关键词： 电弧增材制造   旁路耦合微束等离子弧焊   热过程   组织   变形  

摘要： 电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacture,WAAM)技术是一种利用电弧将焊丝熔积成型的新型制造方法,基本原理是“分层制造,逐层堆积”。WAAM成形件致密度高、生产效率高、成本低,但在连续的热循环作用下,容易引起材料内部组织的复杂转变,同时使零件产生较大的残余应力及变形,影响零件的成形精度,并增加零件性能控制的难度。本文利用旁路耦合微束等离子弧焊(Double-Electrode Micro-Plasma Arc Welding,DE-MPAW)技术,进行304不锈钢电弧增材制造的研究,分析工艺参数、堆积层数及堆垛顺序对单道多层薄壁件成形过程中的热过程、晶粒组织及基板翘曲变形的影响,为更好地控制增材过程中的热输入、优化零件组织、预测并改善基板的变形提供试验基础和理论依据。首先,针对旁路耦合微束等离子弧焊增材制造过程中的热物理过程,利用K型热电偶测量堆垛过程中不同焊接速度、不同旁路电流和不同堆垛顺序的热循环曲线,分析堆垛成形时各参数对母材热输入的影响。结果表明,随着焊接速度的增大,母材热输入减少;在合适的旁路电流区间内,增加旁路电流,母材热输入减少;同时同向堆垛散热性要优于往复堆垛。然后,利用金相显微镜和维氏显微硬度仪等手段,并结合增材过程中所测得的热循环曲线,研究304不锈钢堆垛件的晶粒组织和显微硬度,分析堆垛高度、旁路电流及堆垛顺序对组织和硬度的影响。结果表明,当增大旁路电流,堆垛件组织的枝晶间距先减小后增大;堆垛顺序对组织的影响表现为不同的散热方向,导致枝晶生长方向发生改变。显微硬度则沿着堆积高度方向缓慢降低,且随着旁路电流增大,硬度先增大后降低;同时堆垛顺序对硬度的影响并不明显。最后,利用CCD摄像机拍摄增材制造过程中单端约束下基板的翘曲变形,分析研究堆积层数、焊接电流、旁路电流和堆垛顺序各参数对基板沿Z轴变形的影响。结果表明,随堆积层数的增加,基板的Z轴变形量总是先增大后降低,最后趋于稳定;增大焊接电流,基板的变形量也增大;而在不同的旁路电流下,基板的变形量不同;同时同向堆垛时基板的变形量要大于往复堆垛的。综上所述,在旁路耦合微束等离子弧焊增材制造中,精确控制旁路电流、合理规划堆垛路径可较好地控制增材制造的热过程、优化堆垛件的组织并改善基板的变形,进而提高堆垛件的性能和精度。

关键词： 304奥氏体不锈钢   丝材电弧增材制造   微观组织   力学性能  

摘要： 304奥氏体不锈钢由于其具有优异的低温力学性能、机械加工性能和耐腐蚀性能而广泛应用于石油化工、海洋工程及日常生活等领域。相比于传统的成型制造方法,增材制造技术对于复杂型腔结构有更好的可行性。丝材电弧增材制造(WAAM)技术是金属材料3D打印领域的一个重要研究方向,其通过电弧熔丝堆积的方式,最终获得三维实体模型。丝材电弧增材制造技术相比于激光增材制造具经济性好、效率高的优势。课题基于冷金属过渡(CMT)的奥氏体不锈钢增材制造技术,以直壁成型件为研究对象,对增材制造过程中的成形工艺、微观组织及力学性能开展了研究。就CMT电弧增材制造过程中送丝角度会对单道单层焊缝的宏观形貌产生的影响而言,分别探究了不同送丝角度下焊缝的成形形貌,然后选取最优参数增材制造墙型直壁件。同时研究了不同工艺参数对成型件宽度均匀性的影响。增材制造成型件沿高度方向微观组织为奥氏体柱状晶,其组织分为三个区域,底部区域奥氏体基体上含有少量柱状的残余铁素体;中部稳定成型区域,铁素体较少,呈现柱状枝晶和二次枝晶;由于散热条件改变,顶部区域出现等轴晶。成型直壁件中沿焊接方向的组织为等轴晶。随着工艺参数的变化,微观组织形貌和枝晶间距会发生变化,实际上是由于热输入不同引起的组织变化。采用Hammar和Svensson奥氏体不锈钢凝固模式推测室温组织。利用成分过冷分析了枝晶组织生长机理。成型直壁件沿不同方向的拉伸强度略有差异,沿高度方向抗拉强度介于530-550MPa之间,沿焊接方向抗拉强度介于550-580 MPa之间,和退火态强度持平。同时,增材试样整体延伸率达到50%,达到退火态的83%。增材试样沿高度方向维氏硬度介于170-190 HV之间。

