关键词： 微控电弧   增材制造   力学性能   微观组织   成形质量  

摘要： 丝材电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacture,WAAM)利用电弧作为热源熔化丝材并采用逐层连续沉积的方式进行零部件的成形制造,该方法具有设备简单,制造成本低、快速沉积、材料利用率高等优点。但是,丝材电弧增材制造过程中,会由于热输入大、热量分布不均匀等问题,从而造成电弧增材制造层间中心过度重熔而层间边缘熔合不良、易产生裂纹和气孔等缺陷,严重影响其成形质量和力学性能。针对以上问题,提出一种利用微小控制电弧轨迹的新型增材制造工艺,以改善上述问题。本文首先设计了微控电弧增材制造焊炬,然后以φ1.0mm的304不锈钢焊丝为填充材料,开展了微控电弧增材制造试验研究,通过研究不同电弧轨迹参数对熔滴过渡、构件成形、微观组织和力学性能的影响规律,优化微控电弧增材制造工艺参数,揭示基于微小控制电弧轨迹304不锈钢电弧增材制造的强化机制,建立了工艺-组织-性能之间的关系。 首先设计了微控电弧增材制造焊炬,其中包括传动系统、导电系统、气体保护、送丝系统和水冷系统等。该焊炬采用弯曲导电嘴,利用步进电机控制齿轮正反转,使得电弧进行周期性摆动,经检验该焊炬焊接稳定,可进行长时间持续稳定的进行焊接工作。 其次以304不锈钢为例,利用高速摄像系统对比分析了普通电弧和微控电弧下不同摆动角速度、摆动角度、送丝速度的熔滴过渡。结果表明,微控电弧使得电弧轨迹发生明显变化,热量分布更加均匀,电弧对上一层的沉积层的挖掘能力减弱,消除了指状熔深;针对送丝速度、摆动角速度、摆动角度及边缘停留时间进行了三组普通电弧单层单道沉积试验和四因素三水平微控电弧单层单道正交沉积试验。探讨了微控电弧工艺参数对单层单道沉积成形、余高、熔宽、微观组织和显微硬度的影响规律。结果表明,送丝速度和摆动角度对余高和熔宽具有显著影响。当焊接速度为4.5mm/s、摆动角度为60°、边缘停留时间为300ms、送丝速度为8m/min、摆动角速度为600°/s时,可获得成形质量较好、沉积稳定、表面光滑的单层单道沉积层。 最后基于单层单道沉积试验较好的成形基础,探究了摆动角速度和焊接速度对于304不锈钢增材制造构件成形、微观组织、显微硬度的影响。与普通电弧相比,微控电弧增材制造构件宽度明显增加,外观表面出现缠绕形沉积层,但基板都发生轻微变形,说明在增材制造过程中存在较大的残余应力。通过金相组织发现,随着摆动角速度的增加,层间熔合区微观组织从单一骨架状铁素体经过蠕虫状和骨架状混合铁素体,进而转变为单一蠕虫状铁素体,奥氏体晶粒尺寸减小且生长方向发生改变。微观组织的不同也使得力学性能发生明显差异,无论是普通电弧还是微控电弧横向抗拉强度明显大于竖向,但在微控电弧下,随着摆动角速度的增加,竖向抗拉强度呈现先增大后减小的趋势,横向和竖向抗拉强度差异明显减小,促进了各项同性。当摆动角速度为600°/s时,相比于普通电弧,微控电弧增材制造横向和竖向的抗拉强度分别提高了2%和6%。

