关键词： 电弧增材制造   铝/钢连接结构   界面连接行为   耦合能场  

摘要： 铝/钢连接结构具有质量轻、强度高以及良好的导热导电性能,因此在航天、汽车等工业部门有很多潜在的应用。但是,目前有关铝/钢连接的方法多局限于规则的板材结构,难以实现具有复杂结构的铝/钢实际应用部件的连接。本文则主要基于增材制造的思想,采用电弧增材制造的方式研究了任意形状铝/钢结构的直接制造方法,并对外加磁场和引入夹层体系下的增材结构界面连接行为进行了系统的研究。文中首先进行了电弧增材制造系统的搭建工作。采用冷金属过渡焊接电源和六轴串联机器人手臂作为硬件执行机构,并基于MATLAB软件编写了适用于电弧增材制造的切片算法和轨迹规划方式,同时实现了与机器人汇编语言的转换通讯。通过对指定模型结构的增材制造实际验证,所搭建的电弧增材制造系统可以完好实现模型结构的增材制造功能,制造件表面及外轮廓成形平整、连续。通过对单道焊缝成形特征的研究,获得了铝合金、不锈钢材料电弧增材制造的最佳成形工艺范围。同时,为了进一步提高电弧增材制造的表面成形精度,建立了电弧增材制造中多层多道相邻焊缝的位置关系数学模型。通过对指定工艺参数下单道焊缝外轮廓形貌函数的精确提取,计算得到了相邻焊缝之间的最佳横向偏移量和层间提升高度值,为切片和填充模块提供了准确有效的数据支持。为了表征增材制造部件内部的微观组织和力学性能,分别对铝合金、不锈钢材料进行了墙体试样电弧增材制造。研究发现,成形墙体内部均匀、致密,无气孔、裂纹等缺陷产生,并表现出良好的力学性能,但是在墙体内部不同成形方向上的拉伸试件表现出微小的力学性能差异。采用纯镍和紫铜作为中间过渡层材料实现了铝/钢结构的一体式增材制造,并分别研究了铝合金与镍、铜在冷金属过渡焊接模式下的界面连接结构和力学性能。镍/铝界面连接结构由Ni基体/Ni3Al-Ni0.9Al1.1-Ni2Al3-Ni Al3/Al焊缝构成,接头最大拉剪强度可以达到42MPa;铜/铝侧界面连接结构主要由Cu基体/Cu9Al4, Cu3Al2, Cu Al2/Al焊缝构成,接头拉剪性能可以达到98MPa。当采用电弧增材制造钢-夹层-铝墙体结构件时,铝合金与镍、铜的界面连接处是成形试样的薄弱环节,其中采用镍夹层时的抗拉强度为54MPa,采用铜夹层时的抗拉强度为36MPa。为了进一步提高异种金属界面处的连接强度,文中在异种金属焊接过程中引入了外加纵向磁场。研究发现,外加磁场使得电弧做定向旋转运动,并增加了电弧与基板表面的接触面积,同时熔滴过渡行为也由无磁场时的球滴状过渡向扁平状过渡转变。此外,外加纵向磁场还可以明显的改善铝合金在钢、镍、铜表面焊接时的润湿铺展行为,增大界面连接处的有效接触面积。在异种金属连接界面处,施加磁场可以明显起到抑制脆性金属间化合物生长的作用,使得界面连接强度得到了显著的提高。并且随着磁感应强度的增加,接头的连接强度呈现递增的变化趋势。将外加磁场引入到钢-夹层-铝电弧增材结构制造时,试样最大抗拉强度提高至78MPa,与铝钢直接增材制造相比提高了近70%。最后以铝/钢连接为例,采用ANSYS软件建立了纵向磁场作用下焊接过程模拟模型。并从材料热力学和界面反应动力学角度出发,分析了外加磁场对异种金属连接界面处化合物层生长行为的作用机理。结合模拟结果可知,纵向磁场的引入可以改变电弧等离子体的运动状态,并最终影响了电弧形态以及电弧在熔池和基板表面的热量传导行为。施加磁场后,熔池高温区域由中心向四周侧移,使得铝/钢界面前沿的反应温度和高温停留时间发生下降,从而减小了铝液前沿处铁原子的浓度。同时,磁场的引入还改变了熔池内部的流动状态和传热传质行为。熔池内部由无磁场作用时的单一环流,转变为有磁场作用时的双环流流动特征。一方面表面张力驱使的外沿环流会促使熔池向外侧润湿铺展,增大熔池与钢板的有效接触面积和热量传递过程。另一方面双环流的流动方式,加速了熔池界面前沿和熔池内部的传热、传质过程,从而增加了在铝液前沿处铁原子达到过饱和的形成时间,最终抑制了铁铝化合物的结晶生长。

