关键词： 电弧增材制造   复合铣削加工   路径规划   焊接参数  

摘要： 针对目前电弧增材制造过程中存在的设备成本高和零件成形效果较差等问题,设计出一种电弧增材制造与铣削的复合加工系统与工艺。该工艺结合了电弧增材制造和铣削加工的特点,通过对成形工艺和机械运动的研究,有效地避免了干涉问题。同时,采用自主开发的专用软件对路径规划和焊接参数进行控制,简化了机械运动的控制方法。实例分析表明,该系统能够很好地实现复合铣削的电弧增材制造,为提高零件增材制造效率和成形质量提供了一种新的有效途径,验证了该项工艺技术的可行性和有效性。

关键词： 钛合金   电弧增材制造   显微组织  

摘要： 电弧增材制造技术作为增材制造的一个重要分支,在最近几年取得了显著的进展。文中简要介绍了增材制造技术的分类及各自特点,综述了钛合金电弧增材制造技术的研究现状,重点从钛合金成形零件的宏观和微观组织结构、制件显微组织控制方法两方面分析研究新进展,探讨了钛合金电弧增材制造技术发展所面临的技术问题以及需要重点考虑的发展方向。

关键词： 铝合金   电弧填丝增材制造   气孔   性能  

摘要： 如何实现对铝合金电弧填丝增材构件内部气孔缺陷、外部成形及构件力学性能的有效控制是铝合金电弧填丝增材制造技术研究的重点和难点。介绍了研究团队在铝合金电弧增材制造气孔缺陷控制、成形及组织力学性能等方面的研究结果,研究表明:合理控制过程特征参数(电弧热输入、送丝速度、运动速度、保护气体流量等)可实现对铝合金内部气孔及成形尺寸的有效控制,为深入开展大尺寸铝合金构件电弧填丝增材制造的研究奠定了基础。

关键词： 离线编程   二次通用旋转组合   冷金属过渡   增材制造  

摘要： 基于KUKA机器人搭建铝合金CMT增材制造系统,在Robotmaster离线编程软件中建立虚拟机器人工作场景,对成形零件进行分层、轨迹规划、模拟仿真及程序生成,使用CMT冷金属过渡焊接工艺进行铝合金零件增材制造试验,利用二次回归通用旋转组合方法设计试验,对熔敷工艺参数(送丝速度、喷嘴高度、焊接速度)与熔敷层宽度、高度的成形规律进行研究,建立熔敷层尺寸的预测模型。通过铝合金零件成形试验对模型精度进行验证,发现该模型预测效果好,成形铝合金零件精度高。

关键词： 增材制造   热处理   研究现状   发展趋势  

摘要： 热处理对调整增材制造金属的组织与力学性能具有重要意义。随着增材制造技术的发展,后续热处理工艺的研究已经逐渐为各国研究者所关注,并成为了增材制造领域一个重要的研究方向。结合典型增材制造金属材料的组织特征说明了研究热处理工艺的意义所在,综述了近年来增材制造金属热处理工艺的研究现状,涉及的材料包括钛合金、镍基合金、钢等,重点阐述了热处理前后材料组织与力学性能的变化,并分析了未来这一技术潜在的发展方向。

关键词： 电弧增材成形   熔积层形貌   电弧   数值模拟  

摘要： 电弧增材成形常采用单道多层或多道搭接的熔积方式,不同的熔积方式下对应的熔积层表面形貌不同,从而影响电弧的形态及其传热传质过程.本文建立了纯氩保护电弧增材成形的电弧磁流体动力学三维数值模型,以及不同表面形貌的熔积层模型,并在保持阳极与阴极之间距离和熔积电流不变的条件下,通过模拟计算获得增材成形特有的单道和多道搭接熔积条件下的不同表面形貌对应的电弧形态以及相应的温度场、流场、电流密度、电磁力、电弧压力分布.数值模拟结果表明:平面基板上起弧情况下电弧中心具有较高的温度、速度、电流密度以及压强;单道多层熔积情况下熔积层数对电弧的各个参量影响较小;多道搭接熔积情况下电弧呈非对称分布,电弧中心温度较前两者低,电流密度、电磁力和电弧压强的分布偏向熔积层一侧.

