关键词： 增材制造   成形质量   熔池轮廓提取   深度学习   成形调控  

摘要： 增材制造(Additive manufacturing,AM),由于无需模具即可生产复杂结构的组件、高效的制造流程和相对较低的成本,在医疗、工程机械、航空航天等高端装备制造行业中受到广泛关注。熔化极气体保护增材制造(Gas metal arc additive manufacturing,GMA-AM)是一种利用焊丝与熔覆层或基板之间的电弧作为热源熔化金属进行增材制造的技术,可以实现金属材料的逐层堆积和成型。然而,在GMA-AM过程中,由于电弧的不稳定性和热累积效应等因素影响,熔池形态很难保持稳定,进而导致熔覆层实际成形尺寸与规划值尺寸之间偏差较大,使得最终成品的成形精度较低。熔池作为GMA-AM中的关键成形单元,其形态对制造质量具有重大影响,因此,开展熔池的实时传感与控制研究显得尤为重要。目前,熔池特征提取方法大多依赖于经验设定参数,而GMA-AM中的电弧稳定性较差,导致传统的熔池特征提取方法在准确性和识别效率上尚有不足。本文提出了一种使用轻量化语义分割模型实时提取熔池特征,并结合模糊PI控制器对增材成形质量进行在线调控的方法,设计并开发了一种GMA-AM成形质量智能监控系统,旨在精确监测和调控熔池形态来优化成形过程,进而提升最终产品的成形质量。 首先,针对传统熔池轮廓提取方法准确度和鲁棒性低的问题,本文提出了一种基于改进Deeplabv3+深度学习模型的熔池图像分割方法,该模型的均像素精度达到97.36%,平均交并比达到96.10%,推理时间达到23.11 ms,实现了熔池几何特征的实时准确提取。 其次,考虑到熔池视觉传感和增材成形质量控制任务对数据处理的实时性要求较高,本文采用Visual C++语言与Qt框架开发了电弧增材视觉及成形调控软件,该软件利用Open CV等算法库实现了相机图像采集与显示、熔池图像实时处理和焊机工艺参数调节等功能。通过对熔池视觉传感系统进行精度验证,试验结果表明熔覆道宽度测量平均相对误差为2.615%,层高测量平均相对误差为5.752%。 然后,本文研究了增材制造工艺参数对熔池几何特征的影响规律,并基于阶跃响应法对增材过程进行系统辨识,得到电弧增材过程中的传递函数,拟合度达到77.34%。设计了Mamdani型模糊PI控制器,并基于Simulink仿真验证了控制器的有效性。 最后,本文构建了电弧增材视觉及成形调控系统,分别进行了多层单道直壁件增材和多层单道倾斜薄壁件增材试验,以验证电弧增材视觉及成形调控系统的实际效果。结果表明,与恒规范工艺相比,受控AM工艺下成形件具有更高的尺寸稳定性和表面质量,成形调控下各层熔宽的平均绝对误差(Mean absolute error,MAE)低于1mm,均方根误差(Root mean square error,RMSE)低于0.5 mm,验证了电弧增材视觉及成形调控系统的有效性及精度。

关键词： 高强铝合金   冷金属过渡   电弧增材制造   传热传质   数值模拟  

摘要： 新型冷金属过渡与脉冲(CMT+P)复合电弧增材制造技术可以实现对能量的精细化控制,在航空构件数字化制造和深度维修领域中具有广阔的应用前景。然而,CMT阶段熔丝机械运动与脉冲电流协同作用下的传热传质行为尚不清晰,这直接影响增材过程稳定性以及成形质量的精细化控制。因此,本文以高强铝合金为研究对象,综合运用原位信息采集系统和多物理场耦合数值模拟技术,系统地揭示CMT+P复合电弧增材制造过程中电弧等离子体传热、熔滴过渡与熔池演变的传热传质机理,为实现成形质量的智能化、精细化控制提供理论依据和技术储备,对突破航空零件结构的先进制造与再制造技术的关键问题具有重要的科学与工程应用价值。主要研究内容如下: (1)探究了CMT耦合不同个数脉冲复合电弧增材制造过程中传热传质行为规律。通过单道单层原位观测试验与金相表征结果发现,随着CMT耦合脉冲个数的增加,电弧的动态稳定区间拓宽,熔滴过渡稳定性和成形效率降低,熔深和熔宽逐渐增大,余高逐渐减小。沉积层的微观组织自下而上呈现柱状晶和等轴晶的交替分布模式,顶部粗柱状晶倾斜或横向分布,阻碍等轴晶的生长。 (2)研究了高强铝合金CMT+P复合电弧等离子体的传热机理。电弧等离子体的物理场分布与输入电流以及电极间距有关。距离阳极越近,物理场对输入电流变化的响应速度越快。电极间距越近,电弧等离子体的高温区就越集中。基板熔融区域表面电弧等离子体的电势和电流密度呈负相关分布,并且电弧等离子体的压强在轴线处达到峰值。 (3)阐明了高强铝合金CMT+P复合电弧增材制造过程中的熔滴过渡行为。熔滴过渡呈现CMT阶段的短路过渡和脉冲阶段的一脉一滴射滴过渡的混合过渡模式,并且短路过渡比射滴过渡要稳定。在脉冲阶段,熔滴内部形成静止区,速度在静止区收敛或者发散,呈现流速上下反向的特点,进而影响熔滴过渡的稳定性。 (4)揭示了高强铝合金CMT+P复合电弧增材制造过程熔滴扰动下熔池的演变机理。熔滴是熔池能量的主要来源。CMT阶段的金属液桥会减缓热传递导致熔池尺寸减小,并且对熔池具有显著的振荡和搅拌作用。熔池的最大流速发生在短路接触的瞬间,在脉冲阶段,熔池内的流场并呈非轴对称分布。

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。