关键词： 铝合金   AC-GTAW   增材制造   气孔  

摘要： 采用AC-GTAW工艺进行Al-6.3Cu铝合金电弧填丝单道多层成形试验,针对不同热输入、空气和氩气两种环境及不同送丝速度条件,研究过程参数及环境气氛对成形件内部气孔的影响。结果表明,热输入对气孔的影响最大,控制热输入能减少试件中气孔数量和大小;在适当控制热输入条件下,采用氩气环境和低送丝速度可显著减少内部气孔缺陷。试验发现,I=125 A,vTS=0.30 m/min,氩气环境下,vWFS=2.0 m/min时,气孔数量最少,尺寸最小。

关键词： 激光诱导MIG电弧   增材制造   组织特征   力学性能  

摘要： 采用激光诱导MIG电弧增材制造的方法制造5356铝合金薄壁零件,并对沉积态材料的组织特征及力学性能进行研究。观察结果发现,沉积态5356铝合金的截面存在波浪形条纹,顶部区域由柱状晶和等轴晶组成;中下部区域的Mg含量高于顶部区域,组织主要为树枝状。拉伸结果显示,沉积态材料的平均抗拉强度为279.75 MPa,平均断后伸长率为24.38%。试样的强度性能呈各向同性,塑性性能存在一定的各向异性。试样内部存在氢气孔,液态金属中的氢无法逸出和激光小孔的瞬间失稳是形成氢气孔的主要原因。

关键词： 电弧增材   钛合金   成形工艺  

摘要： 采用Ti6321A焊丝进行电弧增材制造,研究了焊枪姿态和摆动参数等工艺因素对成形的影响。结果表明,不同的焊枪角度对增材制造焊缝堆焊成形形貌具有显著的影响,当焊枪姿态由推焊变化到拉焊时,焊缝熔宽减小,余高变高,即焊缝表面铺展能力减弱;焊缝熔深在焊枪垂直时达到最大值。焊枪摆动会使增材制造表面呈现纹路特征,纹路之间的宽度直接由摆长参数决定,摆宽对焊缝熔宽有显著影响,呈近似线性关系。

关键词： TIG   丝材-电弧增材制造   5A06铝合金   成形   微观组织   力学性能  

摘要： 选用Φ1.2mm的5A06铝焊丝为成形材料,研究TIG丝材-电弧增材制造工艺。以TIG焊机为电源(交流模式),以四轴联动数控机床为运动机构,研究单层和多层成形时预热温度和电流对成形形貌的影响,观察成形件微观组织,并测试其力学性能。建立了单层单道基板预热温度和电弧峰值电流工艺规范带判据,以保证良好成形。结果表明:成形件的高度从第一层的3.4mm急剧下降,直到第8层后高度稳定在1.7mm。层间组织为细小的树枝晶和等轴晶;层间结合处组织最粗大,为柱状树枝晶;顶部组织最细小,由细小的树枝晶转变为等轴晶。成形件的力学性能各向同性,抗拉强度为295MPa,伸长率为36%。

关键词： 增材制造   激光间接电弧复合   熔滴靶向   定点定量熔化  

摘要： 对制造精度和效率相矛盾的原因进行了分析,为解决此矛盾,提出了一种新型的熔滴主动靶向的激光间接电弧复合增材制造技术.该技术利用交流双丝间接电弧能量熔化金属丝材实现高熔敷率,利用熔滴主动靶向激光,脉冲激光辅助定量的熔滴定点过渡到熔池保证成形精度.文中对固定质量的熔滴交替形成在固定位置进行了建模分析和初步试验研究,结果表明,通过控制送丝速度和电流频率,可实现双丝交替定点定量熔化,为熔滴主动靶向激光提供了先决条件.

