关键词： 电弧增材制造   CMT   TC4钛合金   叠层组织  

摘要： 钛合金由于其较高的比强度、优良的耐蚀性以及优异的高温性能等优点,被广泛的运用于航空、航天等领域。但是,由于钛合金具有较低的导热系数、较高的化学活性使得其在传统工艺制作过程中成本较高且效率较低。而电弧增材制造技术是一种经由逐层沉积来取得近净成形零件的一种方法,效率高、成本低。冷金属过渡技术则是一种新型的通过数值化控制送丝系统的熔化极气体保护焊,具有热输入低,无飞溅,焊接质量好等优点。因此,本文采用CMT冷电弧过渡技术对TC4钛合金电弧增材制造过程进行了研究。本文采用响应面分析法建立了送丝速度WFS和焊接速度TS与层高H、层宽D、HAZ深度h和HAZ宽度d之间的数学模型。经过方差分析和模型验证,证明了所建立的数学模型可用于单道单层增材制造成形尺寸预测及工艺参数的优化。试验发现焊接速度对层高H、层宽D、HAZ深度h和HAZ宽度d的影响最为显著为负相关,其次是送丝速度为正相关。以较低的层高,较宽的层宽、较浅的HAZ深度和较低的消耗为准则对工艺参数进行优化。优化结果显示,在送丝速度为6.4m/min、焊接速度为0.25m/min时,可以在最优成形、最优效率、最少成本之间取得最优的平衡结果。对不同工艺参数下获得的电弧增材制造构件进行研究,并对其宏观和叠层组织特征进行了研究。研究发现TC4钛合金单道多层电弧增材制造薄壁墙构件中,主要产生两种条纹,一种是贯穿数个堆积层的明、暗柱状条纹;另一种则是层与层之间出现的层带条纹。其叠层组织主要由针状α、残余β相、马氏体α′组织、原始β晶界、网篮组织、魏氏组织、块状α相等组成。研究还发现TC4钛合金单道多层电弧增材制造薄壁墙构件叠层组织,主要受焊接速度、送丝速度、层间间隔温度的影响。其中,焊接速度对钛合金增材制造构件叠层组织演变过程的影响最为突出,其次为层间间隔温度,最后是送丝速度。测试研究了不同工艺参数下获得的电弧增材制造构件的力学性能。测试结果显示,所有构件的力学性能均达到母材的80%以上,其中,当焊接速度为0.25m/min,送丝速度为6.4m/min,层间间隔温度为70

关键词： 电弧增材制造   微渣气保护药芯焊丝   焊接工艺性能   夹杂物   冲击韧性  

摘要： 随着焊接自动化、机械化水平的提高，基于堆焊技术发展起来的电弧增材制造技术在模具修复领域具有广阔的发展前景。传统的手工堆焊用药芯焊丝产生的焊接熔渣较多，影响机器人焊接过程的连续性，甚至破坏焊接成形，本文通过调整药芯中渣系与脱氧剂配方，对药芯焊丝工艺性能、熔敷金属组织及力学性能进行了研究与分析，研制出一种适用于电弧增材制造的微渣气保护药芯焊丝。　　通过焊接飞溅、溶渣覆盖与脱渣、焊缝成形等试验，对药芯焊丝工艺性能进行了研究，当渣系含量为8%，MgO添加量为2%时，焊接飞溅率低，熔渣较薄并且覆盖均匀，脱渣率达90%以上，熔渣冷却后自动翘起，连续焊接过程中易被吹落，基本可以实现连续的焊接过程，并且堆焊成型表层质量与整体成型质量良好。　　通过化学成分分析、显微组织观察、夹杂物分析、扫描电镜能谱分析等方法，研究了药芯中铝镁合金对熔敷金属的保护机制。结果表明，铝镁合金发生先期脱氧对C、Si、Mn具有一定的保护作用。随着铝镁合金含量的增加，熔敷金属中C、Si、Mn含量略有上升，O含量显著降低;夹杂物尺寸逐渐减小，促进针状铁素体形核的夹杂物数量逐渐增多;当铝镁合金含量小于1.5%时，组织中针状铁素体数量随着铝镁合金含量增加而增加，冲击韧性明显提高，当药芯中铝镁合金含量大于1.5%时，固溶于熔敷金属中Al含量逐渐增多，造成在晶界附近形成较多的先共析铁素体，熔敷金属的韧性显著降低。　　通过调整药芯中金属锰含量，研究其对熔敷金属的保护效果。结果表明，随着药芯焊丝中金属锰含量的增加，熔敷金属中的Mn含量也逐渐上升，起到细晶强化和固溶强化的作用，组织中先共析铁素体数量降低，针状铁素体增加。当金属锰含量为6%时，脱氧效果最佳，获得的MnO·SiO2复合脱氧产物熔点低、密度小，易于排出，熔敷夹杂物数量降低。当添加的金属锰含量超过6%时，熔敷金属中大于2μm夹杂物数量升高，易产生裂纹源，熔敷金属韧性降低。　　本文研制的微渣气保护药芯焊丝与国产传统堆焊焊丝RMD126性能相比，焊接熔渣减少约50%，硬度基本相同，常温冲击韧性略有提高，工艺性能能够满足连续堆焊成型要求。