关键词： MAG丝材电弧增材制造   二次响应曲面通用旋转组合实验设计   微观组织   力学性能  

摘要： MAG(Metal Active Gas)丝材电弧增材制造(MAG Wire and Arc Additive Manufacturing,MAG-WAAM)技术具有生产成本低、成形效率高等优点,适用于大尺寸构件的快速近净成形,在汽车及模具制造等领域具有重要的应用前景。由于MAG-WAAM的成形过程是一个多参数非线性耦合的过程。因此,从成形工艺特性的角度出发,研究层间温度、堆积电流及堆积速度对成形件形貌质量及力学性能的影响规律,确定控形控性的关键因素,这对电弧增材制造技术主动控形控性的研究具有重要的指导意义。本文以丝材H08Mn2SiA为原料,研究了 MAG-WAAM的成形工艺特性。首先,研究了基板温度、堆积电流及堆积速度对单层单道形貌质量及焊道截面轮廓形状的影响规律,结果表明:基板温度对焊道的形貌质量影响较弱,焊道的截面轮廓与圆弧形的拟合度最佳。基于二次响应曲面通用旋转组合实验设计的方法,建立了单壁件的有效壁宽与层间温度、堆积电流、堆积速度之间的响应曲面关系,结果表明:层间温度对有效壁宽的影响较弱,优化的层间温度为80℃,堆积电流和堆积速度是控制单壁件有效壁宽的显著因素。最后,建立了有效壁宽和层高分别与堆积电流、堆积速度之间的响应曲面回归模型,并通过方差分析和实验的方法,验证了模型的可靠性和准确性。研究了层间温度、堆积电流及堆积速度对成形件微观组织及力学性能的影响。沿垂直于基板方向,成形件的微观组织具有明显的层带特征,分层界面处由粗大的多边形铁素体和少量的珠光体组成,层带处由未经重结晶的粗大铁素体、经重结晶后形成的细小铁素体和粒状珠光体组织组成,顶层主要由粗大的柱状先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体和少量的珠光体组成。当层间温度分别为40℃、80℃、120℃时,成形件的微观组织无明显的变化。在层间温度为80℃的条件下,随着堆积电流和堆积速度地增加,成形件的微观组织无明显的变化。沿水平方向和垂直方向,成形件的抗拉强度和屈服强度基本呈现各向同性特征,沿水平方向的伸长率大于垂直方向,呈现各向异性特征。在层间温度为80℃的条件下,随着堆积电流和堆积速度的增加,成形件的力学性能无明显变化。层间温度、堆积电流、堆积速度对成形件的力学性能影响较弱。从改善成形件的形貌质量出发,层间温度应该控制在80℃,堆积电流和堆积速度是控制成形件的尺寸的关键因素。

