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。

关键词： 电弧增材制造   5B06   铝合金   机械振动   电弧摆动   显微组织   力学   性能  

摘要： 电弧增材制造(wire arc additive manufacture,WAAM)因成形效率高、设备成本低的优点而成为大尺寸铝合金零部件增材制造的重要发展方向。然而,WAAM层层堆积的工艺特性造成铝合金成形件内部组织不均匀,导致力学性能不佳,使这种先进制造技术推广应用受到限制。为了提升WAAM铝合金零部件性能,本课题研究了不同工艺,包括机械振动和电弧摆动作用下WAAM 5B06铝合金薄壁件宏观成形、显微组织和力学性能的变化,并探讨相关作用机理。主要结论如下:研究了工艺参数对四种CMT电弧模式单道成形影响规律。CMT+P模式下沉积金属铺展较好,适合于底层成形。CMT+P+A模式下热输入最低,工艺稳定性好,适合于薄壁件成形。通过工艺参数的优化组合可以减少气孔缺陷,使成形试样气孔率降至0.3%以下。采用通用旋转实验设计方法获得薄壁试样有效宽度预测模型,预测精度接近90%。分析成形薄壁件精度,发现无论是加入机械振动还是电弧摆动,其有效宽度百分比基本稳定在75～85%,尺寸精度与未使用机械振动或电弧摆动相比没有降低,同时电弧摆动可以增加薄壁件有效宽度。WAAM 5B06铝合金薄壁试样增材方向显微组织呈周期性变化特征:熔池区析出相细小弥散、晶粒尺寸小,过渡区析出相粗大、晶粒尺寸较大。四种电弧模式中,CMT+P模式呈现明显的柱状晶过渡特征,导致其横向拉伸性能明显低于其它三种以等轴晶过渡为主的电弧模式。CMT+P+A模式下不同热输入、层间等待时间等工艺参数变化对拉伸性能及其各向异性无明显影响。机械振动使WAAM 5B06铝合金薄壁试样过渡区晶粒细化,沉积层间组织不均匀性得到改善,振动加速度达到15m/s2时可以提升横向和纵向抗拉强度约20～30Mpa。电弧摆动则可以改善薄壁试样力学性能各向异性。与不摆动相比,摆动频率达到7.5Hz时,抗拉强度各向异性百分比由17.88%降至8.24%。

关键词： 电弧增材制造   成型工艺   组织性能   模具制造  

摘要： 电弧增材制造技术是基于离散、堆积原理,以电弧作为热源熔化焊丝,按照特定路径逐层堆积,得到由熔敷金属组成的三维实体构件。与传统模具制造工艺相比,其不仅具有生产成本低、材料损耗少、设计制造周期短等优点,并且能够实现制造具有梯度材料的先进模具。因此研究电弧增材制造技术的基本工艺与理论,探索其应用在模具制造中的可行性,具有重要的科学意义与工程应用前景。本文以ER80S-G(AWS标准)和MF6-55GP(DIN 8555 标准)两种型号的焊丝作为研究对象,使用冷金属过渡弧焊技术为基础的数字化机器人焊接系统,对电弧增材制造的成型工艺、表面质量以及成型件的显微组织和力学性能进行研究,为确保成型过程的稳定性、尺寸精度及构件性能奠定了基础。首先,通过正交试验研究MF6-55GP焊丝的焊接工艺参数对焊缝成型尺寸的影响规律,利用函数拟合优选出单道焊缝的轮廓数学模型,计算出道间理论搭接量,探讨焊道轮廓变化规律,并分析成型路径及层间温度对堆焊件表面质量的影响。研究结果表明:焊接速度对焊缝熔宽和余高的影响最大,送丝速度是焊缝增高的最主要影响因素;不同焊接工艺参数下,单道焊缝的实际轮廓曲线与圆弧曲线模型的拟合优度最高,而第二道焊缝受第一道焊缝影响,其实际轮廓曲线与抛物线曲线模型的拟合优度最高,采用圆弧曲线和抛物线曲线组合模型计算获得的搭接量进行电弧增材试验,构件表面质量最平整;在电弧增材制造过程中,层间温度的增高会导致表面质量变差,采用往复堆焊可以有效改善单向堆焊时出现的起弧处隆起和熄弧处下塌的缺陷。其次,本文以ER80S-G焊丝作为模具基体材料,MF6-55GP焊丝作为主体材料,对双金属混合增材制造的显微组织及相关力学性能展开研究。研究结果表明:ER80S-G熔敷金属的显微组织由珠光体、铁素体及少量的粒状贝氏体组成,为塑性材料,维氏硬度235.1HV,压缩屈服极限466.55MPa;MF6-55GP熔敷金属的显微组织由马氏体、回火索氏体、上贝氏体及少量残余奥氏体和弥散分布的碳化物组成,为硬脆材料,维氏硬度695.5 HV,压缩强度极限3172.20MPa,其摩擦磨损性能接近于Cr12MoV模具钢;双金属层在界面处存在明显的硬度变化,压应力作用下ER80S-G的熔敷金属更易发生屈服变形,拉应力作用下MF6-55GP的熔敷金属更易发生断裂;双金属层试样在ER80S-G屈服强度极限内进行的107次压缩疲劳性能试验,其界面均未出现疲劳裂纹。最后,通过合理的路径规划以及焊接工艺参数实现了简单模具单元构件的实体电弧增材制造,验证了将电弧增材技术用于模具制造的可行性。