关键词： 电弧增材成形   数值模拟   多场复合   微观组织   磁流体动力学  

摘要： 电弧增材成形是采用电弧作为成形热源的一种金属增材制造技术，具有熔积效率和能量利用率高，设备成本低等优点，因此在航空航天、国防军工、轨道交通等领域高强度、大中型金属零件低成本、高效快速制造方面具有独特的优势，是最可望实现与激光、电子束增材制造方法优势互补的金属增材制造技术。相比传统的电弧熔积连接工艺，电弧增材成形过程具有更加复杂的堆叠熔积和搭接熔积方式以及微观组织演变过程，但目前关于电弧增材成形不同熔积方式和磁场辅助熔积过程中复杂的传热传质现象，以及熔积过程中微观组织演变过程的数值模拟和实验研究基本处于空白或者不完善状态。\n 本文建立了基于GMAW的多场复合的电弧增材成形过程中宏微观数值仿真模型，主要包括电弧增材成形过程中电弧和金属输运的电磁、热、流体流动耦合分析的三维数值模型，提出了电弧和金属熔池之间的弱耦合建模方法，同时还建立了电弧熔积-微轧制复合增材成形过程中微观组织演变的数值模型，力图揭示电弧增材成形过程中的多物理场耦合作用下的复杂传热传质现象以及微观组织演变机理，为电弧增材制造提供理论指导。\n 首先，基于磁流体动力学的基本理论，建立了电弧增材成形过程中纯氩保护气电弧的三维数值模型，研究了电弧增材成形过程中不同的熔积方式下不同的熔积层形貌对电弧形态以及相应的温度场、流场、电流密度、电磁力、电弧压力分布规律的影响。针对搭接情况下电弧速度与压力不对称造成保护气体对熔积区域出现保护不完备的现象，提出了采用偏转焊枪或者施加随焊方向的横向稳态磁场的方法调控电弧形态以平衡电弧两侧电弧压力和气流，模拟和实验结果表明适当的焊枪偏转角度或一定强度及方向的横向稳态磁场能够有效平衡电弧压力，获得理想的保护气流分布。\n 其次，率先提出了一种电弧熔积成形的电弧和金属弱耦合建模方法，即基于实验观测结果发现熔积过程中熔池形貌和尺寸保持稳定，首先根据熔池和焊道的实际形貌将熔池简化为固态，建立电弧仿真模型并对熔积过程中电弧进行仿真，并提取熔池电磁力数据以及熔池表面热流、等离子剪切力、电弧压力数据导入所建立的金属输运模型进行金属过渡和熔池动态仿真。借助上述弱耦合建模方法建立电弧增材成形过程中单道和搭接熔积的电弧和熔池金属输运模型，其熔池和焊道的初始形貌采用电弧模型相同的方法进行初始化，模拟结果揭示了单道和搭接熔积过程中复杂的传热传质现象。模拟结果与实验结果很好的吻合，证明本文所提出的弱耦合建模方法的有效性。\n 再次，基于上述弱耦合建模方法，建立了外加纵向和横向稳态磁场辅助的电弧增材成形单道熔积电弧和熔池输运数值模型。与普通熔积相比，外加纵向稳态磁场能扩张电弧以及在熔池中形成周向的电磁搅拌，推动了熔融金属向熔池边界运动，最终形成宽高比大的熔积层形貌。横向磁场使熔池中产生沿头部至尾部的强制对流，熔池中熔融金属被更多被输运至熔池后方，从而利于直接冲刷熔池的固液结晶面。普通熔积和外加纵向稳态磁场辅助的熔积的对比实验不仅验证了纵向磁场能够改善搭接，提高熔积层表面精度，还发现纵向稳态磁场能够细化晶粒，提高铁素体占比，抑制冶金缺陷，以及提高成形样件力学性能、减小各向异性。此外，还采用实验方法对比研究了频率随层变化的纵向和横向交变磁场对单道多层熔积各层微观组织的影响，并提出了一种磁控梯度晶粒材料的电弧增材成形方法并进行了实验验证。\n 最后，基于元胞自动机和有限体积耦合的方法建立了电弧熔积-微轧制复合增材成形过程中微观组织演变的数值模型，模拟了单道两层熔积过程中第一层熔池和第二层熔池凝固结晶过程，并对单道的轧制过程中的动态再结晶的形核和晶粒长大过程进行了模拟，模拟结果揭示了电弧熔积-微轧制复合增材成形过程中微观组织动态演变的过程。相同工艺参数的实验结果表明模拟结果和实验结果在晶粒形貌和尺度上都很好的吻合。\n 总之，本文对电弧增材成形过程的电弧和金属输运、外加磁场对电弧和金属输运及成形过程的影响，以及熔积-微轧制复合增材成形微观组织演变过程进行了数值模拟和实验研究，揭示了多场复合电弧增材成形过程中电弧熔积的复杂的传热、传质、微观组织转变现象，以及熔积-微轧制复合增材成形过程中微观组织的动态演变过程。研究结论可为“形”和“性”并行控制的电弧增材制造技术提供了理论基础及工艺决策、优化指导。