关键词： 钛合金   力学性能   增材制造   元胞自动机   显微组织  

摘要： 钛及钛合金具有高强度、低密度、耐高温、耐腐蚀、无磁性和良好生物相容性等优点被广泛应用于各个领域，然而传统的钛及钛合金成型工艺需要真空熔炼、锻造及大量切削等后续处理，使得材料利用率降低，增加了生产成本，采用增材制造技术可以缩短工艺，提高钛合金材料的利用率，配以合金成分优化，可以提高钛合金的力学性能。基于此，本文研究了钛合金添加微量硼元素结合丝材电弧增材制造技术，并对钛合金丝材电弧增材制造过程中快速凝固组织的演变进行了模拟。首先，采用高真空非自耗熔炼及吸铸方法制备不同硼含量的Ti6A14V-xB（wt%，x为0，0.05，0.1，0.5）合金，研究了不同微量硼元素添加对Ti6A14V-xB的铸造显微组织及力学性能的影响；其次，采用Ti6A14V及Ti6A14V-0.05B丝材为原料，以电弧为热源，将钛合金丝材熔融并逐层堆积实现快速增材制造，研究了钛合金丝材电弧增材制造的凝固过程、组织形貌和力学性能等；最后，采用元胞自动机-有限元法对Ti6A14V及Ti6A14V-0.05B合金丝材电弧增材制造的快速凝固过程进行模拟计算，进一步探究了丝材电弧增材制造不同阶段的固-液转变、初始β晶形核及生长等机理。通过以上研究，得出以下结果：\n （1）微量B的添加影响了钛合金初始β晶生长，在固-液前沿富集B元素阻碍初始β-Ti长大，有效细化晶粒，当硼含量超过0.1wt%时，则有明显的TiB相析出。Ti6A14V-xB合金的抗拉强度极限随硼含量的增加单调上升，这是细晶强化和析出强化共同作用的结果；合金的塑性则是先升高后降低，Ti6A14V-0.05B的塑性提高了15%，而Ti6A14V-0.1B与Ti6A14V-0.5B的塑性则降低超过了40%，因为析出脆性的TiB相，形成脆性断裂敏感带。\n （2）在Ti6A14V丝材电弧增材制造过程中，由于电弧具有高的热量输入，使得每个堆积区-熔合区-堆积区得到了有效的冶金结合，没有明显的堆积分界面和钛马氏体存在，各区域的显微组织均为稳定的α+β片层组织以及接近的显微硬度值。与铸态Ti6A14V相比，电弧增材制造的钛合金不仅初始β晶粒细小，而且α+β片层间距也较小，其抗拉强度与延伸率相比铸态均有所提高，拉伸断口为细小韧窝状的韧性断裂。\n （3）在Ti6A14V-0.05B丝材电弧增材制造过程中，获得了更加细小晶粒的组织，同时有少量不规则针状TiB析出；相比较于铸态Ti6A14V-0.05B合金，晶粒尺寸有所减小并且更加趋于枝状晶形貌，其抗拉强度提高了6.2%，延伸率增加了28.7%。\n （4）在Ti6A14V丝材电弧增材制造的凝固组织演变模拟结果中发现，初始阶段β晶取向杂乱且晶粒尺寸细小；随着增材高度的增加，温度梯度变缓，平均固-液转变糊状区域宽度增加，初始β晶平均晶粒尺寸增加，晶体取向趋于热流传递方向（垂直于冷基板方向）；其模拟结果与实际增材制造的初始β晶组织形貌相一致；此外，Ti6A14V-0.05B合金的模拟结果表明，0.05wt%的硼含量添加提高了形核率与生长速率，从而使得初始β晶粒表现出更多的枝晶生长。

关键词： 2A12铝合金   脉冲电弧增材制造   热处理   搅拌摩擦焊   显微组织   力学性能  

摘要： 2A12铝合金以其优异的比强度和良好的加工性成为飞行器制造领域应用最广泛的金属材料之一。脉冲电弧增材制造技术有望实现2A12铝合金大型复杂结构件的快速成型。然而由于增材制造成型过程逐层熔覆累加的特点,决定了其成型需经历高温度梯度的热循环,在不均匀温度场的作用下,材料内部易产生有害残余应力且成型件组织多为非平衡态,并伴有晶粒粗大、成分偏析的现象。热处理可以有效地调整成分偏析和强度损失现象。因此,本文对电弧增材制造2A12铝合金试样的热处理工艺进行了分析和优化。同时,对增材制造过程中产生的气孔问题以及晶粒粗大问题,引入搅拌摩擦焊技术来辅助解决。因此本文对搅拌摩擦辅助电弧增材制造2A12铝合金试样的热处理工艺进行了分析和研究。主要研究结果如下:(1)分析了脉冲电弧增材制造2A12铝合金成型机理,并对组织及力学性能进行了分析。2A12铝合金沉积态顶层组织多为细小枝晶,中部焊道之间层内组织多为粗大胞状晶,底部组织多为柱状枝晶,生长方向垂直于基板;气孔沿着增材制造高度方向无明确分布规律;抗拉强度值为176MPa,屈服强度值为93 MPa,伸长率达到22.2%;(2)完成了脉冲电弧增材制造2A12铝合金试样的固溶时效热处理工艺参数优化正交试验,得出了各因素影响规律及合理热处理工艺。试验结果表明,固溶温度是对抗拉强度、屈服强度和伸长率的影响均最显著的工艺参数,时效温度次之;试验中,抗拉强度达到438 MPa,屈服强度达到322 MPa,伸长率达到25.3%;合理的优化热处理参数分别为固溶温度505℃、固溶时间60min、时效温度190℃、时效时间14h;(3)分析了搅拌摩擦辅助电弧增材制造的成型机理,并对其热处理工艺进行了拓展研究,优化了力学性能。试验结果表明,经搅拌摩擦处理,除热影响区外,接头部位母材粗大晶粒均细化,气孔得以部分消除;但由于工艺参数不合适产生孔洞缺陷贯穿整个焊道;经搅拌摩擦辅助处理后,强度小幅度提升同时塑性恶化十分严重;再进行已优化参数的热处理后,抗拉强度达到为321 MPa,屈服强度为218 MPa,伸长率为8.1%;与T6态热处理前后性能变化相比,优化热处理前后强度和塑性提升效果都更为显著,但与T6态锻件相比强度还有待提高,而塑性已达到锻件水平。