关键词： 电弧增材制造   5A06铝合金   3D打印   柔性结构设计  

摘要： 电弧增材制造（WireandArcAdditiveManufacturing,WAAM）是基于离散、堆积思想，以电弧为热源，采用逐层堆焊的方式近净成形3D金属实体零件的技术，其成形效率高、原材料利用率高、成本低，具有开放的成形环境，适于大尺寸复杂构件快速成形。WAAM技术在大型整体壁板结构（壁板+筋条）制造中应用前景广阔，整体壁板是大型飞机、运载火箭、空间飞行器、返回舱等主要壳体结构形式。本课题提出一种结合WAAM技术制造整体壁板的方法，即，壁板先弯曲成形，再采用WAAM加筋的设计方法。该方法能够避免铣削量大、壁板弯曲成形失稳、甚至断裂失效的缺点，并大幅度节约材料和加工成本，提高结构效率。然而，WAAM制造整体壁板，需要解决“成形形貌”和“应力诱导变形”两大基本控形难题。本课题选取5A06铝合金为典型材料，采用钨极氩弧焊（GasTungstenArcWelding,GTAW）为成形手段，以电弧焊工艺理论、最大熵产生原理等为指导，从四个方面展开了WAAM实验研究与建模分析，即：缺陷形式的揭示及其随成形工艺的演变规律，熔池局域及成形件宏观温度场，基于热边界条件的WAAM控形理论与方法，基于可控模量柔性结构的热应力变形控制。　　首先，实验揭示了5A06铝合金GTAW-WAAM成形的四种工艺缺陷，即：形貌非连续、截面尺寸不一致、成形起点位置偏移、应力诱导变形。阐明了层间温度（或基板预热温度）对成形形貌、截面尺寸的影响规律，即，在80~120℃范围内，随层间温度升高，由非连续球状形貌→连续的起伏形貌→平整的表面形貌的转变;但当层间温度超过150℃时，发生截面尺寸不一致的现象。　　其次，基于实验研究与数值模拟结果，提出以稳定成形阶段定态熔池熔合区温度梯度作为成形形貌连续性的判据，温度梯度小于50℃/mm时可成形平整的表面形貌。成形环境决定WAAM热历程可能到达的稳定成形阶段。该阶段是定态熔池体系，具有成形环境所允许的最小温度梯度。此时，工艺参数不再改变该温度梯度水平，仅影响建立定态熔池体系的“路径”。据此提出并定义无量纲导热系数Ge数作为成形截面尺寸差异的判据，Ge>88时，成形截面尺寸一致性较好。　　再次，基于最大熵产生原理等相关热力学理论，建模描述了定态熔池体系温度分布和熔合区温度梯度，表征了定态熔池体系要求的热边界条件。通过对等效热耗散系数进行线性化处理，获得了建立及维持定态熔池体系热边界条件的层间温度、热输入设计方法，藉此建立基于热边界条件的WAAM成形形貌控制理论与方法。用该方法指导工艺设计，可使表面波动值由714μm降至286μm。　　最后，针对单壁结构的连续成形，建模描述了面内应力分布特征及演变规律。通过将面内热应力视为等效弯矩作用的结果，利用一般梁理论分析面内应力诱导的弯曲变形，建立了等效弯矩作用下的弯曲变形解析模型，计算结果与实验吻合。建模分析了面内半椭圆缺口对成形件热应力的影响，提出构建柔性结构释放热应力，减小应力变形的设计方法。以等效弹性模量为表征参量，并建立等效弹性模量与柔性结构单元特征尺寸的映射关系，获得了基于可控模量柔性结构的热应力诱导变形控制理论与方法，通过增材加筋成形1200mm长筋板结构验证该方法有效性，设计柔性结构后翘曲变形量由31.4mm降至10.5mm，从结构设计角度为残余应力控制提供指导。　　研究成果将为电弧增材制造控形工艺设计提供理论依据，为大尺寸、复杂空间曲面整体壁板的低成本、高效电弧增材制造提供技术支撑。