关键词： 电弧增材   焊缝成形   电弧形态   熔滴过渡   退火热处理  

摘要： 电弧增材成形技术是以电弧作为热源，以二维模型焊缝的叠加最终成形三维构件的先进制造技术，而以丝极材料作为电极的熔化极弧焊由于其效率高、成本低的优势，近来成为研究热点。本课题以熔化极氩弧焊、脉冲熔化极氩弧焊、脉冲旁路耦合电弧MIG焊这三种方法研究多层单道成形过程中电弧形态、熔滴过渡及对焊缝成形的影响。\n 首先，对三种焊接方法不同的熔滴过渡方式对单层及多层焊缝的成形过程的影响做了分析，恒压源熔化极氩弧焊自由过渡多层焊缝成形最好，但由于热积累效应严重，在多层焊接中焊缝中间向下塌陷，使电弧长度变长，在弧长自调节作用下，焊接电流变小，熔滴过渡频率下降、熔滴尺寸增大。恒流源脉冲熔化极氩弧焊多层焊接时一脉一滴的熔滴过渡形式为最优选择，但热积累效应使焊接电压不断增大，造成熔宽在同一层和层与层间都发生变化。脉冲旁路耦合电弧 MIG焊由于其母材热输入很低，热积累效应不明显，多层焊接时熔滴过渡形式不会发生变化。因此热输入的控制是多层成形的关键。\n 其次，为改善多层焊缝的成形，使用了金属芯焊丝，对比了该焊丝与普通碳钢焊丝的射滴过渡临界电流、熔滴过渡、焊缝成形等方面，结果发现金属芯焊丝射滴过渡临界电流比碳钢焊丝低30A，熔滴过渡频率降低，熔滴尺寸增大，电弧底部笼罩面积变小，热输入低，这些特点都使金属芯焊丝更适用于电弧增材成形。在改善起弧端成形特征方面，减小起弧送丝速度并增大起弧电流。由于三种焊接方法的母材热输入不同，因此需要选择宽高比为3或者4的焊缝焊接参数。为保证稳定的材料填充速度，需要保证稳定的熔滴过渡行为。对不同层间冷却时间对焊缝成形的影响做了分析，结果表示冷却时间越长，对前层焊缝的影响越小，但会严重影响生产效率。\n 最后对不同层间冷却时间的单道10层构件的组织金相和硬度做了分析，冷却时间短则循环热输入大，晶粒相对较大，顶层焊缝由于晶粒的循环热次数少，多为针状马氏体组织。多次循环热对下部焊缝进行了类似退火的热处理，使下层焊缝硬度低，而顶部马氏体硬度为250HV左右。