关键词： 增材制造   控制系统   现场总线   LabVIEW   OPC  

摘要： 电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacture,WA-AM)技术采用焊接电弧作为热源熔化金属丝材,按照设定的路径层层堆积熔敷金属直至零件最终成形。WA-AM具有材料利用率高、整体制造周期短、制造成本低、化学成分均匀、力学性能好、对零件尺寸限制少、适合零件修复等优点。目前,对WA-AM技术在成形工艺的可行性,成形零件的材料力学性能和微观组织上的研究比较集中,大部分电弧增材制造设备的研制也多停留在单热源、小型化的情况。本文以多热源大型增材制造设备为研究对象,以提高电弧增材过程中成形的稳定性、改善成形件表面质量和尺寸精度控制为目标,在现有电弧增材制造设备的基础之上结合WA-AM技术工艺要求,设计了一套包括现场设备PLC控制、上位机监控以及数据库管理的完整控制系统。首先设计了电弧增材制造设备总体控制方案,基于PLC和上位机按照FCS现场总线控制系统、DCS集散控制系统和工业以太网相结合的思想搭建了硬件通信网络;然后按照工艺要求设计了枪架跟踪系统、横梁自动移位系统以及传动支撑系统控制方案,通过下位机PLC编程并加以运用工业以太网和OPC技术为工艺监控层和管理层建立了软、硬件基础。最后在计算机上使用图形化编程语言Lab VIEW设计了一套完整的电弧增材制造设备中央控制系统软件。该控制系统软件包括管理员、工程师、数据记录员和操作员四个不同权限的操作界面,具备用户管理、数据库交互、电弧增材制造工艺过程的监测与控制等功能,从而保证整个电弧增材制造过程顺利进行,实现大尺寸金属管件一次性快速电弧增材制造过程的自动化。基于本文所研制的控制系统进行了模拟件成形实验,实验过程表明该控制系统实现了对现场各个子系统的分散控制和集中管理,具有较强的操作性和可靠性;实验数据分析结果表明本文所设计的控制方案较好的满足了电弧增材制造技术的工艺要求。

关键词： 电弧增材制造   成形尺寸   工艺参数   回归方程   复合铣削加工  

摘要： 在资源节约和高效制造的背景下,发展金属增材制造技术能很好地满足现代制造业对零件快速设计与加工制造的要求。而随着船舶、航天、航空和汽车等关键技术领域对金属零件的制造要求越来越高,采用电弧增材制造金属零件成为新的趋势。针对目前电弧增材制造过程中存在的设备成本高、尺寸精度较低和零件成形效果较差等问题,本文对复合铣削的电弧增材制造工艺进行了研究。该工艺结合了电弧增材制造和铣削加工的特点,以电弧作为热源,具有设备结构简单、制造成本低和丝材利用率高等特点,为提高零件制造效率和成形精度提供了一种新的有效途径。首先,初步建立了焊缝的尺寸模型,选择抛物线作为最优模型,并与实际焊缝进行比较,两者具有很好的吻合性。同时,在抛物线模型中,确定出最佳中心距,并根据该模型对焊缝的成形尺寸进行分析与预测。其次,基于实验设计方法对焊接工艺参数进行选择,建立焊缝尺寸与工艺参数之间的非线性回归方程,通过计算偏导函数论证多参数之间的耦合关系,验证了模型的精确性。另外,采用正交分析法进行单层单道成形实验,研究焊缝尺寸形貌与焊接工艺参数的关系,并对工艺参数进行排序与优化,从而选出最优参数组合。再次,根据实验材料和设备,设计了一种能够自动调节焊枪和铣刀相对高度的装置,通过对加工工艺和机械运动的优化,有效地避免了增材制造与铣削加工可能产生的位置干涉问题,实现了复合铣削的电弧增材制造。最后,通过电弧增材制造成形实验,采用优化后的工艺参数,讨论了焊缝塌陷的原因及解决方法,并对直壁零件、斜壁件、曲面件以及复合铣削加工工艺进行了研究,取得了较好的成形效果,从而验证了优化方法的可行性以及所选工艺参数的有效性。

