关键词： 电弧增材制造   三通管件   无损检测   相控阵超声检测   专用检测试块  

摘要： 近年来,增材制造技术发展十分迅速,给制造业的制造工艺带来了革命性变化,电弧增材制造(WAAM)技术是增材制造技术的下属分支之一,在大型化、整体化特殊结构件制造方面,具有低成本、高效快速近净成形的优点。随着我国石油与天然气行业的高速发展及长输管道的架设,对三通、弯管等异形管件有了更高的技术要求,电弧增材制造技术在异形管件制造领域有广阔的应用前景,但是对于电弧增材制造管件的无损检测技术研究还没有深入研究。本文以国内某研究院电弧增材制造三通管件为研究对象,进行不同无损检测技术在电弧增材制造管件上的适用性研究。 本文首先调研了关于增材制造结构件无损检测的研究现状,分析目前常用的无损检测技术原理与方法,参照NB/T47013.3和JB/T 8428-2015标准设计了电弧增材制造三通管件的专用检测试块,用长横孔、平底孔模拟三通制造过程中可能会产生的气孔、夹杂等体积型缺陷。采用CIVA无损仿真软件对专用检测试块进行了相控阵超声检测过程模拟,探索合适的相控阵探头参数,并采用HSPA20-Ae型号相控阵超声设备对专用试块进行缺陷实测分析,试块内部的人工孔洞缺陷深度检测的测量值基本准确,其自身高度检测值与实际值较为接近。实物试验还采用常规超声、射线和切向涡流三种不同的无损检测方法对检测试块的缺陷进行探伤,并与相控阵检测结果进行对比分析。 试验结果表明:相控阵超声检测技术和常规超声检测技术在电弧增材制造三通管件缺陷检测方面有很好的检测效果,且检测精度很高,缺陷可检出率为100%,可以组合使用对电弧增材制造管件的内部缺陷进行检测;射线检测检出专用检测试块中的所有19个缺陷中的14个,且自身高度2mm的缺陷射线较难检出,缺陷可检出率为73.7%;切向 涡流检测可有效检出专用检测试块中的9个表面缺陷,缺陷可检出率100%。