关键词： 电弧熔丝增材制造   高强钢   成形质量   组织特征   力学性能   热处理  

摘要： 电弧熔丝增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)是金属零部件快速成形技术的一种,具有成形效率高、材料利用率高、设备成本较低、没有成形腔的限制等特点,特别适合制造大型金属零件。当前该技术研究的材料主要为钛合金和铝合金,而对高强钢的工艺性、组织和性能研究较少。为此,本文采用冷金属过渡技术,以大西洋CHW-95C低合金高强钢焊丝为材料,深入研究了不同工艺参数下WAAM高强钢零件的成形、组织、性能的变化规律,以及后续热数理工艺对成形构件组织和性能的影响。针对WAAM成形技术的特点,还研究成形路径对零件成形质量的影响。主要结论如下:首先研究了成形工艺参数对单层单道和多层单道沉积层形貌和尺寸的影响规律。结果表明,单层单道时,当行走速度超过0.54 m/min时,电弧变得不稳定,沉积层的成形质量降低。通过分析其有效面积比,得出多层单道焊的最优工艺参数为送丝速4.5 m/min,行走速度0.36 m/min,并在此基础上建立了成形尺寸与行走速度、送丝速度的回归模型。其次,系统研究了热输入对WAAM高强钢的组织和力学性能的影响规律。沉积层组织由粒状贝氏体、针状铁素体、无碳化物贝氏体和M-A组元组成。随着热输入的增加,粒状贝氏体的含量增加,而针状铁素体和无碳化物贝氏体的含量逐渐减少,零件的抗拉强度呈增大趋势,屈服强度先增大后减小,而延伸率逐渐减小。在不同热输入下,横向和纵向的抗拉强度和屈服强度相差最大仅为5.99%,但是沉积态下零件和同级别的锻件相比屈服强度较低。第三,针对成形构件屈服强度偏低的问题,对WAAM高强钢零件进行正火+淬火+高温回火热处理。研究发现,随着回火温度的升高,零件的抗拉强度和屈服强度逐渐降低,而延伸率逐渐升高;同时,由于沉积层内合金元素的偏析引起各部分回火程度不一致,导致横向和纵向拉伸性能之差增大。此外,在回火温度低于565℃时,横向和纵向的抗拉强度和屈服强度与未热处理零件相比均得到显著提高,其中屈服强度最大可提高199.6 MPa。第四,研究了WAAM成行路径对高强钢构件成形质量的影响规律。通过对十字接头和实心圆柱零件成形的研究发现:进行路径规划时,减少零件内部的起弧点和熄弧点是减少零件内部夹杂的关键。

关键词： 交织结构   沉积单道   微观组织   力学性能  

摘要： 电弧增材制造以电弧为热源,焊丝为增添材料,快速直接成形致密度高、力学性能好的复杂结构件,具有生产周期短、高利用率、高效率等特点。本课题基于双丝PMIG焊接机器人,以高氮钢与316L不锈钢为研究对象,对增材工艺成形特性及宏观几何尺寸的控制进行分析,开展多道重叠堆积试验和增材工艺参数筛选,进行电弧增材成形异材交织结构的工艺研究。首先针对两种材料分别开展沉积单道成形特性工艺研究,确定了两种材料的增材工艺参数窗口,并探索了增材工艺参数对沉积单道宏观几何尺寸的影响规律。对于高氮钢沉积单道的几何尺寸,沉积速度对于宽度的影响大于送丝速度;沉积速度对于高度的影响略大于送丝速度。对于316L不锈钢沉积单道的几何尺寸,送丝速度对于宽度的影响远远大于沉积速度;沉积速度对于高度的影响大于送丝速度。接着进行了多道重叠堆积试验以及增材工艺参数筛选。分析高氮钢多道重叠堆积出现的缺陷,进一步缩小高氮钢增材工艺参数范围,随后对异材沉积单道几何尺寸、截面面积匹配总误差值进行分析,从而得到最适合用于增材成形异材交织结构的工艺参数,异材重叠堆积最佳道间距d1*=4.3mm,同材重叠堆积最佳道间距分别为d2*=4.2mm,d3*=4.4mm。然后对四种增材成形结构进行微观组织和力学性能分析。异材界面中高氮钢以柱状晶形态沿热流方向生长,316L不锈钢以树枝晶生长;重熔区的组织两次受热作用,两次改变生长方向。交织结构异材界面处,316L不锈钢硬度值变大,高氮钢硬度值变小。交织结构保持较高抗拉强度,延伸率大幅增长,塑性变形能力提高。对于交织结构,冲击两种材料的先后顺序造成吸收冲击功的能力不一样;交织结构内部材料分布不同、成分比例相同,侧面吸收冲击功的能力相近;软硬交织复杂部位正面、侧面冲击功相近,抗冲击能力最强。最后建立典型交织结构三维模型,设计分割层的材料成分比例,提出封闭行走路径减少起弧熄弧次数,提高交织结构局部和整体的成形精度,减少需要后处理加工浪费的材料,增材成形典型交织结构件达到具体几何尺寸要求。

