穿数个堆积层的原始β柱状晶晶界、水平层带条纹、马氏体组织和网篮组织等.显微硬度显示,中下部区域硬度相对较高,平均硬度为336HV 0.1,上部显微硬度有明显降低,平均硬度为323.3HV 0.1.

关键词： 电弧增材制造   STL模型   Akima插值   参数三次样条曲线  

摘要： 要提高STL模型精度,必然会增加三角形面片数目,导致程序处理复杂度增加。文中针对单道焊缝特点,在一定模型转化误差下,通过设置距离阈值和拟合点数范围的方法来确定切面轮廓的插值曲线段数,然后提出了基于Akima插值和参数三次样条曲线相结合的算法对轮廓点分段构造插值曲线,并计算插值点,以得到较精确的轮廓轨迹点。最后在采用熔化极气体保护焊的快速成型设备上运行生成的轮廓轨迹G代码,验证了该算法的有效性。

关键词： 核电构件   电弧   增材制造   堆熔材料  

摘要： 开发了一种核电构件电弧增材制造堆熔材料用原丝及辅剂。文中详细论述了开发背景、必要性、研究内容、关键技术及解决途径;进行了原丝及辅剂的配方、原材料成分控制、组分冶金反应平衡控制、杂质含量控制、成分稳定性控制、理化性能、生产制造工艺的研究。所开发的核电构件电弧增材制造堆熔材料用原丝及辅剂成功进行了试件的打印,打印过程顺利,工艺优良,试件各项性能指标满足设计要求。