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。

关键词： 熔滴过渡   热积累效应   成形特征   组织金相   硬度  

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。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。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。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   各向异性   路径规划   分层算法  

摘要： 利用电弧增材制造技术成形大型复杂金属零件,因其成形效率高、成本低等优点,越来越受到国内外研究机构的关注。然而,电弧增材制造技术存在的成形精度低、缺少满足工艺特点的路径规划及配套切片软件等缺点严重制约其应用。因此,本文以基于TIG的电弧增材制造技术为研究对象,以TC4钛合金丝材为成形材料,对成形的基础工艺及路径规划策略进行研究,之后完成了配套切片软件开发的工作,最后利用开发的切片软件完成了样件的试制。本文的研究工作主要包括以下几方面:(1)基础成形工艺的研究。首先采用控制变量法,研究各个工艺参数对单道宏观形貌的影响规律。通过试错法获得了单道稳定成形的工艺参数范围。在此基础上,研究了送丝方向与成形方向不同位向关系对成形形貌的影响。为了解决成形各向异性问题,本文独创性地提出旋转焊枪和送丝杆的工艺方法。之后,研究焊枪旋转角度对成形各向异性的影响,得到最佳旋转角度。在此角度下,成形零件的几何形貌、拉伸力学性能和组织结构均呈现各向同性。(2)路径规划对成形形貌和性能影响的研究。首先介绍了电弧增材制造成形的熔道自身的特点,即起弧、熄弧位置高度不稳定,边缘效应,侧面下榻现象,并分析了存在这些问题的原因。针对典型框类结构的十字交叉位置,提出圆弧搭接的路径方式,获得表面良好的“田”字形框类结构件。对于平面结构,提出沿长边成形、短边成形、轮廓螺旋成形、分区成形和层间长短边交错成形这5种路径规划方式,研究其对成形尺寸精度及残余应力、力学性能和微观组织的影响。实验结果表明,沿短边扫描成形的零件尺寸精度及性能都最佳。(3)切片软件实现研究。首先介绍了与电弧增材制造工艺需求及设备相匹配的切片软件的设计需求。之后介绍了开发的切片软件各个子模块的功能。提出了与电弧增材制造工艺相匹配的薄壁回转类零件分层算法,用Matlab编程实现并完成薄壁半球零件的试制。最后用开发的软件试制了一个零件,并分析了成形零件尺寸精度低的原因,指出目前切片软件路径规划模块存在的缺陷。

关键词： 钛合金   电弧增材制造   超声冲击   组织   力学性能   各向异性  

摘要： 电弧增材制造的高效率使其成为制造钛合金大型结构件的优良选择。然而,电弧增材制造钛合金构件中容易形成粗大柱状晶,导致力学性能各向异性。为了解决这一问题,本文系统研究了超声冲击参数对电弧增材制造TC4钛合金零件组织性能的影响规律和作用机理。主要研究成果如下: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,同时增大了沉积层平均宽度。随着加工速度的增大或冲击次数的减少,沉积层平均宽度逐渐减小,等轴晶平均晶粒逐渐变大;当冲击振幅为40%时,沉积层平均宽度最大而等轴晶晶粒最小。当冲击振幅为60%、加工速度为3mm/s和冲击次数为4次时,沉积层平均宽度最大,等轴晶平均直径最小,分别为9.9mm和0.80mm。超声冲击促进了沉积层的位错增殖和位错迁移,在造成晶粒破碎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,从而有效避免了未冲击试样中因外延生长而形成粗大柱状晶的情况,并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。加工速度越小,冲击次数越多,冲击振幅在40%左右时,沉积层获得的线能量越大,位错增殖和迁移能力越强,获得的形核质点越多,从而等轴晶粒平均直径越小。随着柱状晶转变为等轴晶,冲击试样微观组织的方向差异性减小,使得其抗拉强度各向异性百分比由未冲击时的12.5%缩减为1.5%。此时,冲击试样垂直方向抗拉强度由未冲击时的892.5MPa提高至953.6MPa,和水平方向抗拉强度的差值缩小至14.8MPa。