关键词： 电弧增材制造   船舶摇荡   成形形貌   深度学习   过程监测   电弧熔滴熔池  

摘要： 电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,简称WAAM)技术,以其低成本、快速净成形等显著特点,可为海洋与船舶领域带来了巨大的经济效益。然而,船舶在海洋环境中的动态摇荡行为,导致电弧、熔滴、熔池的行为发生改变,从而严重影响了WAAM的表面成形质量,成为制约其在船舶领域进一步应用的关键难题。目前,通过机器学习进行视觉监测并通过反馈控制来改善WAAM表面成形质量成为研究热点。现有的监测方法大多难以全面揭示摇荡环境下电弧、熔滴、熔池与最终表面成形质量的复杂关联机理。为此,本文提出建立以电弧、熔滴、熔池为监测对象的自动化监测系统,揭示摇荡环境中这些参数与表面成形质量之间的内在关联。具体研究工作如下: 1.通过系统的基础实验,揭示了不同摇荡参数对WAAM表面成形质量的影响规律。首先,搭建了船载电弧增材制造的模拟平台,并使用逆向扫描方法建立起薄壁样件的表面质量评价标准。在实验过程中,当打印方向和摇荡运动(θ向摇荡)所绕轴平行时,薄壁两侧会受到显著影响,其表面成形质量的标准偏差稳定在0.4～0.6的范围内;而当打印方向和摇荡运动(φ向摇荡)所绕轴垂直时,薄壁件顶侧会受到影响,其标准偏差在0.1～0.2;此外,Z方向升沉运动下的薄壁两侧和顶侧的标准偏差则维持在较低水平;当模拟真实船舶摇荡,即θ、φ、Z方向复合摇荡时,薄壁两侧表面标准偏差显著增大,达到0.93以上,而顶侧的标准偏差也上升至0.35以上。这一发现表明,在真实船载摇荡环境下WAAM表面成形质量的控制会十分困难。 2.为解决电弧熔滴、熔池图像预测分类模型所面临的冗余性、时序性等问题,本研究结合了YOLOv5s目标检测算法与LSTM(长短时记忆网络)、TCN(时序卷积网络)时序预测方法。初始LSTM模型的均方根误差(RMSE)约为0.95,而TCN模型的RMSE约为0.82。通过调整模型的输出层,并从离散的电弧熔滴目标中扩展出熔滴数目、熔滴偏离角度、弧偏角、飞溅数量等特征序列。LSTM的验证RMSE降低至0.6,TCN的验证RMSE降低至0.4,显著提升了预测性能。而针对熔池图像预测模型方面,采用了具备时空感知能力的轻量化3DCNN模型,Mobile Net V2和Shuffle Net V2进行识别分类,识别准确率最高的模型准确率达到了73%,为熔池状态的实时监测和分类提供了有效手段。 3.针对摇荡环境下WAAM成形过程内在机理难以定性定量的问题,本文采用小波变换、目标检测等多重方法进行分析。研究发现,由正常的射滴过渡转变为大滴排斥过渡;电弧形态发生异常,出现残次电弧;熔池形貌轮廓也明显恶化,弧偏角和熔滴偏离角均显著增加。高速相机捕捉的画面中,熔滴过渡时间增加,熔滴变大并发生旋转,可能是因为摇荡过程中氧气因对流进入阳极区,导致阳极区导电性降低,进而导致大滴排斥过渡。此外,电磁力方向向上阻碍熔滴过渡,而绕熔滴质心旋转的力偶则是大滴排斥过渡并发生旋转的直接原因,熔化速率的降低则是短路过渡产生的直接原因。最后,经温度传感器监测和熔池图形二值化处理后,发现随着海况的提升,熔池形态逐渐变得扭曲,熔池出现了严重的流淌和凹坑缺陷。

关键词： 电弧增材制造   同步气冷辅助   镁合金   成形成性  

摘要： 基于冷金属过渡电弧的镁合金构件增材制造技术作为近年来的研究热点,具有广阔的应用和发展前景。但是,由于镁合金材料特殊的热敏感特性,其构件在电弧增材制造过程中因热积累效应易出现熔池流淌、组织软化和性能下降等问题。采用强制冷却的方式有助于降低制造过程的热积累程度,因此,本文针对镁合金电弧增材制造技术特点,在设计研制同步气体冷却系统装置的基础上,进一步探究了一种同步气冷辅助镁合金电弧增材制造新工艺及其应用效果。 设计开发了一种新型的同步气体冷却系统装置,并通过工艺实验验证了装置的实用性。该装置通过协同控制冷却气体的开通与关断,调节出气口的位姿参数和形状特征,具有冷却气体与电弧交互和不与电弧交互两种同步气冷功能,进而实现对焊接电弧热源形态和熔滴熔池冷却效果的有效调控。 开展了同步气冷不同模式和不同参数单道沉积实验,分别研究了气冷模式和气冷参数对单道沉积焊接性的影响。结果表明,当冷却气背向电弧时不会对熔滴过渡产生明显的影响;当冷却气面向电弧时,能够收缩电弧,提高峰值电压,增加熔滴过渡周期时间,降低热输入,对熔池具有明显的冷却效果,进而细化沉积层晶粒。此外,随着气口焊丝间距的增加,热输入逐渐提高,同步冷却效果逐渐减弱,沉积层晶粒尺寸逐渐增大;随着冷却气流量的增加,同步冷却效果具有明显的“拐点”,沉积层平均晶粒尺寸呈现先逐渐减小后逐渐增大的变化规律。 对比分析了薄壁构件增材制造有无同步气冷辅助的效果,研究表明,同步气冷辅助条件下,气流氧化和冷却作用虽然造成了构件成形表面一定的粗化,但是显著降低了沉积层的热输入和构件整体的热积累、增大了层间冷却温度梯度、改变了熔池凝固晶粒形成的模式、降低了柱状晶区域的占比、细化了沉积层晶粒。同步气冷辅助增材制造构件的横向和纵向抗拉强度分别提升了14.0%和11.4%,拉伸断口呈现典型的准解理断裂特点、具有更深的撕裂脊和韧窝特征。 综上,本文提出的一种同步气冷辅助镁合金电弧增材方法可以降低制造过程的热积累程度,为大尺寸镁合金电弧增材构件的性能改善与提升提供了新的解决思路。