关键词： 电弧增材制造   数值模拟   温度场   应力场   路径策略  

摘要： 电弧增材制造技术(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)作为金属增材制造技术的一种,具有成形效率高、制造成本低、成形件致密度高等优势,然而由于试件在成形过程中经历了复杂的热循环,其内部会产生较大的残余应力,甚至发生变形和开裂,从而严重降低了成形质量。本文基于有限元数值模拟和实验方法探究了WAAM过程中温度场与应力场的演变规律,并从散热状况、残余应力、翘曲变形这三个角度对多重堆积过程中的成形路径进行择优,为理解WAAM过程中温度场与应力场的演变规律提供理论依据同时为WAAM堆积过程的路径选择提供参考。首先基于ANSYS有限元软件中的APDL语言建立了单道单层与单道多层试件的温度场数值模型,并采用K型热电偶对温度场模型进行了实验验证,在此基础上得出了在单道多层堆积过程中,后一层对前一层有重融作用,且随着堆积层数的增加,试件的散热条件变差,后层对前层的重融作用会覆盖到相邻层之外的焊道,此时焊道的形貌尺寸难以控制,严重时甚至发生局部坍塌,所以随着堆积层数的增多,应适当增加道间等待时间以避免试件过热。其次在温度场的基础上建立了应力场模型,并采用盲孔法对应力场模型进行了实验验证,在此基础上得出了在单道多层堆积过程中,后一层对前一层有应力释放的作用,且随着堆积层数的增加,等效应力峰值逐渐降低。冷却过程中,已堆积金属收缩受阻产生较大的拉应力,且试件最终的残余应力主要来自于冷却过程中产生的拉应力。最后在单层多道成形过程中,得出了后道对前道也有重融作用,通过对比单道多层的温度循环曲线,表明了WAAM在成形过程中主要以热传导散热为主。同时,以试件的散热状况、残余应力分布、翘曲变形量为约束条件,分别对由内向外、由外向内、同向堆积、交错式堆积这四种常用的堆积路径进行择优排序。

关键词： 钛合金   力学性能   TiB   增材制造   元胞自动机  

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Ti6Al14V-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Ti6Al4V-xB的铸造显微组织及力学性能的影响;其次,采用Ti6Al4V及Ti6Al4V-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Ti6Al4V及Ti6Al4V-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:(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。Ti6Al4V-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,Ti6Al4V-0.05B的塑性提高了 15%,而Ti6Al4V-0.1B与Ti6Al4V-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。(2)在Ti6Al4V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Ti6Al4V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。(3)在Ti6Al4V-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Ti6Al4V-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%。(4)在Ti6Al4V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,Ti6Al4V-0.05B合金的模拟结果表明,0.05 wt%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： 双脉冲   电弧增材制造   Al-Mg铝合金   低频频率   电弧特性参数   气孔   组织性能  

摘要： 双脉冲电弧增材制造以双脉冲电弧为热源、丝材为增添材料,快速直接成型致密性、力学性能较好的金属材料复杂几何构件,可极大提高材料的利用率、缩短产品的生产周期、降低生产成本,大幅提高生产效率和制造技术的核心竞争力。本课题基于机器人双脉冲电弧增材制造工艺技术,以增材制造过程及工艺为研究对象,对Al-Mg高强铝合金成型制造构件的外观形貌、关键尺寸、气孔、显微组织、机械性能开展分析研究。首先就多层单道构件进行工艺试验研究,探究低频频率和电弧特性参数对多层单道直壁体组织及性能的影响及其规律。当仅改变低频频率时,发现双脉冲电弧消除气孔效果较直流脉冲电弧好,除根部气孔外直壁体上端气孔率低。多层单道截面组织主体由等轴晶组成,基体为α-Al,晶界处密集分布中间相Alo.56Mg0.44,分布形态呈网状结构。随着低频频率从1Hz提高到9Hz,晶粒尺寸和延伸率先减小后增大,显微硬度和抗拉强度先增大后减小,3Hz时取极值。水平拉伸试样比垂直试样的抗拉强度平均高了 8.4MPa,同时,延伸率高了约5%。随电弧特性参数的增大,电流电压波形从矩形转变为梯形再转变为三角形,且脉冲电流变化速率di/dt逐渐降低。随着脉冲电流变化速率di/dt从高到低变化,多层单道直壁体侧表面粗糙度降低,同时上表面的鱼鳞纹越来越浅。平均晶粒尺寸和实际热输入趋势呈W型变化趋势,平均显微硬度和抗拉强度呈现的M型变化趋势,而垂直拉伸件的延伸率呈持续递增趋势。进一步建立简易多层多道构件算法模型,优化改进最优焊道间距的算法,并对其进行实体成型检验,实验结果和理论结果吻合度较高。同时对不同焊道间距的堆敷构件内部气孔作分析比较,发现气孔分布位置主要位于道间和层间的交界,以及焊道底部的中央位置,且当焊道间距为最优距离时,气孔相对最少。最后采用双脉冲电弧增材制造的方法,建立三维几何模型,并进行路径规划和优化轨迹,在线设计编写机器人程序并采用相对最佳的堆敷工艺参数自动堆敷实体构件,最后检测成型尺寸,发现外壁的倾斜角度与理论值相比误差率仅为1.7%,外倒锥体壁厚的离散系数为2.288%,内十字筋壁厚的离散程度为1.898%,两者壁厚均比较均匀,故用此系统通过参数优化和路径规划可堆敷得到预期设计的高强铝合金构件。