关键词： 电弧增材制造   三维测量   熔积层形貌   线结构光   图像处理  

摘要： 在增材制造技术中,电弧增材制造技术由于其生产效率高、成本低、成形金属零部件力学性能优良的特点,越来越受到许多学者的重视。但是,电弧增材制造过程复杂,高温液态金属堆积所得的焊道形貌难以预测,如若不能实时地得到熔积层形貌的信息,以合理地调整堆积成形的路径、电压、电流以及焊接速度等参数,熔积层的单道堆积、多道搭接乃至多层堆积的质量会变得难以控制,最终影响到成形金属零部件的堆积尺寸精度和冶金结合强度。本文针对课题组在电弧增材制造过程中的熔积层形貌实时检测的需求,开发了基于线结构光的熔积层形貌三维测量系统。首先,设计一套固件装夹装置,该装置一方面可固定线激光与工业相机的相对位置;另一方面因熔积过程环境恶劣,其壳状的装夹装置可对激光与工业相机起保护作用。接下来,利用Matlab自带的工具箱对工业相机进行标定,得到摄像机的焦距、主相点、畸变系数等内参数;采用锯齿靶标法,标定摄像机坐标系与线激光平面所在世界坐标系的相对位置关系,得到测量系统的外参数,即旋转矩阵与平移矩阵。然后,将自适应阈值法与灰度重心法相结合,优化现有的激光线条纹中心提取算法,以提取高精度的条纹中心像素位置,并结合标定所得摄像机内参数与系统外参数,得到当前线激光测量截面的熔积层形貌数据。最终,随着数控机床或焊接机器人的运动,实现对熔积层形貌的三维测量。本文开发的熔积层形貌三维测量系统,其高度方向测量误差小于量程的千分之四,能较好地满足电弧增材制造的形貌检测精度的需求。自主开发的三维测量软件能实时地将熔积层当前的形貌信息反馈给路径规划软件,为下一步的堆铣复合成形提供有效的数据支持。实验结果显示,本文开发的基于线结构光的熔积层形貌三维测量系统具有较强的实用价值。

关键词： 铝合金   增材制造   力学性能   激光-电弧复合热源  

摘要： 增材制造技术(AM)是一种基于离散-堆积思想,通过CAD设计数据,采用逐层累加的方式加工生成实体零件的技术。具有成形效率高、成本低、零件致密等优点,世界各国科研机构对其展开了大量的研究,在各行各业中具有极高的应用价值与广阔的应用前景。与传统的锻造、铸造相比,它不需要模具,制造周期短,柔性化程度高,可以实现数字化和智能化的生产,并且产品力学性能较传统铸造件更加优异,弧焊增材制造与以激光和电子束等为热源的其他增材制造技术相比,具有生产成本低、生产效率高等优点。然而,弧焊增材制造过程中,具有成形精度与净成形零件有一定的差距、残余应力较大、熔池可控性不好、缺少专用的成型材料以及工作环境差等缺点,为了解决弧焊成增材制造过程的一些问题,本文开发出一套激光-电弧复合焊接机器人增材制造系统,采用5356铝合金焊丝为材料进行研究,通过调节成形轨迹与焊接参数,实现力学性能较好,尺寸精度较高的复杂结构件的成形。本文首先对单道焊接进行研究,找到单MIG焊接的最佳焊接工艺参数。在最佳工艺参数下,进一步研究多层成形轨迹的成形工艺和试样的性能关系,归纳总结出工艺参数与轨迹变化之间的关系：合适的层间停留时间可以提高墙体的垂直成形方向的力学性能,采取激光-电弧复合的焊接方法进行墙体堆积可以进一步提高墙体力学性能,同时可以提高成形零件的精度,采取往复堆积的方式可以解决单一方向堆积时,起弧与收弧位置不平齐的缺陷,沿垂直成形方向拉伸试样断口表现为韧脆混合型断裂。采用激光-电弧复合焊接的方法,进行实体零件的堆积,实现了简单框形结构件,曲面结构件的增材制造,首先找到了合适的底板材料,研究了成形参数对框形成形试样的影响,随着电流的增加,成形试样表面形貌得到改善,但电流过高时熔池容易产生外溢与塌陷；随着干伸长的增加,成形试样表面保护效果逐渐降低,干伸长大于15mm时,保护效果变差,出现较多气孔。研究了焊接电流、层间停留时间、提升高度与偏移量对曲面结构件成形的影响,当焊接电流在100A时,零件成型效果较好,不容易产生塌陷等缺陷,层间停留时间为60s,焊枪每层提升高度2mm,实际偏移量为理想偏移量的一半时成形效果最佳。