关键词： 电弧增材制造   成形形貌   图像处理   缺陷识别与定位   缺陷成形优化  

摘要： 近年来,随着科技的进步,电弧熔丝增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)技术得到了各行业上的广泛关注。当前,电弧增材制造有着非常完整的路径规划和切片系统,但对过程中偶然出现的缺陷和成形优化问题的研究较少。本文提出了一种将视觉传感、图像处理和深度学习与六轴机器人运动相结合的方法来对电弧增材制造产生的表面缺陷进行识别和成形优化。 试验通过视觉系统、图像处理、缺陷识别和机器人通讯等来完成上位机软件的开发。由工业相机组成的视觉系统先要对其相机进行标定,来完成缺陷特征点的像素坐标到机器人坐标点的精确转换,通过YOLOv7构建卷积神经网络模型对增材缺陷进行识别,通过缺陷特征点识别来获取缺陷的像素坐标,将缺陷的像素坐标的转换得到机器人的坐标并通过与机器人建立的通讯完成对机器人坐标的发送,控制机器人运动来完成对增材件的成形优化。 首先,搭建了集视觉传感的电弧增材制造系统,明确了视觉系统中四个坐标系的相互关系,完成了相机内外参数的精确标定。采用了两步法进行手眼标定,获得了精确的手眼旋转矩阵。 其次,探究了不同工艺参数下单道单层和单道多层的成形质量,对电流、沉积速度和送丝速度对沉积层尺寸的影响进行了详细的探究。结果表明,沉积层宽度随着电流和送丝速度的增大而增大,超过临界值后反而下降,粗糙度也随之变大。在其它条件不变时,电流为140A,送丝速度为170cm/min沉积层表面形貌良好,宽高比适中。层宽随沉积速度的增加而减小,此外,还建立了增材工艺参数与层高和层宽之间的二次回归方程,确定了工艺参数与成形尺寸之间的关系,为后续切片和路径策略提供基础。 紧接着,将收集的电弧增材缺陷图片进行多算子融合缺陷边缘提取方法,极大克服了噪声对图像边缘提取的影响,获取了更精准的缺陷边缘信息。利用YOLOv7构建卷积神经网络模型对成形缺陷进行识别,通过不断调整模型参数以及最小化损失函数,使缺陷识别率和定位准确率分别达到95%和91.4%。 最后,基于LabVIEW完成了上位机软件的开发和应用,实现了视觉传感系统的标定、图像处理和缺陷识别。建立了了机器人与上位机之间的通讯系统,实现了上位机对机器人的坐标通讯,完成了对增材件的缺陷识别和优化,使增材件达到目标要求。

关键词： Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金   热模拟   多道次热拉拔   组织演变   力学性能  

摘要： Mg-Gd-Y-Zr-Zn镁合金具有低密度、高强度、良好的耐热和耐蚀性能以及良好的高温力学性能等特点,在航空、航天领域受到广泛关注。近年来,电弧增材技术的快速发展为该稀土镁合金复杂零部件快速制备提供了新的技术支撑。然而,由于室温下塑性变形能力差、高温下变形抗力大,导致常规的挤压、拉拔工艺制备Mg-Gd-Y-Zr-Zn合金丝材非常困难,严重制约电弧增材Mg-Gd-Y-Zr-Zn合金部件的发展与应用。因此,亟需开展电弧增材用Mg-Gd-Y-Zr-Zn合金丝材制备技术开发以及相关的微观组织与力学性能演变规律研究。 本文以挤压态Mg-9.5Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金为研究对象,在热模拟试验得到的流变应力-应变曲线的基础上,获得了变形本构模型和再结晶模型;研究了Mg-9.5Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金在热变形过程中的流变行为,探究了其在不同变形温度和应变速率下的组织演化行为。然后,基于热模拟试验结果,采用多道次热拉拔工艺成功制备了电弧增材用Φ1.2 mm Mg-9.5Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金丝材,并研究了多道次热拉拔过程中丝材的微观组织和力学性能的演变规律及其对强化机制的影响,主要结果如下: （1）研究了挤压态Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金在热变形过程中(350℃-500℃,0.001s-1-1 s-1)的流变应力-应变曲线。变形温度越低,应变速率越高,合金的流变应力越大。当变形温度超过450℃时,应变速率越高,动态再结晶软化材料流变应力的现象越显著。 （2）获得了Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金在350℃-500℃的变形温度和0.001 s-1-1 s-1的应变速率下的本构方程,平均激活能为171.150 k J/mol,应力指数为2.422。热加工图显示合金的加工失稳区位于低变形温度（<400℃）和高应变速率(>0.05 s-1)的区域。 （3）Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金包含晶界块状长周期有序相、晶内层片状长周期有序相、富稀土相以及富Zn富Zr相。热变形过程中,合金发生动态再结晶,在1 s-1、400℃条件下,动态再结晶晶粒尺寸最小,为1.14μm;动态再结晶体积分数为20.3%。动态再结晶形核机制取决于合金中位错密度的变化,位错密度较小时,倾向于晶界弓出形核;反之则倾向于亚晶迁移形核。 （4）热拉拔过程中,Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金在高温、变形和动态再结晶共同作用下,平均晶粒尺寸由最初的4.6μm增加到25.9μm,最终减小至6.7μm,同时由随机织构发展为变形晶和动态再结晶的基面织构。热拉拔过程中,合金中晶界块状长周期有序相逐渐被拉长,最终呈现纤维状平行于拉拔方向。 （5）Φ1.2 mm Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金丝材的抗拉强度为553.5 MPa,屈服强度为496.3 MPa,延伸率为2.5%。其中晶界块状长周期有序相相的承载强化是主要的强化机制。经试验,Φ1.2 mm丝材可进行电弧增材成形,试样宏观形貌平整,表面无裂痕,微观组织均匀。