关键词： 电弧熔积   增材制造   在线检测   无损检测   永磁扰动检测  

摘要： 电弧熔积增材制造融合了电弧焊接技术和增材制造技术,能完成对金属快速自由成形制造的新技术。因其成形效率高、成本低、致密度高、无需模具、所用材料广泛等优点,在金属增材制造领域具有广泛的应用前景。然而,电弧焊接工艺的本质导致电弧熔积增材制造工件精度较低、表面质量较差、应力残留、焊接变形以及存在裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷。因此,加强质量控制,及时发现缺陷,避免完工检测出现废品是当前电弧熔积增材制造迫切需要解决的问题。本文针对增材制造工艺的特殊性,提出一种基于分层检测思想的解决方案,为增材制造过程引入合适的在线检测方法。本文提出的分层检测思想是以增材制造离散化原理为核心,将传统加工完毕后的整体检测,转变为加工过程中以阶段性加工部位为检测对象的分散检测。本研究以课题组承担的高铁辙叉增材制造项目为基础,通过对检测对象与加工过程进行分析研究,梳理出检测要求和检测系统的设计指标。在对超声波检测、射线检测、涡流检测、红外探伤检测、金属磁记忆检测、漏磁检测、永磁扰动检测等检测方法进行充分研究的基础上,通过多指标综合评价选择永磁扰动检测为实现电弧熔积增材制造过程在线检测的最优方法。永磁扰动检测是利用磁扰动效应,通过捕获由待检区域缺陷在永磁体上产生的磁扰动,从而获得缺陷存在与否的评判依据。结合电弧熔积增材制造实际加工特点,设计永磁扰动在线检测系统,并将系统置于实际加工环境,对实验试样进行一系列测试,获取大量的实验数据。通过对检测数据进行整理分析,验证了检测系统可成功检测到宽度0.3mm的开放式裂纹缺陷、直径0.8mm的内部气孔缺陷以及埋藏深度3mm直径1.0mm的内部缺陷,达到了系统设计指标的相关要求。永磁扰动检测系统通过分层检测思想实现了对电弧熔积增材制造过程的在线检测,并与增材制造加工系统相匹配,实现加工检测一体化、自动化和智能化。检测系统的引入,大大增强了加工过程的质量控制,避免废品出现,降低了生产成本。

关键词： 电弧增材制造   铣削   专用软件   路径规划   数控代码生成  

摘要： 电弧增材制造技术(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)是采用电弧熔丝工艺进行金属零件3D成形的工艺过程。与其它金属增材制造技术相比,电弧增材制造具有高效、低成本、成形件致密度高等优点,因此得到了广泛的关注和研究。然而单纯的电弧增材制造难以保证成形件的形貌精度和表面光洁度,影响其进一步的应用和发展。本文采用电弧增材和铣削相结合的方法来提高电弧增材制造表面精度,具体针对复合铣削的电弧增材制造的路径规划方法与其应用进行了研究。首先,充分考虑复合铣削的电弧增材制造特点,提出了一种复合铣削的电弧增材制造路径规划方法,构建了一种复合铣削的电弧增材制造流程,进而设计了一种复合铣削的电弧增材制造方案,并分别对路径规划方法和设计方案进行了深入研究和探讨,为复合铣削的电弧增材制造软件的开发和实验平台的搭建提供理论基础。其次,以复合铣削的电弧增材制造路径规划方法为核心,研发了复合铣削的电弧增材制造软件。软件以单道壳体模型和无内腔凸实体模型为目标,通过读取STL模型文件,进行分层切片和路径规划等一系列操作来自动生成数控代码,实现了复合铣削加工过程的协同控制。然后,基于复合铣削的电弧增材制造方案搭建了实验平台,以H08Mn2Si为原材料,应用开发软件生成的数控代码分别进行了电弧增材成形实验和复合铣削的电弧增材成形实验,验证了复合铣削的电弧增材制造能够有效改善成形件的形貌精度和表面光洁度,同时验证了提出路径规划方法的有效性及开发软件的实用性。最后,对全文进行了总结,并展望了未来的研究。