关键词： 双丝电弧增材制造   层间旋转摩擦   多肋薄壁铝合金构件   晶粒细化   氢气孔缺陷   分区制造   路径规划  

摘要： 航空航天领域中有许多高性能、复杂结构的多肋薄壁铝合金构件。电弧增材制造是高效成形此类构件的有效方法,但常面临晶粒粗大、氢气孔缺陷多、复杂肋板结构成形精度低等难题,导致成形的构件有时无法满足使用要求。 针对上述难题,本文提出双丝电弧增材-旋转摩擦制造创新方法,利用双丝合金化调控沉积层细晶组织,层间旋转摩擦减少氢气孔缺陷,建立新型分区制造与路径规划工艺提升构件成形精度。为此,开展了双丝电弧增材-旋转摩擦制造系统研制、双丝电弧增材制造沉积金属的成形行为与组织性能、层间旋转摩擦对沉积金属氢气孔与组织性能的影响、多肋薄壁构件双丝电弧增材-旋转摩擦制造工艺等研究,并应用于飞行器舱段、运载火箭过渡段框的制造。主要结论如下: （1）研制出多单元协同的双丝电弧增材-旋转摩擦新型制造系统。双丝电弧增材单元的主丝为熔化极,形成电弧,沉积基体金属;协同丝为含碳化钒（VC）的粉芯丝材,旁轴协同进给至电弧内熔化,向熔池中引入VC调控细晶组织。双丝沉积过程中协同层间旋转摩擦,机器人带动旋转的摩擦头对每个沉积层旋转摩擦挤压,引起沉积金属塑性变形,进而闭合并消除内部氢气孔缺陷。PC机总控单元进行多单元参数设置与高精度路径规划,实现多肋薄壁铝合金构件高性能、高精度成形。 （2）揭示了双丝电弧增材制造沉积金属的成形行为与组织细化机理。协同丝的熔滴受电磁力、等离子流力作用在主丝下方过渡,随送丝速度增加,过渡形式由粗滴过渡转变为稳定的接触过渡,提高了沉积金属成形的直线度与平整度。双丝协同引入VC后形成了少量棱片状Al10V相,与α-Al呈（444）Al10V//（020）α-Al位向关系;VC、Al10V与α-Al的原子、晶面错配度均小于3.5%,促进了α-Al异质形核并钉扎晶粒长大,使沉积金属组织由粗大的柱状枝晶转变为晶粒尺寸20μm以内的均匀等轴细晶。 （3）揭示了层间旋转摩擦消除铝合金沉积金属氢气孔缺陷的机理。旋转摩擦过程中沉积金属在摩擦热、沉积余热和挤压力耦合作用下塑性变形,氢气孔随沉积金属变形而被压缩和闭合,回复/再结晶使气孔周围形成大量亚晶粒,并长大和联结,消除闭合的气孔;同时[H]被位错、大角度晶界等晶格缺陷所捕获,减少了由于[H]失稳扩散而引起的气孔粗化。旋转摩擦后5A06、2319铝合金沉积金属分别呈99.72%和99.67%的高致密度,抗拉强度相较于沉积态金属分别提高了22.8%和36.4%以上。 （4）研究了多肋薄壁构件双丝电弧增材-旋转摩擦制造工艺。根据多肋薄壁结构特征,提出了基于切面法向与单侧轮廓协同原则的新型分区制造工艺策略,将切面法向各异的内/外侧肋板、主体薄壁分区成形,使各区域制造路径连续以提升成形表面精度。开发了多肋薄壁结构沉积与旋转摩擦路径规划算法,其中,无支撑肋板规划变位沉积路径,使原悬垂状态的沉积熔池转变为恒水平状态以提高肋板成形精度;曲面薄壁采用垂直姿态沉积与变姿态旋转摩擦路径,利用期望函数优化垂直姿态沉积工艺参数,并随薄壁曲面倾角实时调节旋转摩擦姿态,提高复杂曲面薄壁成形精度。 利用开发的双丝电弧增材-旋转摩制造系统与工艺技术,成形了内侧多肋、变截曲面薄壁的5A06铝合金飞行器舱段,以及外侧多肋、圆环曲面薄壁的2319铝合金运载火箭过渡段框。成形构件的尺寸偏差均在±1.24 mm以内;5A06铝合金飞行器舱段的水平、垂直方向平均抗拉强度分别为381.0 MPa和378.9 MPa,2319铝合金运载火箭过渡段框的水平、垂直方向平均抗拉强度分别为441.3 MPa和436.5 MPa。构件不同方向的抗拉强度差值均在10 MPa以内,力学各向异性较低。

关键词： 4043铝合金   超声振动   脉冲电弧增材制造   微观组织形貌   力学性能  

摘要： 随着工业4.0时代的到来,作为驱动数字化先进制造技术之一的金属增材制造技术也被越来越多的研究人员进行探索。4043铝合金因其具有密度小、产量较高且焊接性良好等特点,在航空航天、汽车制造等工业领域中应用广泛。在铝合金零件生产制造过程中,传统的机械加工与铸造、锻造等加工方法无法满足零件快速制造及修复的需求,TIG电弧增材制造技术具有材料利用率高、飞溅小、设备成本低等优势,是高性能大型金属结构件一体化制造的关键解决方案,故铝合金电弧增材制造被广泛运用于航天飞机、汽车制造等领域中,但由于铝合金电弧增材制造过程中易产生气孔、夹杂等缺陷,且电弧增材制造过程难以控制热输入大小导致铝合金结构件力学性能较差,制约了铝合金电弧增材制造技术的发展。 基于此,本文针对4043铝合金电弧增材制造薄壁构件成形、力学性能较差及产生的气孔较多等问题,通过采用超声振动辅助脉冲电弧增材制造技术,开展4043铝合金电弧增材制造研究。对解决4043铝合金电弧增材制造成形精度不高、增材制造过程中易产生气孔导致力学性能较差等问题提出了实践依据,对4043铝合金电弧增材制造在航天飞机、汽车零件制造领域的应用具有工程价值。具体开展以下研究: (1)首先大范围确定4043铝合金单道成形工艺参数(焊接电流、焊接速度、送丝速度、脉冲频率),获取最优工艺窗口,研究工艺参数对4043铝合金单道成形的影响机理。实验发现,随着焊接电流的增大,焊缝的熔宽、熔深同时增大;送丝速度对焊缝成形影响极大,送丝速度的增加使得单位时间内焊丝熔覆量增大,焊缝余高增加;通过添加脉冲,对熔池施加电磁吹力,焊缝成形扁而平,有利于后续的电弧增材制造稳定性。当焊接电流为130 A,送丝速度为28.57 mm/s,脉冲频率为20 Hz时获得4043铝合金最优单道成形。 (2)采用最优工艺窗口进行4043铝合金脉冲TIG电弧增材制造,分别研究不同增材制造工艺参数(焊接电流、脉冲频率)对增材制造结构件成形、微观组织、力学性能的影响。研究表明:当焊接电流从120 A增大至140 A,增材制造构件成形最大高度逐渐降低,当焊接电流为130 A时,成形精度最好,抗拉强度与显微硬度最高;相较于未添加脉冲,添加脉冲可以使增材制造构件成形最大高度逐渐降低,晶粒逐渐细化,当脉冲频率为20 Hz时,成形最好,综合力学性能最优。最优增材制造工艺参数:焊接电流为130 A,脉冲频率为20 Hz。 (3)研究不同超声振动功率对4043铝合金增材制造成形、微观组织、力学性能以及气孔产生的影响,结果表明,当超声振动功率从0 W增大至700 W时,增材制造成形精度系数先增大后减小;晶粒形貌与尺寸大小发生改变,但无新相生成。增材制造成形试样平均显微硬度先降低,再逐渐增大,当超声振动功率为600 W时,平均显微硬度最低为74.23 HV,当未添加超声振动时,平均显微硬度最高为84.22 HV,提高了约12.5%。由于超声波在介质中传播时具有空化效应,易产生气泡,故对增材制造过程中产生的气孔进行统计分析,分析可得,当超声振动功率为700 W时,气孔数最多,且气孔直径较大,部分气孔直径大于15μm。