关键词： 5356铝合金   冷金属过渡加脉冲   路径规划   交叉结构   横筋结构  

摘要： 5356铝合金具有一系列优异的性能,如密度低、比强度高、良好的导热性和导电性以及出色的耐腐蚀性和成形性。因此,5356铝合金被广泛应用于航空航天、汽车以及其它民生领域。在工业生产诸多领域中,大型化和轻量化成为高端设备发展的趋势,因此造成设备中的结构制造复杂并且对性能要求变高。其中复杂结构被广泛应用于工业生产中,例如汽车车身和飞机机翼的交叉结构;船舶、飞机和汽车车身上的横筋结构等。传统的加工方式如铸造、锻造和机械加工,一方面很难满足复杂结构的成形质量和成本控制,另一方面很难或者无法成形复杂结构。因此,本文以5356铝合金为研究材料,基于冷金属过渡加脉冲（Cold Metal Transfer+Pluse,CMT+P）技术,对交叉与横筋结构进行电弧增材（Wire Arc Additive Manufacture,WAAM）成形工艺研究,并对成形后交叉与横筋结构的微观组织和力学性能进行分析,具体研究内容及主要结论如下: （1）路径规划对5356铝合金WAAM微观组织与力学性能的影响。针对5356铝合金多层多道实验,设计三种路径规划。通过分析三种路径规划的不同区域强塑性变化规律,探索不同路径规划及不同区域微观组织对力学性能的影响,最终得出最优路径规划。研究表明蛇形往复路径为最优路径规划,其宏观形貌和力学性能优于其余两种路径。三种路径试样水平方向的不同区域均由α-Al基体和β（Al3Mg2）相组成。此外,每种路径的力学性能随着沉积高度的增加而降低,平均晶粒尺寸随着沉积高度的增加而增大。 （2）WAAM成形5356铝合金交叉结构微观组织与力学性能研究。基于第三章的最优路径规划,对交叉结构成形设计两种区域划分,通过分析两种区域划分的不同区域强塑性变化规律,探索两种不同区域划分及不同区域微观组织对力学性能的影响,最终实现最优区域划分。研究表明区域划分二为最优区域划分,其宏观形貌和力学性能优于区域划分一。每种区域划分试样的力学性能随着沉积高度的增加而降低,平均晶粒尺寸随着沉积高度的增加而增大。 （3）WAAM成形5356铝合金横筋结构微观组织与力学性能研究。基于第三章的最优路径规划成形横筋结构。横筋结构由圆筒和横筋部分组成。分别对圆筒部分、结合部分和横筋部分的不同区域的微观组织与力学性能进行研究。研究表明圆筒部分力学性能最高,其力学性能随着沉积高度的增加而降低。圆筒部分和横筋部分的不同区域组织构成均由等轴晶区与柱状晶区呈周期性层状交替分布,而结合部分左侧为柱状晶,右侧柱状晶重熔后为等轴晶。圆筒部分的平均晶粒尺寸随着沉积高度的增加而增大,而横筋部分的平均晶粒尺寸随着沉积高度的增加无明显变化。