关键词： 仿生   贝壳   结构设计   电弧增材制造   力学  

摘要： 天然贝壳的组成结构与力学性能之间存在最佳的匹配规律。贝壳的珍珠层有着"软-硬"交织的层状复合结构和优异的力学性能,这为高性能仿生材料的设计及制造提供了新思路。在研究生物材料的过程中不断开发仿生材料制造新方法已成为研究重点。本文以背角无齿蚌为研究对象,探究其材料组成、微观结构及力学性能特征,分析总结其组成结构与力学性能之间的关系。仿照贝壳珍珠层的结构特点,进行仿生金属结构件的设计,通过TIG电弧增材制造方法打印出具有仿贝壳珍珠层结构的金属结构件,并对其显微组织及力学性能进行研究,用以验证天然贝壳材料的强韧化机制。背角无齿蚌主要成分是CaCO3,由棱柱层和珍珠层构成。密度分布四周较大,向顶部收拢过程中逐渐减小。新鲜贝壳抗弯强度为29.8MPa,加热后明显降低,为3.37MPa。棱柱层的硬度为4～5GPa,弹性模量为60GPa左右;珍珠层的硬度为3.5GPa,弹性模量为70GPa左右,棱柱层比珍珠层硬度大而抗弹性变形能力差。珍珠层的裂纹扩展路径说明,"软硬"交织的结构特征是珍珠层强韧化的关键因素。分析总结得出天然贝壳材料的增韧机制主要有:裂纹偏转、文石片拔出和有机质的连接。仿生电弧增材制造中的焊缝宽度、高度和焊接速度成反比,和焊接电流成正比。搭接率的增加可以提高堆积层上表面的平整度,成形质量更好,搭接率η=33%,成形质量最佳;搭接率η大于50%时容易造成金属结构件向一侧或两侧坍塌。不锈钢结构件底部焊缝的组织为胞状Y奥氏体,夹杂极少蠕虫状δ铁素体;中部组织为γ奥氏体+δ铁素体;最后一层焊缝的组织为β+δ两相区和β相区,其中γ相区又分为胞状β相区和柱状β相区。沿着堆积方向从下到上,晶粒越来越细小;重熔区组织的生长方向垂直于熔合线指向熔池中心;结构件内部组织呈从下往上生长趋势,顶部区域组织生长方向随散热方向改变而发生改变。不锈钢和高氮钢沿堆积方向的硬度从下到上逐渐上升,高氮钢硬度局部呈"V"形变化;两种材料交织结构件的硬度变化趋势呈正弦波形状,波峰为高氮钢硬度,波谷为不锈钢硬度。不锈钢、高氮钢和两种材料交织结构件沿垂直于堆积方向的抗拉强度和塑性都优于堆积方向,不锈钢相对于高氮钢强度小、塑性高;两种材料交织结构件塑性大于高氮钢,低于不锈钢,强度大于不锈钢,低于高氮钢;随高氮钢与不锈钢层数比的增加,其抗拉强度增大而塑性减小;不锈钢、高氮钢沿垂直于单元层方向的冲击功小于平行于单元层方向,高氮钢抗冲击性能小于不锈钢;两种材料交织结构件的冲击功相对高氮钢有所提升,但未达到不锈钢水平,且随高氮钢与不锈钢层数比的增大而减小。