关键词： 航空制造   增材制造   电弧   制造技术   航空结构件   应用   成形速度   复杂构件  

摘要： 电弧增材制造采用逐层堆焊的方式制造致密金属实体构件，因以电弧为载能束，热输入高，成形速度快，适用于大尺寸复杂构件低成本、高效快速近净成形。面对新一代飞行器制造成本及可靠性要求，其结构件逐渐向大型化、整体化、智能化发展，电弧增材制造技术在大尺寸航空结构件成形上具有其他增材技术不可比拟的效率与成本优势。本文综述了电弧增材制造技术研究现状，并结合该技术特征及国内增材制造技术研究规划，评述了我国在该技术领域的发展际遇与挑战，指出其在航空制造领域的发展前景及意义。

关键词： 金属增材制造   丝材电弧增材制造   研究现状  

摘要： 丝材电弧增材制造技术适于大尺寸且形状较复杂构件的低成本、高效快速成形,是与目前发展较成熟的激光增材制造方法优势互补的3D增材成形技术。文中综述了近几年国内外丝材电弧增材制造技术的研究现状,从控形控性角度分析了国内外相关研究机构的研究方向与技术优势。藉此指出,丝材电弧增材制造技术的相关研究工作仍主要聚焦于试验研究阶段,并未深人到成形机理的探究,该领域的研究工作应更深人、系统地从成形物理过程、熔池系统稳定性、组织演变规律和性能优化等角度,力求开展丝材电弧增材成形工艺及理论研究工作,推进该技术在现代制造业的应用。

关键词： 增材制造   TC4钛合金   组织特征  

摘要： 采用电弧增材制造的方法制造了TC4钛合金薄壁零件,并对沉积态金属的组织特征进行研究。观察发现,沉积态薄壁零件中存在两类条纹:平行条纹和圆弧条纹。平行条纹是沉积金属受后热作用产生固态相变的结果,而圆弧条纹是金属熔敷过程中的液相轮廓的痕迹。沉积态薄壁零件可以分为顶部和中下部两个区域,顶部区域在最后一层金属熔敷过程中温度整体高于β转变温度,该区域由α′相、α_m相、少量网篮组织以及β相组成。中下部区域在制造过程中经历了不同程度的后热处理,该区域由网篮组织、团束组织、层片状组织、少量残余α′相以及β相组成。

关键词： 电弧增材制造   成形控制   成形工艺   闭环控制  

摘要： 电弧增材制造是低成本金属零件直接成形的重要研究方向之一。金属零件形貌的成形精度是评判成形质量的一个重要指标。从成形工艺特性、尺寸数学建模、过程控制等角度阐述了电弧增材制造成形控制技术的国内外研究现状;重点总结了基于视觉传感的电弧增材制造闭环控制技术的研究现状;分析了电弧增材制造成形控制技术研究存在的关键问题;提出了未来电弧增材制造成形控制技术的研究内容和发展方向。

关键词： 增材制造   通用旋转组合   尺寸预测  

摘要： 文中首先采用同一组焊接参数,在四种厚度基板上进行单道20层铝合金薄壁试样成型,发现不同厚度基板下试样稳定区的焊道宽度相同.基于此结论,利用二次通用旋转组合方法设计试验样本,通过二次回归方程建立工艺参数(焊接电流、焊接速度、送丝速度、层间温度)与成型试样稳定区域焊道宽度尺寸预测模型,经验证发现模型预测效果较好.结果表明,影响焊道宽度的主要因素有焊接电流、焊接速度和层间温度.当电流小于95 A时,参数对焊道宽度的影响顺序为:电流大于焊接速度大于层间温度;当电流大于95 A时,顺序变为:电流大于层间温度大于焊接速度.同时,焊接电流和层间温度间存在交互作用.

关键词： 电弧熔积   微区轧制   复合增材成形   高强度钢零件   组织性能  

摘要： 利用研究室自主研发的电弧微铸轧复合增材制造系统,无模直接成形出熔铸成形性和可焊性极低的45钢大壁厚差高强度零件,并在自由熔积和微铸轧复合两种工艺条件下进行对比试验,分析测试了45钢试样的组织特征和力学性能。结果表明:与自由熔积成形相比,微铸轧复合工艺将晶粒粒度由5.5级细化至12.0级,抗拉强度提高31.3%,屈服强度提高68.8%,平均硬度提高10.9%;与熔模铸造相比,微铸轧复合工艺将抗拉强度提高58.4%,屈服强度提高107.7%。因此,微铸轧复合增材制造技术将为难成形加工材料高强韧金属零件的低成本优质短流程制造提供一条有效途径。