关键词： 电弧增材制造   CMT技术   人工神经网络   几何模型   多层结构   组织性能  

摘要： 电弧增材制造技术是以电弧作为热源,焊丝作为熔敷材料,快速成型力学性能好、致密度高的金属构件。这种技术极大地提高了材料利用率,缩短了产品周期,提升了生产效率和制造技术的核心竞争力。本课题基于CMT方法以不锈钢和高强钢作为熔敷材料进行机器人电弧增材制造技术研究。首先,对于机器人电弧增材系统缺少相应成熟软件的问题,编写了将G代码转换为ABB机器人程序的Python脚本,使得一般3D打印软件可应用于机器人电弧增材制造的路径规划。其次,针对不锈钢和高强钢的单道熔敷成型,利用正交法设计了以熔敷工艺参数为输入变量,熔敷焊道几何尺寸为输出量的试验方案,根据试验所得数据建立了人工神经网络模型,并利用该模型对单道熔敷进行了仿真,结果表明对于不锈钢和高强钢,其焊道横截面的宽度随着送丝速度的增加而增大,随着焊接速度的增大而减小,随着温度的增加而增大,与干伸长度和保护气流速关系并不明显;而焊道的高度随着送丝速度的增加而增大,随着焊接速度的增大而减小,随着温度的增加而减小,与干伸长度和保护气流速关系并不明显。随后以圆弧、抛物线和余弦公式对不锈钢和高强钢材料的单道横截面轮廓进行建模,利用图像处理的方法计算各组焊道实际横截面积并各模型的理论面积比较,筛选出不同工艺下的最优模型,结果发现对于不锈钢,当焊接速度为25cm/min时,圆弧曲线对焊道的拟合度最佳,当焊接速度为30-45cm/min时,抛物线对焊道的拟合度最佳,而当焊接速度为50-65cm/min时余弦曲线的拟合度最佳;对于高强钢则为焊接速度为25-45cm/min时,抛物线拟合度最佳,而当焊接速度为50-65cm/min时余弦曲线的拟合度最佳。通过模型计算出最佳道间距和层间距,结合上述规律进行试验验证,结果发现由于熔敷金属铺展不充分,最佳道间距的实际值要略小于理论值,而最佳层间距则等于理论值。利用所得神经网络模型可以预测单道焊缝的尺寸,而焊缝尺寸结合焊接参数可算出增材成型时焊道的道间距和层间距,根据这些模型便可规划出完整的不锈钢和高强钢多层多道样件的增材参数。成功制得两种材料多层多道熔敷件并对其进行金相组织与XRD分析,结果表面:不锈钢在熔敷之后的组织主要为奥氏体和铁素体,高强钢区域组织主要为马氏体、贝氏体和少量残余奥氏体。受焊道重熔的热影响,同一道材料靠近重熔区的组织晶粒相对远离重熔区的要粗大。对不锈钢和高强钢的多层多道熔敷件进行拉伸和冲击试验,结果表明,两种单一材料在抗拉性能和抗冲击性能上呈现各向同性的特点,高强钢的抗拉强度要远高于不锈钢,而抗冲击性能则略高于不锈钢。两种材料交织结构件的抗拉性能和抗冲击性能则表现为各向异性,其中3:1组在Y方向上的抗拉强度要略高于高强钢,在X方向的抗冲击性能要远高于高强钢,证明高强钢和不锈钢在合适比例下叠加的结构能够阻碍裂纹扩张从而获得不低于任一材料的力学性能。最后基于对不锈钢和高强钢的电弧增材制造工艺和尺寸控制的研究,依据贝壳珍珠层的结构特点,采用不锈钢和高强钢软硬交织的结构,对仿生装甲板进行了增材,熔敷速度为0.91kg/h。按照电磁炮分段导磁的特点,采用不锈钢和高强钢分段交替的结构,打印了脉冲电磁炮管,熔敷速度为0.95kg/h。若采用交错打印的增材策略,节省增材过程的等待时间,两者的增材速度将提升至2.67kg/h。

关键词： 电弧增材制造   CMT技术   多层结构   组织及力学性能  

摘要： 基于冷金属过渡技术的增材制造(CMT-AM)是一种以焊丝为熔覆材料、以CMT焊机在基板或者前熔覆层与焊丝之间产生的电弧为热源的累加式快速成型结构件的增材方法,其具有周期短、效率高等优点。本课题仿生天然贝壳珍珠层结构,设计出软硬双金属多层交织结构,分别以ER316L与高氮钢(HNS)两种材料为研究对象,研究增材工艺对于宏观尺寸、微观组织以及力学性能的影响,并分析其原因。再通过对比异种材料增材制造多层交织材料时不同增材路径的性能差异,对CMT增材制造多层交织材料构件的工艺进行研究。首先进行ER316L材料的CMT增材制造(ER316L-CMT-AM)的工艺试验研究。分别研究熔覆热输入与层间冷却温度对增材制造直壁体宏观尺寸、微观结构、力学性能等方面的影响规律。确定在CMT-AM中ER316L的凝固模型为铁素体-奥氏体模型。分析直壁试样在增材过程中熔覆层底端、中部、顶部组织的晶粒生长方向。研究发现,直壁体的晶粒尺寸与熔覆速度成负相关,与热输入量正相关,并确定最佳的层间冷却温度。其次,对HNS材料的增材制造(HNS-CMT-AM)进行工艺研究。研究熔覆热输入对于HNS增材成型中所含氮元素的影响,进而确定其在不同氮元素含量下的凝固模型,并确定其组织结构。研究在不同氮元素含量下的直壁体硬度及拉伸性能,并利用扫描电镜观察拉伸断口韧窝以分析拉伸断裂方式。然后,对CMT-AM双金属多层交织构件进行工艺参数及交织路径的研究。确定相邻熔覆道的最佳重叠间距,研究异材界面的组织构成及生长方向。在增材制造双金属多层交织构件中,HNS的硬度分布在310HV-320HV附近,ER316L的硬度分布在200HV附近。在ER316L与HNS界面结合处,硬度分布在280HV-290HV附近。HNS与ER316L组成的双金属多层交织结构的拉伸性能是低于HNS的拉伸强度而高于ER316L的。其抗冲击性能相比于两种材料,也有了极大的提升。最后依据贝壳珍珠层的结构特征,采用软硬材料交织、层间角度交错的形式,建立交织结构的三维立体模型,设计软硬材料成分比例。采用双面增材制造方法,完成30°层间交错增材制造多层交织构件,整体熔覆效率达到0.1097kg。