关键词： 电弧增材制造   铝合金   光谱诊断   小波变换   气孔  

摘要： 应用在航空航天领域的大型铝合金构件具有复杂化的趋势,传统的加工技术越来越不能满足加工需求。电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,简称WAAM)技术沉积效率高、材料利用率高、成本低,在制造简单大型零件方面具有优势。WAAM技术已经在工艺成形、组织结构、机械性能等方面取得了丰富的研究成果,但由于该技术稳定性还有待提高,因此还未大规模工业应用。如何对WAAM全过程进行在线监测是确保这一技术能够被广泛应用的关键。为此,本研究对铝合金WAAM等离子体/高温蒸汽辐射光谱进行在线采集和分析,以求发现新工艺下条件的物理机制,以及探索在线检测加工缺陷的可能性。取得了主要研究成果如下:首先,搭建了WAAM在线光谱检测系统,并首次将离散小波扣除背景方法应用于电弧加工光谱检测数据处理中,以提高检测精度,当小波基选为db7,层数选为5时,能有效去除光谱中的连续成分。其次,研究了焊接参数对WAAM辐射光谱特性的影响规律,发现WAAM工艺特性与光谱规律具有较强的对应关系,具体结论如下:1)增强的焊接电流导致光谱特征参数增加。在最初几层,电子密度呈下降趋势,这是由于热输入的累积导致金属的温度逐渐升高,逸出功随之降低;2)层间上升高度ILH(Interlayer Lifting Height)增大时,光谱强度急剧下降,电子密度和电子温度也会出现不同程度的下降,这是因为电弧阴极和阳极的光谱特征参数最强,ILH上升导致光谱采集位置远离阴极,光谱特征参数逐渐降低;3)保护气流量对光谱特征参数的影响未体现明显变化趋势。最后,本文通过预制污染物的方法研究了氢的谱线强度与气孔之间的关系,证明光谱诊断法检测WAAM气孔缺陷是可行的。在没有施加污染物焊接时,H I 656.28nm的强度在100至400 counts之间,气孔半径在20至40μm之间。当试样中预制低熔点的液态污染物时,气孔分布和氢线强度与无污染试样接近。当涂覆固态润滑油时,光谱中的氢线强度明显增强,气孔率也随之增加。

关键词： 铝合金   电弧增材制造   预测模型   粗糙度   气孔率   组织性能   3DAutomate  

摘要： 电弧增材制造是以电弧作为热源,焊丝作为增材材料,快速直接成型致密度高、力学性能好的金属复杂几何构件,可极大提高材料的利用率、缩短产品的生产周期,大幅提高生产效率和制造技术的核心竞争力。课题基于CMT的铝合金电弧增材制造技术,以铝合金零件的尺寸精度、气孔率、组织性能作为研究对象,对增材制造过程开展研究。首先就单道单层试样成形规律进行研究。送丝速度(焊接电流)增大,焊道宽度增大,余高系数也跟着增大。余高则在电流较小时先有微小增加后明显减小。预热有助于改善焊道成形。保护气混入氦气后,试样余高系数会随着氦气比例的提高而提高。进一步研究单道多层成形尺寸精度(宏观尺寸、粗糙度)和气孔率,利用SPSS软件建立了层宽、层高预测模型。层宽预测模型表明：层宽随电流增大而增大,层间等待时间达到60s之后层宽不再发生明显变化。参数对层宽的影响顺序如下：电流>增材速度>层间等待时间。层高预测模型表明：增大电流可以增大层高。增大增材速度同样可以增加层高,但速度达到70cm/min后层高不再发生明显变化。参数对层高的影响顺序如下：增材速度>电流>层间等待时间。利用图像处理的方法对侧表面粗糙度和最小加工余量进行了评价。小电流、低增材速度时表面粗糙度最小,粗糙度随氦气比例的增加先增加后减小。层间等待时间与粗糙度之间无线性或二次关系,关系比较复杂。对气孔率的研究表明保护气中氦气比例达到75%后,不仅可以有效消除0.2mm以上的宏观气孔,也可以有效消除显微气孔。合适的层间等待时间可以消除大部分宏观气孔,但对消除微观气孔的意义不大。对组织性能的研究表明随送丝速度(焊接电流)的增加,析出相增多,晶粒尺寸增大。层内主要以等轴晶组织存在,层间结合处有少量柱状晶组织。增材速度越快析出相越少,但冶金结合变差。增材速度对垂直焊道方向的抗拉强度影响不大。层间等待时间为30s时由于冶金结合较好,析出相刚开始增多和长大,晶粒尺寸未完全长大。增加保护气中氦气比例后,硬度值先增大后减小,抗拉强度同样先增大后减小。平行增材方向上,拉伸断口主要表现为韧性断裂,垂直增材方向上断口主要表现为韧性断裂和准解理断裂的混合断裂方式。平行增材方向上的抗拉强度大于垂直方向上的。最后采用CMT增材制造的方法,结合3D Automate、Mastercam软件快速规划复杂路径,进行复杂零件的成形,分析尺寸精度及成形状态,验证电弧增材制造系统可以实现复杂试样的初步成形。