关键词： 电弧增材制造   结构光扫描   圆形标定点   正交Procrustes求解   Delaunay三角化算法  

摘要： 增材制造技术是一种通过逐层累加来实现成形的制造技术。由于每次堆敷都存在很多不可控的变量,如散热条件、热积累等因素,导致堆敷尺寸容易出现偏差。所以,如何提高增材制造产品精度是当前增材制造面临的主要研究问题之一。本文开发了一套具有手持式、自定位特点的三维形貌扫描系统,并建立了闭环的增材制造系统,提高了增材制造产品的成形精度。首先,本文建立了手持式自定位的三维扫描实验系统,使用张正友标定法标定了相机的内外参数,并提出了一种自动高效标定结构光平面方程的方法。利用双目视觉原理计算标定点的三维坐标,精度达到了0.2mm,根据结构光三角法恢复了单帧扫描图像,得到了单帧图像被扫描物体结构光上点的三维信息,精度达到了0.1mm。优化了圆形标定点中心坐标提取的算法,实现了相同帧左右目相机图像坐标系下标定点的匹配,及相邻帧图像相机坐标系下标定点的立体匹配,使用标定点信息将不同帧图像的数据拼接起来,完成数据拼接,获取整体点云。根据上述原理,使用C++语言实现了具有在线采集处理图像,显示获取三维点云功能的软件。扫描精度在0.5mm以下,在保证点云之间最大间距为0.5mm的情况下,扫描速度可以达到15cm/min。针对电弧增材制造一般都是在平板上进行的现象,提出了一种投影到平板上均匀化点云的算法,有效的剔除了重复信息,在保证有效信息不丢失的情况下,大幅度减少了点云的数量,提高了点云处理的效率。结合点云统计滤波,高斯滤波和基于Delaunay三角形的贪婪投影三角化算法,对点云进行后处理并利用点云重建成曲面。使用C++语言实现了上述功能,利用OpenGL三维显示技术,在MFC环境下实现了模型的动态三维显示。将三维模型保存成STL格式,为其他三维模型处理软件如CAD、SolidWorks等留出了接口。最后,分别对电弧增材制造过程中单层多道及多层多道堆敷情况,提出了堆敷道特征信息提取算法。对每层堆敷形貌都进行了三维形貌恢复,特征信息提取并根据检测到的尺寸信息,改进了下一层堆敷参数和路径,建立了闭环增材制造系统,提高了增材制造产品的成形质量。

关键词： 电弧增材制造   交流冷金属过渡焊(Advanced CMT)   凝固   原位检测表征   热源模拟  

摘要： 电弧增材制造技术是低成本金属零件快速成形的重要方法之一,零件的成形精度目前因电弧热输入量过高而无法精确控制,国内外使用冷金属过渡技术进行增材制造成为热点。交流冷金属过渡技术(Advanced CMT)既秉承了原冷金属过渡技术(CMT)无飞溅、焊速快、热输入量低的特点,又引入变极性的交流电模式,使焊接过程中的热量分布更合理,基材收到的热输入量进一步降低。通过对CMT技术和交流CMT技术的研究现状进行比较和分析,认为交流CMT技术以其更低的热输入量,更高的熔敷效率和焊接稳定性等优势而更适合应用于增材制造领域,并且下一步应该侧重于解决交流CMT技术下的凝固过程原位检测表征,以及热源模拟的进一步修正,为复杂件的精确成形奠定基础。