关键词： 电弧增材制造   伺服系统   高精度   参数辨识   模糊PID  

摘要： 电弧增材制造技术以电弧为热源、焊丝为增材材料,根据零件的三维模型进行分层制造,逐层叠加,直至形成零件,通过三台伺服电机来完成三维空间的运动。由于多轴电机驱动系统是一个非线性、强耦合的时变系统,且成型过程容易因位置偏差而使成型尺寸偏离规划值,无法继续按照规划路径进行,因此提高多轴电机运动的位置精度是亟待解决的问题。本文对MOTOMAN-UP6的伺服系统进行深入研究,对伺服系统受控对象的模型参数辨识及控制器的参数整定进行理论分析和试验研究,并在实验室的弧焊机器人设备上进行验证。1.以MOTOMAN-UP6六轴机器人为研究对象,伺服电机控制系统的位置精度为控制目标,介绍伺服电机的数学模型,并详细分析伺服电机控制系统的特点进而建立等效模型,为文中受控对象的模型参数辨识提供依据。2.利用递推最小二乘法辨识速度环的近似模型,根据辨识结果对PID参数按照最佳系统的原则进行调节,得到控制器的最优参数值,仿真结果表明,辨识结果能很好地反映实际系统的动态性能。3.针对电弧增材制造过程中的位置精度,以速度闭环和积分环节为受控对象,设计P+前馈和模糊PID两种控制器进行位置误差跟踪。仿真结果表明,模糊PID算法优化后的位置闭环控制系统在误差跟踪方面较P+前馈控制算法有所提高。4.在六轴机器人平台上利用SigmaWin+上位机软件,对比两种控制算法参数调节后的反馈跟踪误差,采用模糊PID算法系统的最大误差达到±0.04 mm,并通过在线示教指导机器人进行验证,实验结果表明,模糊PID参数调节后的定位更准确。

关键词： 钛合金   电弧增材制造   沉积单道   多道重叠模型   交织结构  

摘要： 电弧增材制造是以电弧为热源、焊丝为添加材料,实现三维实体快速自由成形制造的革命性新技术。本课题是基于受控电弧(等离子弧)针对TC4钛合金和TA1工业纯钛两种材料的增材制造工艺试验研究,对TC4和TA1两种材料的单道成形工艺进行研究并分析主要参数对单道宏观尺寸的影响,优化增材工艺参数,并进行等离子弧增材成形异种材料仿生交织结构的试验研究,探究其力学性能的优势。首先针对TC4和TA1沉积单道的成形质量进行试验研究,得到TC4和TA1单道成形质量的工艺参数窗口,同时研究了电流、送丝速度和焊接速度对两种材料单道宏观几何尺寸的影响规律。TC4沉积单道几何尺寸变化受电流、送丝速度、焊接速度影响规律均较明显,TA1沉积单道几何尺寸变化受电流、送丝速度影响的规律较明显,而受焊接速度影响的规律不明显。进一步研究两种材料沉积单道在固定电流、不同熔积比情况下的焊道截面轮廓模型并根据尺寸、面积的匹配误差筛选增材工艺参数,得出TC4电流为125A、TA1电流为140A时,不同熔积比情况下沉积单道截面模型均拟合为抛物线函数,并通过多道重叠模型计算和试验验证的方法,得道TC4与TA1异种材料叠加、TC4与TC4同种材料叠加的最佳道间距为d1*=d2*=6.58mm,TA1和TA1同材叠加的最佳道间距为d3*=6.54mm。对单道多层交织直壁体的研究表明四组不同材料比例的交织结构直壁体的抗拉强度仅略低于TC4,断后伸长率与TC4相当,不同位置的横向抗拉强度均高于纵向抗拉强度,且随着TC4占比的增加,交织结构直壁体纵向抗拉强度出现下降趋势。交织结构直壁体拉伸断口呈现为包括韧窝断裂、准解理断裂和解理断裂的混合型断裂特征,其微观组织高度多样化,能观察到晶界处取向一致且相互平行的片层状α、内部细小的网篮组织以及残余β等组织,且由于钒元素在β相中的扩散速度高于铝元素,TA1沉积层呈现为典型的两相组织富β区的特征——β斑。最后针对TC4和TA1块状交织结构的抗冲击性能进行了试验分析,结果表明试验的三种交织结构的正面冲击吸收功较TC4均提升了 35%以上,结合SEM发现裂纹的扩展方向沿异材界面发生偏转,验证了利用增材制造技术快速成形同时具有高强度和高抗冲击性能的“材料-结构-功能”一体化的功能部件和功能梯度材料的实际可行性。