关键词： 电弧增材制造   Inconel625合金   微观组织   力学性能  

摘要： 镍基合金Inconel625由于其具有良好的组织稳定性,高温抗氧化能力以及高温强度等优异的机械性能而广泛应用于航空航天、石油化工以及海洋工程等领域。其中,复杂形状部件的难加工性以及镍基合金加工产生的高成本往往成为限制其进一步发展的重要原因。相比于传统的成型制造方法,采用增材制造技术进行镍基合金的加工具有更好的可行性和经济性。与传统的减法制造技术不同,增材制造技术根据CAD模型,将熔化的填充材料通过层层沉积的方式来完成试样的成型。因此,Inconel625合金GTAW电弧增材制造有着良好的应用前景。本文在基于GTAW电弧增材制造的基础之上,对Inconel625合金的增材制造工艺展开研究。主要分析了焊接工艺参数对增材试样成型以及组织性能的影响。同时,采用振动送丝和焊后固溶处理两种方式来改善增材制造试样的微观组织和力学性能,旨在为镍基合金电弧增材制造提供较好的成型工艺。针对GTAW电弧增材制造过程中送丝角度和送丝方向会对焊缝的宏观成形产生影响这一问题,分别研究了不同送丝角度和不同送丝方向时焊缝的熔化效率和成形尺寸。采用正交试验法分析了焊接工艺参数对单道焊焊缝成形的影响。分析了薄壁试样的增材制造组织特征。采用成分过冷分析了枝晶组织生长机理以及相得析出机理。此外,增材试样的析出相主要为脆性不规则形状的Laves相以及细小颗粒状的MC型碳化物,且发现析出相的尺寸和分布与增材试样的微观组织相关。采用高速摄像机和热电偶测温仪分别对增材过程中的熔池长度变化和温度变化进行测量,从而证实了增材制造是一个热量不断积累的过程。此外,采用KGT模型定性分析了增材制造试样的枝晶间距变化趋势。最后,分别研究了振动送丝以及固溶处理对增材试样组织和力学性能的影响。重点研究了振动送丝对组织形态,析出相尺寸和分布的影响以及不同固溶温度下析出相的转变过程。结果表明,振动送进丝能够细化晶粒,减小析出相的尺寸;同时,固溶处理促使增材试样中Laves相的溶解,并且在溶解的Laves相周围生成了针状的δ相。