关键词： 电弧增材制造   成形控制   SolidWorks二次开发   轨迹规划   焊枪倾斜  

摘要： 电弧增材制造(Additive manufacturing)技术,通过电弧熔化金属焊丝,并根据事先或者在线生成的轨迹与焊枪姿态完成金属零件的成形工作。目前电弧增材制造的各种文献与相关报道大多针对工艺参数,以及力学性能与组织分析进行研究,对于如何使用合适的轨迹成形特定的工件同时保证工件倾斜时熔池不下塌、保证尺寸精度等方面研究较少。本文以保证成形精度为目的,研究了不同焊接速度、焊接电流下的焊缝尺寸特征,研究了大倾斜角度墙体的轨迹规划问题,同时设计了基于SolidWorks二次开发的轨迹规划算法与基于MATLAB的后处理程序,并以此为软件系统搭建了CMT电弧增材制造系统。使用离线控制,对水轮机模型叶片进行了成形作业,对系统的稳定性、轨迹规划的正确性进行了验证。研究了有、无预热下,焊接电流、焊接速度与余高熔宽的匹配关系,为后续实验提供数据支持。对比已有轨迹规划引擎,找到适合金属增材制造的三轴轨迹规划方法,并结合该方法对扭转墙体、倾斜柱体进行了成形。结果发现三轴轨迹不能满足以上模型的精度要求,通过进一步实验确定平行面切片、平行线扫描与五轴轨迹规划能够满足倾斜工件的精度要求。系统地对使用SolidWorks二次开发的轨迹规划进行了研究,设计了针对电弧尺寸量级的五轴轨迹规划程序,深入研究了复杂形状的平行扫描算法以保证最少的起弧熄弧数,研究了焊枪倾斜算法,以重点解决倾斜工件的下塌问题。使用MATLAB开发了后处理程序,以驱动YASKAWA机器人、调节焊接参数与机器人姿态。搭建了CMT增材制造系统,将其用在实际的水轮机模型叶片成形作业中。针对具体工程问题进行了相关准备工作,使用本文叙述的轨迹规划方法进行成形,根据已焊焊缝高度,以不同焊接电流与焊接速度下熔宽余高为数据支撑,反馈调节下一层焊接速度与焊接电流,以保证成形精度。成形过程稳定,成形结果留有加工余量,尺寸精度高。

关键词： 冷金属过渡   焊缝成形尺寸   正交试验   多元线性回归  

摘要： 目的研究焊接参数对焊缝成形尺寸的影响规律。方法基于冷金属过渡技术,采用正交试验方法得到在不同参数组合下焊缝熔宽、余高和第2层增高,通过多元线性回归拟合,建立了焊缝熔宽、余高和第2层增高与焊接参数之间的回归模型。结果影响焊缝熔宽和余高的主要焊接参数是焊接速度,影响焊缝第2层增高的主要焊接参数是送丝速度,而层间温度的变化对熔宽会有显著影响,但是对余高和第2层增高的影响不大,而且焊缝第2层的增高与余高在数值上存在较大的差异,对比预测值和试验值验证了回归模型的准确性。结论通过改变焊接速度可以引起熔宽和余高的显著变化,层间温度对余高和第2层增高不会造成很大影响。

关键词： 超声冲击   电弧增材制造   钛合金   各向异性  

摘要： 电弧增材制造钛合金构件中容易形成粗大柱状晶,导致组织和力学性能的各向异性,为了解决这一问题,拟采用超声冲击与电弧增材制造相结合来改变内部组织以实现性能的优化。研究发现,超声冲击能够使钛合金沉积层内部的粗大柱状晶转变为细小等轴晶。同时,其抗拉强度各向异性百分比由12.5%缩减为1.5%。超声冲击促进了沉积层的位错增殖及迁移,造成晶粒破碎的同时增多了形核质点。这些新增质点改变了形核环境,提高了变形储能,在后续沉积层热作用下通过回复再结晶和相变形成细小的等轴晶。

关键词： 增材制造   激光-MIG复合热源   层间停留时间   铝合金   工艺  

摘要： 复合热源能够发挥两者各自的优势,同时弥补两者各自的不足。采用基于弧焊的金属材料增材制造技术进行墙体堆积过程中,层间停留时间成为影响焊接性能的一个重要焊接参数。使用熔化极气体保护焊(MIG焊),通过改变不同的层间停留时间,对5356铝合金增材制造过程进行研究。研究表明,采用常规熔化极气体保护焊进行多层单道堆积墙体时,对不同层间停留时间进行控制,墙体可以获得较好的力学性能。在最佳的层间停留时间下,采用低功率激光电弧复合热源,通过适当的激光电弧能量匹配,可以进一步提高墙体的力学性能和墙体组织的均匀性。