关键词： 电弧增材制造   神经网络模型   工艺参数   成形尺寸  

摘要： 随着国内外工业制造对产品材料、性能及制造效率等要求的日益提高,电弧增材制造技术得到了快速发展,国内外学者及科研机构纷纷涌入到电弧增材制造技术创新发展的大潮中,其能够生产的零件复杂度及精度越来越高。脉冲电流模式时热输入小、成形质量好,更适合进行增材制造,因此本文将基于脉冲电流模式建立成形工艺参数与焊道成形尺寸间的预测模型,为实现成形工艺参数选择及实时优化、提高零件的尺寸精度奠定基础。 首先,基于成形电流、成形速度、脉冲频率、占空比四个成形工艺参数,采用二次回归通用旋转组合设计了31组实验参数进行单层单道成形实验,并测量其相应的焊道成形尺寸,为后续搭建神经网络模型提供了可靠的样本数据。此外,对成形过程中焊道搭接率、层间冷却时间展开研究,为后续零件成形验证实验提供依据。结果表明,焊道搭接率为30%时焊道搭接成形效果最佳;多层多道层间冷却时间使层间温度控制在100～150℃时成形件表面形貌较好。 为了实现对焊道成形尺寸的预测,基于31组样本数据建立BP神经网络模型,但模型预测精度难以满足需求,故而利用粒子群算法通过对模型初始参数的优化搭建了正向PSO-BP神经网络模型。结果表明,相较于BP神经网络模型,PSO-BP神经网络模型对焊道熔宽及焊道余高预测的平均相对误差分别减小了3.568%和0.372%,预测精度更高、结果更加稳定,应用到电弧增材制造中可以大大提高零件的成形精度。 考虑到在实际的生产制造中,通常需要根据目标结构件所需的焊道成形尺寸,利用模型预测出所需的成形工艺参数。为了实现对成形工艺参数的预测,基于全因子实验设计所得625组样本数据建立逆向PSO-BP神经网络模型,但预测效果欠佳。故基于正向、逆向PSO-BP神经网络模型建立了交互预测模型,结合各成形工艺参数对焊道成形尺寸的影响规律及影响程度,通过交互预测模型对成形工艺参数进行调整,提高模型的有效性。结果表明,在对4组相对误差>10%的焊道成形尺寸进行成形工艺参数的调整后,目标焊道熔宽预测的相对误差均得到了不同程度的减小,焊道余高预测的误差除第11组增大了0.2%外,其他组同样得到了减小,实现了对目标焊道成形尺寸所需成形工艺参数的有效优化。 在零件成形验证实验中,基于交互预测模型设计了软件,根据目标零件模型求出成形层数及相对应的单层成形道数,并根据每层的目标焊道成形尺寸确定出每层的成形工艺参数,对目标零件进行了增材制造实验。结果表明,零件层间结合紧密,逐层成形质量高,零件单层平均层高及平均层宽的相对误差均不超过±7%,满足增材制造的需求。

关键词： 7075铝基复合材料   电弧增材制造   TiB2颗粒增强   数值模拟   强化机理   热处理  

摘要： 7xxx系铝合金增材制造技术广泛应用于航空航天、船舶、高铁、汽车等工业领域,然而,目前电弧增材制备的以7075铝合金为代表的7xxx系高强铝合金,易出现组织晶粒大小难以控制,导致因粗晶造成增材合金强度偏低的难题,该现状严重制约了电弧增材制造技术在7xxx系高强铝合金制备领域的进一步推广。基于此,本文围绕7075铝合金TIG电弧增材制造涉及的相关增材工艺及组织性能调控机理开展相关研究,通过开展TiB2颗粒增强的7075铝基复合材料TIG电弧熔丝增材制造工艺、TIG增材制造的热过程和凝固过程沉积态组织的演变机制、沉积态TiB2/7075铝基复合材料的热处理工艺等研究,揭示电弧增材制造7075高强铝合金组织调控相关的物理冶金学机理,进而为其他7xxx系高强铝合金电弧增材制造的应用提供实验及理论参考。 （1）进行了TiB2/7075铝基复合材料TIG电弧增材过程的温度场和应力场的数值模拟。结果显示,不同增材层间等效应力的分布呈现极不均匀的状态,电弧热源移动到增材层中间点位置时其等效应力最大。内应力主要集中在工件熔覆层及其与基板的相互连接处,控制层间温度,适当延长等待时间可以降低热积累,进而改善工件的残余应力和增材成形质量。通过拟定的工艺参数进行数值模拟,获得了较低等效应力峰值,为TiB2/7075铝基复合材料TIG电弧增材工艺制定提供依据。 （2）开展了TiB2/7075铝基复合材料TIG电弧增材成形工艺研究。通过对不同参数下单道单层和单道多层增材成形试验,发现在增材电流、送丝速度及行走速度三个因素中,对熔覆层高度影响最大的是送丝速度,影响最小的是行走速度;对熔覆层宽度影响最大的是行走速度,影响最小的是送丝速度。 （3）通过对不同增材参数下TIG电弧增材TiB2/7075铝基复合材料试件的组织和性能进行研究,确定了最佳增材工艺。最佳增材试件测试结果显示,增材层不同区域微观组织不同,顶部晶粒尺寸最为细小,显微组织为较细小的等轴晶,中部相比于顶部晶粒为更粗的柱状晶,底部的晶粒尺寸最为粗大,为粗大的柱状晶。在力学性能方面,与中部和底部区域相比,增材试件顶部区域组织的性能最优,平均抗拉强度、断后伸长率和显微硬度分别为（361.8±4.8）MPa、（8.3±0.9）%和（145±5）HV,与常规7075铝合金电弧增材试件抗拉强度（279.4±5.3）MPa相比提升了约29.5%。 （4）探讨了TiB2颗粒在TiB2/7075铝基复合材料TIG电弧增材制造凝固过程中对组织演变的影响规律,并对其强化机理进行了分析。结果表明,在增材过程中,TiB2颗粒处于热稳定状态,大部分分布在晶界处,少量分布于晶粒内部,TiB2颗粒的加入改变了增材组织演变进程,其作为异质形核质点能够为α-Al基体提供形核表面,晶界处的颗粒会阻碍晶界的移动,抑制晶粒长大,细化晶粒尺寸,起到细晶强化作用。 （5）研究了不同热处理工艺对沉积态TiB2/7075铝基复合材料组织和性能的影响。研究发现通过T6热处理（固溶处理470℃×2 h+时效处理120℃×24 h）能够有效改善沉积态TiB2/7075铝基复合材料的显微组织与力学性能。T6态增材试件的平均抗拉强度、显微硬度和伸长率分别达到（510.2±5.4）MPa、（190±4）HV和（10.2±0.8）%,较热处理前相比,分别提升了约41%、31%和22.9%。断口分析显示,断口面分布着较多的韧窝状组织,断裂形式由热处理前的脆性断裂转变为热处理后的韧性断裂。 （6）分析了TiB2颗粒对沉积态7075铝基复合材料热处理后析出行为的影响。经过热处理,改善了非平衡凝固过程中元素在晶界处的偏析,晶内和晶界的元素分布更加均匀。在固溶处理过程中,随着晶界面积的增大,空位浓度也随之增大,易于Zn、Mg、Cu溶质元素的扩散和传输,同时增加了时效处理过程中析出相的形核数量。经过时效处理后,其中的TiB2颗粒和MgZn2第二相会均匀弥散分布于基体中,组织中有大量MgZn2第二相析出,起到沉淀强化作用。

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。