关键词： 增材制造   人工神经网络   熔敷焊道尺寸预测   熔敷工艺参数  

摘要： 增材制造技术是一种应用历史比较简短的成型方法,它是在离散堆积理论的基础上发明而来的。人工神经网络是以动物神经网络行为特点为原理,用于信息处理的算法数学模型,它是人们对大脑或神经网络的特点进行抽象处理后得到的。在增材制造的过程中,有一项十分重要的工作,即根据已知的焊接工艺参数进行计算,从而确定焊道尺寸,或者是根据要制作的焊道尺寸,反推出焊接工艺参数。笔者在本课题中以机器人堆敷焊道为对象进行研究,从而揭示出焊接速度、送丝速度、焊接电压、喷嘴高度、焊道高度和宽度彼此间的关联。首先,在研究影响焊道成型的因素时创建模型,模型的自变量为焊接速度、送丝速度、焊接电压、喷嘴电压、喷嘴高度,因变量为焊道高度以及宽度,通过二次回归旋转设计找到试验参数,开展单层道焊接实验,以获取样本数据。创建二次回归通用模型,确定自变量和因变量之间的函数关系,利用该模型对人工神经网络模型的精度进行对比。然后根据试验样本测得的数据建立人工神经网络正向模型,在试验设计中数据选择范围内选择与试验参数不同的验证参数形成验证样本,进行焊接试验,采集试验成型数据。通过实验数据,揭示出人工神经网络模型的误差大小,对比二次回归通用模型的误差。在此基础上总结出工艺参数是如何影响焊道成型的。利用样本数据创建包含焊接工艺参数和焊道成型尺寸的人工神经网络反向模型,用验证样本相关数据检测反向模型预测误差以及同二次回归通用模型进行误差对比。通过验证计算和误差对比可知反向模型误差较大。基于此创建将正、反向模型合在一起的正反双向联合预测系统。最后,通过单道多层的焊接增材制造方法,采集试验数据。从而验证正反双向联合预测系统模型在预测焊接成型尺寸方面的能力及精度。

关键词： 镁合金   电弧增材制造   工艺参数   成型效果   组织   力学性能  

摘要： 镁合金是最轻质的金属工程结构材料,除密度低外,还具有比强度、比刚度高等许多优异的特性,近年来引起了极大的关注。镁合金在实现轻量化、节能减排中发挥着重要作用,应用前景十分可观,同时对镁合金的性能也提出了更高要求。为了实现进一步的轻量化,生产整体结构件是镁合金应用的重要趋势。电弧增材制造技术提供了低成本、高效率制造大型镁合金结构件的潜在方法。AZ31镁合金是目前应用最为广泛的变形镁合金,在本课题中,电弧增材制造技术初步应用于制造AZ31镁合金,成功获得了完全致密的AZ31镁合金试样。同时,本课题研究了工艺参数对镁合金构件成型效果及组织和力学性能的影响。主要研究结果如下:（1）交流电频率、脉冲频率、送丝速度增大,或者交流电、焊接速度变小,镁合金电弧增材制造成型试样表面变得更加光滑。（2）交流电大小、送丝速度和焊接速度对成型试样的成型尺寸影响较大,交流电频率和脉冲频率对成型试样的成型尺寸影响不大。交流电频率、送丝速度增大,或者交流电、焊接速度减小,成型试样层厚增加;交流电频率、送丝速度、焊接速度增大,或者交流电减小,成型试样最大宽度减小;脉冲频率增大,成型试样层厚先减小后增加,最大宽度先增加后减小。（3）交流电频率、脉冲频率、送丝速度和焊接速度对成型试样的晶粒尺寸影响较大,交流电大小对成型试样的晶粒尺寸影响不大。交流电频率、送丝速度、焊接速度增大,成型试样的晶粒尺寸减小;脉冲频率增大,成型试样的晶粒尺寸先减小后增大;交流电增大,成型试样的晶粒尺寸略微增大。（4）交流电频率和脉冲频率对成型试样的拉伸性能影响较大,交流电大小、送丝速度和焊接速度对成型试样的拉伸性能影响不大。交流电频率增大,抗拉强度、屈服强度和伸长率均减小;脉冲频率增大,抗拉强度和屈服强度先增大后减小;送丝速度和焊接速度增大,抗拉强度和屈服强度略微增大。（5）在适宜的工艺参数下,镁合金电弧增材制造成型试样可以获得均匀细小的等轴晶组织,从而得到良好的力学性能。在本试验一些工艺参数下,镁合金电弧增材制造成型试样的组织为均匀细小的等轴晶（21μm）,成型试样表现出较大的抗拉强度（261MPa）和屈服强度（102MPa）,以及良好的塑性,拉伸试样的伸长率大于23%,能达到锻件的水平。（6）根据霍尔-佩奇公式,可得AZ31镁合金电弧增材制造成型试样的屈服强度与晶粒尺寸关系为:σy=24+342d-1/2。