关键词： 电弧增材制造   工艺参数   微观组织   力学性能  

摘要： 电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM）因其高效的成型速度和相对经济的设备投资,逐渐成为大型铝合金组件制造的重要趋势。然而,该技术特有的逐层堆积成型过程常引发内部微观结构的不一致性,这对部件的机械性能产生不利影响,并制约了该先进技术的广泛采纳和普及。为了提升WAAM加工的铝合金部件性能,以WAAM 2219铝合金构件作为研究焦点,全面探讨了其在不同送丝速度、增材速度及层间等待时间等工艺参数对材料宏观成形形貌、微观结构及力学性能的影响规律,揭示其机理。 首先,通过开展2219铝合金成形工艺研究,分析了送丝速度和增材速度对单道单层成形的影响规律。结果表明,当送丝速度为4.0 m/min、增材速度为8 mm/s时,单层焊道的焊接过程稳定,单层焊道表面平滑,飞溅少,没有咬边的现象,具有很好的成形特性和组织结构。接着,对单道多层成形工艺进行了深入研究,并探讨了关键的工艺参数（如送丝速度、增材速度和层间等待时间）如何影响直壁件的宏观形貌、微观结构和力学特性。在送丝速度为4.0 m/min、增材速度为8 mm/s以及层间等待时间为60 s时,直壁件的表面平整度整洁,尺寸精度也相当高,从而实现了最佳的成形效果。采用最佳的工艺参数,可以有效地降低成形试样的气孔缺陷,使成形试样的气孔率小于0.2%。最后,对单道多层组织及性能研究,结果显示:CMT-WAAM铝合金的微观组织结构是由α-Al基体和α-Al+θ（Al2Cu）的共晶组织组成,而工艺参数主要决定了共晶组织的形态,这些形态会在网状、长条状和颗粒状之间发生变化。在送丝速度为4.0 m/min、增材速度为8 mm/s以及层间等待时间为60 s时,直壁件展现出了最佳的拉伸性能。在送丝方向上,其抗拉强度和延伸率分别达到250 MPa和12.7%;而在增材方向上,拉伸性能分别为207 MPa和8.6%,拉伸断口的断裂形式为韧性脆性混合断裂,且各工艺参数下拉伸性能未表现出明显的差别。 在单道多层工艺的基础上,选择合适的工艺参数,成功制备出复杂曲面薄壁零件,实际成形效果表明,曲面薄壁零件轮廓清晰,表面平整光滑,成形效果良好。表明不同工艺参数对材料宏观成形形貌、微观结构及力学性能的影响规律具有科学合理性,能够有效指导复杂结构铝合金的增材制造,较好地提高成形质量。