关键词： 铝合金   电弧增材制造   搅拌摩擦处理   外观形貌   组织结构   力学性能  

摘要： 高强铝合金具有低密度、高比强度、耐腐蚀等优点,在航空航天、车辆、武器装备等领域具有广泛的应用。但是,目前传统高强铝合金结构件加工制造方法(锻造等)存在生产周期长,材料利用率低等局限性极大提高了其应用成本。增材制造技术可以有望解决上述问题,因此具有广阔应用前景。然而,铝合金增材制造时面临着严重的形性控制难题,包括晶粒粗大和缺陷多等。为解决以上问题,本文根据电弧增材制造相关基础理论,设计工艺参数探究试验,研究了工艺参数对成形质量的影响,并对成形的特征和成形样件的性能进行了研究分析,有效的消除了缺陷。但同时发现,电弧增材制中存在的晶粒粗大问题无法有效解决,因此在本文中采用搅拌摩擦处理的方式对电弧增材制造样件进行后处理,以细化晶粒来提高性能。最终,获得了晶粒细小且高致密度的铝合金电弧增材制造样件。主要研究结果如下:(1)脉冲频率增大,样件表面更加光滑,而交流电电流对表面影响较小。同时,交流电电流及脉冲频率增大,样件的熔道宽度增大但层厚降低。同时,脉冲频率和交流电电流能明显的影响样件的微观组织。随着脉冲频率及交流电电流的增大,晶粒形状逐渐由等轴晶转变为柱状晶,而晶粒尺寸逐渐变大。(2)随着脉冲频率的增大,样件致密度呈一个先上升后下降的趋势,并在脉冲频率为50Hz时获得高致密度的样件。低脉冲频率样件中小尺寸气孔居多,而高脉冲频率样件中大尺寸气孔较多。(3)脉冲频率及交流电电流都会对铝合金电弧增材制造样件力学性能产生明显的影响。随着脉冲频率及交流电电流的增大,样件的力学性能降低,同时,铝合金电弧增材制造样件断裂形式为塑性断裂。(4)样件经搅拌摩擦过后的晶粒得到明显细化,并且在不同搅拌区域细化程度不同。其中,搅拌摩擦核心区及轴肩区细化效果比热影响区更加明显。行进速度及转速增大,都会使搅拌摩擦处理后的样件力学性能下降。在工艺参数为行进速度100mm/min,转速1000r/min时,力学性能达到最优。其中,抗拉强度达到475MPa,伸长率达到13.5%,超过了标准件力学性能。