关键词： 电弧增材再制造   模具修复   路径规划   机器人姿态   焊接工艺  

摘要： 热作模具在现代工业中占有重要地位,但因工作环境恶劣导致其损耗率很高,需要通过堆焊的方式对其进行修复,恢复至标准件的尺寸和性能。传统的人工堆焊修复存在劳动量大、工作环境差和修复质量不稳定等问题,难以适应智能化与自动化工业发展需求。为了解决这些问题,本文对电弧增材再制造技术进行研究,使用机器人对模具进行自动堆焊修复。首先,设计并搭建了面向热作模具的电弧增材再制造实验平台,该平台由三维扫描系统、模型处理系统和机器人控制系统组成,将模型处理、路径规划、机器人离线编程和堆焊成形等技术集于一体,能够满足模具因失效形式不同而产生的差异化修复需求。同时,研制出一种用于电弧增材再制造的微渣气保护药芯焊丝,该焊丝既能在机器人连续焊接过程中自动脱渣,又能满足模具修复的性能要求。其次,对IGES格式的三维模型进行路径规划。设计了基于相邻层片面积变化的自适应分层切片算法对模型进行切分,用复合式扫描算法填充层片的轮廓,并在UG/OPEN GRIP中实现了路径规划系统的开发。为了让焊枪在模具型腔中处于最佳施焊位置,在路径中加入了焊枪姿态的变换。根据机器人各关节轴之间的相对关系,建立了机器人末端控制器与基坐标系之间的齐次变换矩阵,用欧拉角计算不同姿态下点位的广义坐标值。进一步对药芯焊丝的MIG焊焊接工艺进行研究。通过实验定性分析了焊接工艺参数对单道焊缝成形形貌的影响,获取连续焊接时焊缝熔宽和层间增高量,确定了单层多道焊中最佳路径间距为熔宽的5/9。此外,采用往复堆积法解决多层单道焊中尾部塌陷问题,使用加速法改善了拐角处金属堆叠造成的尺寸差异,提高了堆焊成形的表面精度。最后,对火车衬板的失效模具进行了电弧增材再制造实验。通过三维扫描系统获取待修复部分的数字模型,根据模型的特点和焊接工艺要求,使用路径规划系统对模型进行处理,生成焊枪的移动轨迹和姿态。在对焊接过程进行仿真后,使用机器人进行失效模具的增材再制造实验。实验结果达到了预期的目标,验证了整套系统的可行性,为电弧增材再制造的应用方向提供了新的思路。