关键词： 等离子弧   增材制造   几何形态建模   组织性能  

摘要： 电弧增材制造技术是金属3D打印的一个重要研究方向,目的是快速生产复杂结构件,其全焊缝组织具有结构致密、力学性能高的特点。本文以等离子弧为热源,ER308不锈钢焊丝为填充材料,开展了对电弧增材工艺及尺寸精度控制的研究,在此基础上完成典型试件的电弧增材制造。首先研究了单层单道及多层单道成形工艺。研究了不同参数下成形形貌及成形精度,制定了工艺参数匹配范围。对起弧熄弧端尺寸偏差较大进行分析并提出尺寸控制策略:对直壁体,利用起弧端成形尺寸大与熄弧端成形尺寸小的特点,采用往复式堆积方式进行互补,同时降低起弧端的电流和送丝速度、增大堆覆速度,增大熄弧端的送丝速度、减小堆覆速度,达到端口尺寸的有效控制;对封闭环形,形成起弧端与熄弧端的搭接,搭接长度为8mm可有效控制搭接处的高度。然后开展了对尺寸精度控制的研究,建立熔敷层尺寸(宽度、高度)与工艺参数(堆覆电流、堆覆速度及送丝速度)之间的模型。采用正交旋转组合试验的方法,利用MATLAB软件拟合得到尺寸与参数的二次回归模型。采用因子置零方法分析单因子及多因子参数对堆覆层尺寸的影响,结果表明参数对层宽尺寸影响大小为:堆覆速度>送丝速度>堆覆电流;对层高尺寸影响大小为:送丝速度>堆覆速度>堆覆电流。由拟合得到的两个方程,通过调节参数可有效控制尺寸,并达到优化参数的目的。接着对堆覆层的显微组织和力学性能进行研究。研究发现不锈钢堆覆构件组织由奥氏体和少量铁素体组成,其抗拉强度较好,达到510MPa以上,且竖直方向高于水平方向。应力分布具有明显的规律:高度方向上,两端硬度高,中间部分硬度低;宽度方向上,两边硬度低,焊缝中心处硬度高。最后,基于等离子电弧增材制造系统,确定了复杂环形壳体的堆覆成形策略,用等离子电弧增材制造技术制造出瓶状壳体件,并检验其外观,结果表明:除去起弧熄弧点处,壁厚最大相对误差为5.37%,最大误差值为0.22mm,熔敷效率达到0.197kg/h。

关键词： 电弧增材制造   焊接工艺参数   焊缝几何建模   成形尺寸规律   二次回归通用旋转组合设计  

摘要： 电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)是一种基于金属丝材熔融沉积的增材制造技术,具有高效率、低成本、成形件致密度高等优点,因而受到了各国学者的广泛关注,然而电弧增材制造成形精度较低的问题限制了该技术的发展和应用。本文采用锐龙NBC 200 GW焊机、H08Mn2SiA焊丝、Q235B基板进行试验研究,通过建立几何模型、回归方程,在焊接速度、送丝速度以及焊接电压多参数耦合下,准确预测电弧增材制造的焊缝截面形貌,探究其成形几何尺寸规律,为提升电弧增材制造成形精度提供理论基础。首先,对电弧增材制造单层单道焊缝成形尺寸规律进行了研究。建立了单层单道焊缝熔宽与熔高关于焊接工艺参数的回归方程,提出了焊缝半椭圆几何模型,能直接由焊接工艺参数模拟出焊缝几何模型,同时对其成形组织及其性能进行了简要说明。分析得出了单层单道成形尺寸的变化规律:焊接速度为主要影响因素,且单层单道焊缝熔宽、熔高与焊接速度呈反比,与送丝速度及电弧电压呈正比。其次,对电弧增材制造单层多道焊缝成形尺寸规律进行了研究。提出了改进后的单层多道焊缝切线重叠几何模型,应用二次回归通用旋转组合设计,建立了该几何模型中焊缝真实中心距关于焊接工艺参数的回归方程,同时对其成形组织及其性能进行了简要说明。分析得出了单层多道成形尺寸的变化规律:焊接速度为主要影响因素,且单层多道焊缝真实中心距与焊接速度呈反比,与送丝速度以及焊接电压呈正比。然后,对电弧增材制造单道多层焊缝成形尺寸规律进行了研究。应用二次回归通用旋转组合设计,建立了单道多层平均熔高与焊接工艺参数的回归方程,同时对其成形组织及其性能进行了简要说明。分析得出了单道多层成形尺寸的变化规律:焊接速度为主要影响因素,且单道多层平均熔高与焊接速度以及焊接电压呈反比,与送丝速度呈正比。最后,对全文进行了总结,并展望了未来的研究。