关键词： 电弧增材制造   成型路径   温度场及应力场   数学模型   组织及力学性能  

摘要： 电弧增材制造是以电弧为热源,均匀送入的焊丝为熔覆材料,直接快速成型致密度高、力学性能优良的金属复杂结构件,可极大提高材料的利用率、生产效率和制造技术的核心竞争力。课题基于CMT的不锈钢增材制造技术,以成型直壁件为研究对象,对增材制造过程中的温度场、应力场、增材制造工艺及成型件组织性能开展了研究。首先对不锈钢CMT增材制造过程中的温度场及应力场进行了研究。建立了基于SYSWELD的增材制造有限元模型,对比了同向连续增材制造、S形连续增材制造及S形间隔时间增材制造三种常用的电弧增材制造路径下温度场及应力场,其结果表明,基板对前四层熔覆层的冷却速率影响较大,且基板能够影响的层数与增材制造方式无关;熔覆层的温度在其上熔覆一定层数后趋于稳定,稳定后的温度在奥氏体不锈钢敏感化温度区间以下,且控制层间温度可以获得较小的稳定温度值;CMT在连续熔覆时热累积作用不明显。奥氏体不锈钢增材制造后残余应力大于屈服强度;同向增材制造时出现较大的残余应力及变形;S形连续增材制造时残余应力分布特点为较大的应力分布在较小的区域,而控制层间温度时表现为较小的应力分布在较大的区域,且都呈现对称分布;增材制造过程中的重热作用相当于进行回火热处理,减小了熔覆层中的残余应力。其次利用MATLAB软件建立了增材制造过程中保护气流量、送丝速度及熔覆速度与成型壁厚的数学模型。该模型表明,送丝速度越大,成型壁厚越大,且当送丝速度超过4.0m/min时,壁厚增加速度明显变慢;保护气流量当与送丝速度交互作用时对成型壁厚影响较为明显;三个因素对成型壁厚影响顺序大致如下:送丝速度=熔覆速度>保护气流量。最后对比了S形连续增材制造及S形间隔时间增材制造成型直壁件显微组织和力学性能。成型直壁件中组织按照经历的热循环过程的不同主要分为六个区域,其中Ⅰ区与Ⅱ区为底部及底部过渡区域,含有较多枝晶状的残余铁素体,Ⅲ区为熔覆层之间熔合形成的含有少量奥氏体柱状晶区域,Ⅳ区为中部稳定成型区域,铁素体较少,呈现较小树枝晶,Ⅴ区及Ⅵ六为顶部过渡区域及顶部区域,铁素体含量较多。控制层间温度时增加了相应区域的残余铁素体含量。成型直壁件抗拉强度达到了 304冷轧后退火不锈钢基板的70%,且均高于铸造态及热轧状态,抗冲击性能达到基板的65%,硬度与基板相当;横向与纵向的拉伸强度、抗冲击性能及塑性表现为不明显的差异性;控制层间温度对不锈钢成型直壁件力学性能影响较小。

关键词： 电弧增材制造   模具修复   成形系统   成形规律  

摘要： 电弧增材制造技术的出现和发展为模具修复及再制造提供了新思路,采用该技术修复及再制造模具能够实现修复过程自动化,提高生产效率,同时节约大量焊材。但目前该技术仍停留在基础理论研究和初步实验探索阶段,尚无法真正运用于生产实践。为实现该技术的成功运用,本文针对电弧增材制造成形系统设计及成形规律等方面进行了研究。首先基于冷金属过渡技术,设计搭建了电弧增材制造成形系统。系统以KUKA机器人及Fronius数字化焊机为主要硬件设备,实现焊接成形过程稳定、高效、柔性的总体要求;以Mastercam及3D Automate集成软件系统,采用“反铣削法”实现了电弧增材制造成形路径的快速生成。同时开发相应的机器人程序转换模块,通过离线编程的方式控制机器人的运动。进一步基于Mastercam进行多层单道、单层多道及多层多道焊缝堆积路径规划研究,得到其各自的路径生成方式及相关成形策略。对于多层单道非封闭路径和封闭路径,分别采用两侧抬升和倾斜抬升的方式来提高成形零件在抬升处的平整度;对于单层多道焊缝,采用单向切削和双向切削生成的路径所成形的焊缝平面较为平整。采用不同材料对不同结构的金属零件进行电弧增材制造成形实验,验证了路径生成方式的有效性及路径规划结果的可行性。通过分析不同工艺条件下的焊缝成形形貌,得到了热作模具钢单道焊缝合理工艺参数区间。进而研究焊接工艺参数对焊缝尺寸的影响,结果表明:在其他条件一定的情况下,随着焊接电流的增加,成形宽度显著增加,成形高度略微增加;随着焊接速度的增加,熔宽和成形高度均减小。此外,通过二次通用旋转组合设计方法建立了焊接工艺参数和焊缝成形尺寸之间的二次回归方程,为电弧增材制造过程中零件造型分层切片及路径生成提供依据。最后,采用模具修复专用药芯焊丝分别对长方体零件、梯形体零件及曲轴模拟件进行电弧增材制造实验,零件整体成形与设计预期基本相符,但表面精度总体较低。成形件在拉伸强度、冲击韧性、硬度等方面均不低于手工堆焊成形件的90%,基本满足使用要求,验证了采用电弧增材制造修复及再制造失效模具的可行性。