关键词： 电弧增材制造   5356铝合金   数学模型   微观组织及性能   散热性能  

摘要： 随着近年来在船舶、压力容器、军事、汽车和航空航天工业的发展,铝镁合金由于具有低成本、良好的韧性、优异的耐腐蚀性和较高的比强度被广泛用于大型结构部件中。电弧增材制造技术由于具有高沉积效率、高材料利用率、材料和设备成本低以及零件尺寸没有限制等优点越来越受到广泛关注。本文采用TIG-MIG复合电弧作为热源,由于基板不接电源,电弧的热量充分用于丝材熔化,是一种低热输入高沉积效率的复合热源。因此本文利用TIG-MIG复合电弧对5356铝合金进行增材制造,建立工艺参数与增材几何尺寸数学模型,然后采用优化工艺参数增材制造单道多层铝合金构件,研究不同位置以及不同热处理温度对铝合金构件微观组织、力学性能以及散热性能影响。研究结果表明,在固定的增材制造工艺参数下,工艺参数与几何形貌有如下特点:当电流低于160A或者增材速度高于40cm/min,焊缝出现不连续和蛇形;当电压大于25V时,出现大量飞溅,焊缝不成形;当钨极-基板高度高于14mm时,不连续颗粒出现;当增材速度低于10cm/min时,熔融金属堆积,导致熄弧,无法继续成形。工艺参数与增材几何尺寸模型具有较高显著水平以及拟合度。工艺参数对增材高度影响如下:电压>增材速度>电流=钨极-基板高度;工艺参数对增材宽度影响如下:电压>电流>钨极-基板高度>增材速度。微观组织结果表明,沉积态和热处理状态的微观组织主要是等轴晶,等轴晶尺寸由大到小依次为底部、中部、顶部。随着热处理温度的升高,β相逐渐溶入α-Al基体中且晶界逐渐明显。层与层之间析出大量β相,经历热处理之后,β相溶入α-Al基体中,细小等轴晶和柱状晶的混合出现。力学性能及扫描断口表明,所有状态下铝合金的硬度值随着距离基板越来越远而升高,在顶部时硬度值达到最大,在过程中硬度值波动较大,随着热处理温度升高,平均硬度值从64.2HV0.1升高至75.3HV0.1。沉积态铝合金平均抗拉强度随着热处理温度的升高由226Mpa升高至269Mpa,平均延伸率由29.75%下降至12.2%。沉积态和350℃热处理的断口呈现典型的韧性断裂,450℃热处理的断口呈现准解理断裂,550℃断口呈现脆性断裂,所有断裂均呈现穿晶和沿晶混合断裂模式。散热性能测试表明,沉积态铝合金、350℃热处理铝合金和450℃热处理铝合金在不同位置温度分布均匀且冷却速率相同,550℃热处理铝合金不同位置温度分布不均匀并且冷却速率有差异。通过将各个状态铝合金全部区域温度平均值做比较,可以发现在热处理温度为350℃和450℃时,可以明显提高沉积态铝合金冷却速率,当采用550℃热处理时,沉积态铝合金冷却速率大幅度下降。

关键词： 增材制造   TIG电弧   弧长   特征信号   数值模拟  

摘要： 电弧作为增材制造中熔化填充金属材料的热源,涉及到大量的热、力、声等物理特征信息,这些信息体现了电弧的动态行为特征,反映了电弧增材制造过程中金属沉积的宏观结构变化特征。本文建立了TIG电弧增材制造的电弧信息检测分析系统,对电弧力、电弧热、电弧声波以及电弧图像等特征信息进行实时采集,研究了不同电弧参数下的电弧热、力学以及声波信号特征,并对TIG电弧的温度场和电磁场进行了数值模拟。此外,基于电弧声波信号检测系统,分析了电弧弧长渐变条件下声波信号波形特征,运用高通滤波和小波分析方法提取电弧弧长变化下的极值曲线,建立了声波信号与电弧弧长的数学模型,并对不同电弧电流条件下定弧长和变弧长的电弧弧长模型进行验证并作误差分析,以实现了对TIG电弧增材制造过程中电弧弧长的预测。研究结果表明,TIG电弧压力在弧柱中心轴线处最大,并沿径向基本呈对称分布;通过建立热量计系统可计算出金属母材对电弧的热吸收能量和热源效率;电弧电流、电弧弧长与电弧压力、电弧热输入能量存在密切相关性。利用TIG电弧作为增材制造热源,以电弧弧长在3mm7mm变化范围内进行金属熔滴沉积,发现金属沉积层的高度和宽度随着电弧弧长变化有所改变,说明了电弧弧长对沉积层宏观形貌的影响。随着电弧弧长增加,电弧峰值压力呈逐渐减小的趋势,金属对电弧热的吸收能量和热源效率则有所提高,其中弧长在4mm时热源效率最为稳定。TIG电弧的温度场和电磁场数值模拟结果表明,随着电弧弧长的增加,电弧沿径向温度呈递减分布,热源半径逐渐增加,电流密度和电弧电压分布体现出各自的能量分布特性。在定弧长和变弧长条件下采用高通滤波和小波分析方法建立声波信号与电弧弧长的数学模型,弧长的模型计算值均可以接近实测值,从而为电弧增材制造中通过检测声波信号预测和控制电弧弧长奠定了理论基础。