关键词： 电弧增材制造   304不锈钢   316L不锈钢   层间温度   机器学习  

摘要： 电弧增材制造技术是一种先进的材料制造技术,结合了传统焊接工艺与现代增材制造理念,具有沉积效率高、材料利用率高、成本低、生产周期短等优点,适用于大型金属结构的快速制造。本文以304与316L不锈钢焊丝为原材料,研究了不同材料与不同层间温度对电弧增材直壁件的显微组织与性能差异,使用机器学习分析层间温度、层数对电弧增材直壁件耐腐蚀性能的影响。 首先,研究了相同工艺下304与316L不锈钢直壁件的显微组织与性能。结果表明,316L不锈钢直壁件的最大抗拉强度为559 MPa,最大延伸率为10.09%。304不锈钢直壁件的最大抗拉强度为311 MPa,最大延伸率为15.32%。316L不锈钢直壁件的电荷转移电阻Rct为0.277 MΩ·cm2。304不锈钢直壁件的电荷转移电阻Rct为0.042 MΩ·cm2。与304不锈钢直壁件相比,316L不锈钢直壁件的表面成形质量较差,但其力学性能、耐腐蚀性能较为优异。 其次,研究了150℃与250℃层间温度下316L不锈钢直壁件的显微组织与性能。研究发现,150℃下直壁件的最大抗拉强度为559 MPa,最大延伸率为10.09%,250℃下直壁件的最大抗拉强度为513 MPa,最大延伸率为10.79%。150℃下直壁件的电荷转移电阻Rct为0.277 MΩ·cm2。250℃下直壁件的电荷转移电阻Rct为0.064 MΩ·cm2。层间温度的升高可以减小316L不锈钢直壁件横向纵向的力学性能差异,但会降低316L不锈钢直壁件的表面成形质量与耐腐蚀性能。 最后,通过机器学习算法分析316L不锈钢直壁件层间温度、层数对耐腐蚀性能的影响。使用网格搜索和交叉验证技术进行参数优化,并通过四种指标对四种模型的预测结果进行性能评估。结果表明,SVM算法在预测自腐蚀电流密度和自腐蚀电位方面均表现最佳,其次是ANN算法。对层数、位置与层间温度对耐腐蚀性能影响的特征重要性进行分析,发现层间温度是最重要的影响因素。

关键词： Al-Mg合金   增材制造   纵向磁场   微观组织   力学性能  

摘要： 丝材电弧增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)具有沉积速率高、成分均匀、生产周期短等优点,广泛应用于航空航天和汽车船舶领域。然而应用此技术制造的铝合金构件存在成形精度差、气孔缺陷多及力学性能各向异性等问题,严重限制了铝合金WAAM的应用。如何通过优化WAAM沉积工艺来改善试件的成形质量与力学性能是当前重要的研究课题。 本文以Al-Mg合金ER5356焊丝为丝材,利用外加纵向磁场辅助CMT-WAAM的方式,以期优化铝合金CMT-WAAM沉积试件的成形质量,改善其微观组织和力学性能。以磁场的励磁电流和频率参数为变量的前提下,通过原位高速摄像、微米CT、EBSD和SEM等手段分别研究外加纵向直流磁场和纵向交流磁场对AlMg合金CMT-WAAM沉积试件电弧行为、成形质量、微观组织和力学性能的影响规律以及磁场的作用机制。 研究结果表明,采用外加纵向直流磁场辅助CMT-WAAM时,在一定的磁场参数下,电弧偏离焊丝轴线并膨胀,试件的性能改善。励磁电流为2 A时,试件表面驼峰消失,纵向截面笔直且沉积层均匀分布;气孔减少,晶粒尺寸减小了18.91%;硬度提升了11.28%,最大抗拉强度达到230.67 MPa。励磁电流为3 A时,沉积试件性能下降,此时磁场参数不适用于铝合金的CMT-WAAM工艺。采用纵向交流磁场辅助CMT-WAAM时,沉积试件性能改善。在励磁电流5 A,磁场频率200 Hz时沉积试件综合性能最优,成形精度提高;气孔率由0.372%降为0.016%,晶粒尺寸降低21.75%;硬度提升15.73%,水平方向最大抗拉强度提高到260.00MPa,垂直方向上的最大抗拉强度提高到257.70 MPa,力学性能趋于各向同性。磁场通过洛伦兹力影响电弧行为和熔池的流动,影响熔融金属的凝固过程,从而提高沉积试件的成形精度、减少气孔率和提高力学性能。纵向直流磁场中励磁电流的改变对沉积试件的影响较大,作用效果不稳定。纵向交流磁场作用效果更稳定,更显著,这对于铝合金CMT-WAAM工艺的完善和改进具有重要的参考意义。