关键词： 2319铝合金   CMT电弧增材制造   工艺优化   组织与性能   磁场辅助  

摘要： 2319铝合金属于2000系铝铜合金,因其具有比强度高、综合性能好,特别是在高、低温条件下性能稳定,抗腐蚀能力强等特点,被广泛应用于航空航天领域,如制作飞机蒙皮、飞机双面翼梁等。随着航天工业的日益发展,航天结构件趋向于复杂化和大型化,而增材制造技术凭借制造效率高、节约成本等优势逐渐成为2000系铝合金结构及零部件制造的重要发展方向。相比于激光增材制造、搅拌摩擦增材制造和电子束增材制造等增材技术,电弧增材制造具有设备成本低、成形速率快等优势,其中冷金属过渡电弧增材制造（Cold Metal Transfer-Wire Arc Additive Manufacturing,CMT-WAAM）热输入低,飞溅少,适合铝合金的增材制造。本文系统研究了2319铝合金的电弧增材制造工艺,分析了工艺参数对增材制造铝合金成形和组织性能的影响规律,研究后续热处理对组织和性能的影响,并引入磁场辅助工艺,研究了外加磁场对成形件组织和性能的作用机理。 首先,对2319铝合金电弧增材制造工艺进行了研究,分析了沉积电流、扫描速度以及沉积间隔时间对成形件表面质量、微观组织和力学性能的影响。当沉积电流为90A,扫描速度为0.4m/min,沉积间隔时间为90s时试样成形较好,表面平整,气孔数量较少,组织由α-Al基体和网状共晶组织（α-Al+θ-Al2Cu）构成,第二相θ-Al2Cu粒子分布于晶间。力学性能较好,成形件沿增材方向的抗拉强度为253MPa,延伸率为15.6%;沿扫描方向的抗拉强度为252MPa,延伸率为13.9%。 其次,研究了热处理工艺对电弧增材制造2319铝合金成形件组织和性能的影响,经试验优化后确定的热处理工艺参数为:固溶处理540℃/6h+时效处理175℃/6h。成形件经固溶处理后,网状共晶组织和第二相溶于α-Al基体中,再经过时效处理,第二相从基体中析出弥散于晶间,并伴有再结晶的现象。沿增材方向的成形件抗拉强度为384MPa,屈服强度为244MPa,延伸率为18.5%;沿扫描方向的抗拉强度为379MPa,屈服强度为228MPa,延伸率为20.3%。 最后,研究了磁场辅助对电弧增材制造的影响。调节励磁电流,成形件的表面质量随着电流的变化发生明显改变,当励磁电流达到3A时,成形件表面无波浪状起伏,组织软化区的粗大柱状晶尺寸减小,沿增材方向的抗拉强度为269MPa,延伸率为20.5%;沿扫描方向的抗拉强度为268MPa,延伸率为19.5%,相比于无磁场辅助的成形件力学性能均有提升。研究发现,磁场辅助增材制造过程中,外加磁场对电弧中带点粒子作用后能够形成稳定电弧的力,与通过焊丝和熔滴的电流作用产生旋转的力,搅拌熔池达到细化晶粒的目的,揭示了外加磁场对2319铝合金电弧增材制造成形的强化机制。