关键词： 氩弧重熔   激光重熔   电弧增材制造   ER316L奥氏体不锈钢   表面质量  

摘要： 与传统的加工制造技术相比,电弧增材制造技术具有产品几何自由度高、生产成本低、生产效率高等特点,可以制备大尺寸复杂结构零部件,实现精准制造。电弧增材制造技术以电弧为热源,金属丝材为原料进行逐层沉积成形,在钢结构生产、船舶桥梁等相关行业都得到应用。但电弧增材制造成形件也存在成形质量不高,尺寸精度低等问题。 本文研究了重熔工艺对电弧增材成形件性能的影响。以Q235碳钢为基板,ER316L奥氏体不锈钢焊丝为原材料进行单道多层沉积成形,对成形件表面分别进行氩弧重熔及激光重熔工艺处理,分析研究重熔工艺对电弧增材成形件的表面质量及性能的影响。通过使用激光光谱共聚焦显微镜、金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、显微维氏硬度测试仪、智能检测磨损测试仪以及CHI660E电化学工作站等设备,探究氩弧重熔工艺(重熔电流、扫描速度)以及激光重熔工艺(激光功率、扫描速度)对成形件的宏观形貌、表面粗糙度、微观结构、显微硬度、耐摩擦磨损性能以及耐腐蚀性能的影响规律。 氩弧重熔工艺研究表明重熔后试样表面质量得到改善,表面沟壑减少,较大的波峰波谷基本消除。表面较为平滑,没有明显的不规则起伏,表面粗糙度得到有效降低。当重熔电流为90A,扫描速度为4mm/s时,重熔后试样表面成形质量最好。氩弧重熔试样内部组织主要是由重熔区、热影响区以及未重熔区组成。重熔区的晶粒尺寸得到细化,主要由分布均匀的等轴晶粒组成,热影响区主要为垂直于重熔线生长的柱状组织,未重熔区的晶粒组织粗大,以骨骼状为主。随着重熔电流以及扫描速度的变化,晶粒尺寸变化不明显。重熔处理后试样表层的显微硬度得到提高,抵抗塑性变形或者表面破坏的能力增强。摩擦磨损测试发现,试样的磨损表面均存在大量划痕、碎片剥落以及磨屑。平均质量损失为0.049 g,与沉积态的平均质量损失0.057 g相比,降低了16%,平均摩擦系数也下降了12.75%,均说明试样的耐磨损能力得到提高。重熔后试样表面具有更小的自腐蚀电流密度,耐蚀性提高。分析其原因是由于重熔后试样表面出现大量晶界以及位错,晶界密度增加,钝化膜的生成及修复速率提升,紧密度和稳定性得到有效改善,有利于金属耐蚀性的提高。 激光重熔工艺研究表明重熔后试样表面形貌得到有效改善。表面粗糙度减小,波峰与波谷之间的高度差降低,仅存在较为细小的金属颗粒,以及少量的凸起和凹坑。激光重熔扫描轨迹较为明显,表面呈现光滑状态。当激光功率采用1000 W以及1100 W,扫描速度采用8 mm/s、9 mm/s及10 mm/s时,重熔后试件的表面质量都得到改善,平整度较好,因此采用激光重熔改善成形件表面质量的工艺裕度较大,便于生产工艺的制定。激光重熔试样截面的微观组织与氩弧重熔试样截面的微观组织变化相似。重熔区存在分布均匀的等轴晶,晶粒得到细化,热影响区主要是以柱状组织为主。重熔后试样表层的显微硬度值升高,耐磨损性能也得到相应的改善。重熔后试样的耐蚀性能得到提高,分析其原因主要是由于重熔区组织晶粒得到细化,晶界密度增加,钝化膜的紧密度和稳定性得到有效提升。同时在激光重熔工艺较高的冷却速度下,δ相(高温铁素体)在重熔区内部组织中的含量占比增加,σ相(Fe-Cr金属间化合物)的含量占比减小,从而提高了材料的耐腐蚀能力。