关键词： 电弧增材制造   308L不锈钢   成形精度   热处理   层间冷却   梯度电流  

摘要： 电弧熔丝增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)是一种先进的生产制造技术,在电弧产生的热量下使焊丝充分熔化,逐层堆积实现三维零件制造。该技术具有效率高、周期短、成本低以及设备简单等诸多优势。308L不锈钢具有较低的碳含量,表现出优异的焊接性能、抗裂性能和耐蚀性能。在WAAM应用中,308L可以用于焊接304不锈钢,这是因为308L具有良好的耐腐蚀性和力学性能,适用于与304不锈钢基材相匹配的焊接,广泛用于石油化工、压力容器、核反应堆、船舶制造、医疗以及化工设备等领域。尽管WAAM具有很多优点,它也存在一些挑战和限制,例如材料制造精度的控制以热循环造成的沿构建方向性能不均匀等问题。针对以上存在的问题,本文基于WAAM过程中控形和控性的角度,开展了308L不锈钢WAAM试验。具体研究内容如下: 首先,通过正交设计试验方案,基于响应面法建立了308L不锈钢WAAM工艺参数(焊接电流、焊接速度)以及焊接影响因素(钨极尖端角度)与焊缝成形尺寸(熔高、熔深、熔宽、润湿角、稀释率)之间的数学模型,然后结合具体的单道单层焊缝试验结果进行方差分析(ANOVA),分析了焊接电流、焊接速度和钨极尖端角度对焊缝成形的影响。建立的模型能够准确反映工艺参数与焊缝成形尺寸之间的关系,可用于预测焊缝的成形情况。该模型揭示了焊接电流、焊接速度和钨极尖端角度对焊缝成形的影响规律,确定了最佳的参数组合区间,建立了参数组合数据库,为单道多层成形件增材制造提供了基础。同时,进一步的研究了参数优化以及摆动对单道多层成形精度的影响,为单道多层增材制造中遇到的问题提供了合理的解决方案。 其次,为了解决增材过程中由于热积累造成的成形件沿着构建方向性能不均匀的问题,研究了热处理、层间冷却、梯度电流对改善308L WAAM成形件沿构建方向性能不均匀的影响。其中,热处理通过改善薄壁墙组织达到改善性能不均匀的问题;层间冷却通过控制层间温度,阻断大的柱状晶的跨层生长,减小各向异性来改善性能不均匀的问题;梯度电流通过控制从底部到顶部热量输入、热量损耗和热量积累三者之间的平衡改善性能不均匀的问题。 综上所述,本研究使用WAAM工艺,建立了308L薄壁墙的参数组合数据库,实现了对增材制造成形件精度的控制,并改善了WAAM成形件沿构建方向性能不均匀的问题。对WAAM技术的发展和应用具有重大的意义。

关键词： 铝合金   电弧熔丝增材制造   磁场   微观组织   力学性能  

摘要： 铝合金具有轻质高强,良好的导热性及耐蚀性等优点,在航空航天、国防等领域被广泛应用。随着科技的发展,传统的制造方式已经很难满足对小批量定制化零件的制造需求,电弧熔丝增材制造(Wire arc additive manufacturing,WAAM)可以在满足上述要求的基础上实现对大型铝合金构件的制造。但铝合金WAAM构件存在的成形精度不足、力学性能不达标、缺陷风险较大等问题仍未得到合理解决。而熔滴作为传热传质重要介质,对构件沉积精度和制造效率存在重要影响。对此,本文针对冷金属过渡技术(Cold metal transfer,CMT)的熔滴过渡行为,利用高速摄像系统对其进行数据采集,以分析辅助磁场对熔滴过渡行为的影响规律。进一步,结合光学3D扫描系统、SEM、TEM等微观组织分析手段,对沉积构件的成形质量、微观组织及力学性能进行研究,研究内容和结果如下: 基于高速摄像结果,研究磁场强度对熔滴过渡行为的影响。发现随着磁场强度的提升,熔滴的过渡形态由无磁场时的球形向椭球形、饼状、环状液束转变,并在磁场强度过高时会出现大量飞溅。同时,磁场强度的提升,也会使射滴阶段的熔滴过渡次数增加。 基于宏观形貌与表面平整度,对不同磁场强度作用下的构件成形质量进行评价。发现磁场对构件表面的熔池流淌及混层现象起抑制作用,但过高的磁场强度再次诱导熔池流淌及混层现象的发生。构件的表面平整度随着磁场强度的提升呈现先减小后增大的趋势,最小标准偏差为0.392 mm,相比无磁场时降低了25.05%。 在磁场的辅助下,构件的晶粒有效的被细化。当磁场强度为12 m T时,磁场对晶粒的细化效果最明显,构件各区域的柱状晶组织均有所减少,并且构件上部和中部区域的组织基本为等轴晶组织,构件中部区域晶粒尺寸更加均匀细小,平均晶粒尺寸相比无磁场时降低了25.2%。在力学性能方面,构件的显微硬度相比无磁场时有小幅度提升,硬度值的分布范围更窄、更加集中。构件的拉伸性能随着磁场强度的提升呈现先增加后减小的趋势,并在磁场强度为12 m T时构件获得了最佳拉伸性能,抗拉强度为228.33 MPa,屈服强度为127.59 MPa,延伸率为11.0%。