关键词： 电弧增材制造   高强钢   表面形貌   力学性能  

摘要： 针对ER120S-G高强钢电弧增材制造搭接间距的工艺优化问题,采用脉冲熔化极气体保护焊(GMAW-P)工艺,对5组单层焊道进行Canny边缘提取和高斯平滑滤波,并选用不同函数对单道形貌进行拟合。比较了常规搭接模型和优化的斜顶搭接模型,并计算出它们的最优搭接间距。研究结果表明,对于高强钢GMAW-P工艺,采用正弦函数拟合焊道边缘的效果最佳,并且采用优化的斜顶搭接模型得到的最优搭接间距为0.66倍的单道宽度。基于上述优化结果试验成形了多层多道块体样件,成形表面质量良好无缺陷,块体组织主要为针状铁素体、粒状贝氏体以及M-A组元等,抗拉强度呈现一定的各向异性。

关键词： 钛/铝异种合金   Nb中间层   冷金属过渡技术   电弧增材制造   微观组织  

摘要： 针对采用基于冷金属过渡(CMT)技术所制备的添加Nb中间层钛/铝异种合金电弧增材制造(WAAM)试样,研究了铝合金熔敷沉积层数对试样微观组织的影响规律。结果表明:随着铝合金熔敷沉积层数由1层增加至5层,添加Nb中间层钛/铝异种合金试样中第1层铝合金熔敷沉积层发生重熔的次数逐渐增加,使得铝合金沉积层中所析出的Al3Nb金属间化合物数量有所减少,且尺寸也有所减小;随着铝合金熔敷沉积层数的增加,铝合金熔敷沉积层底部所析出的Al3Nb金属间化合物呈岛状-长条状-短棒状的分布特征;分别熔敷沉积1层、3层和5层铝合金时,添加Nb中间层钛/铝异种合金试样中铝合金熔敷沉积层与Nb中间层之间均会形成Al3Nb金属间化合物反应层,反应层的厚度分别为1.1~2.9μm, 1.3~3.6μm和1.4~3.6μm。

关键词： 电弧增材制造   扫描策略   焊接模式   图像处理   数值仿真   粗糙度   斜率   单道多层成形  

摘要： 为解决Fronius CMT TPS3200焊接电源提供的焊接模式(CMT或CMT+Pulse)与增材策略(单向或往复路径)的选择问题,在相同线能量密度条件下,基于不同模式的单道单层优质焊道成形,探索了单道多层的层宽、层高变化规律,并结合图像处理与数值仿真评价单道10层的增材试验。研究发现,针对焊道成形,CMT+Pulse模式与CMT模式分别从第4层和第3层开始趋于稳定。为优选扫描策略,通过顶层焊道成形和数值仿真结果对比,确定了往复路径优于单向路径。在往复路径下,CMT模式的焊道成形均优于CMT+Pulse模式。研究结果表明,CMT模式率先达到散热稳定条件,结合优选往复路径,在焊道成形方面具有优势,为后续电弧增材奠定了基础。

关键词： 电弧熔丝增材制造   2Cr13合金   显微组织   力学性能   各向异性  

摘要： 采用电弧熔丝增材制造(WAAM)技术进行多层单道结构2Cr13构件制备,揭示不同层间停留温度(110~550℃)下2Cr13电弧沉积件组织、性能各向异性演变规律,以实现关键工艺参数调控下力学性能主动控制。结果表明,550℃沉积件内针状马氏体因重熔碎晶呈细长外延状生长并具有略强织构取向,且于马氏体间隙处零散分布着很少量细小不规则逆变奥氏体。550℃沉积件因细晶强化获得了较高强度与硬度,但拉伸性能具有明显各向异性。110~180℃沉积件各区域间板条状马氏体虽大致沿沉积方向生长但无明显织构取向,马氏体晶粒因层间停留温度降低导致冷凝速率增加而略呈细化趋势。110~180℃沉积件因具有相近板条状马氏体组织,其力学性能较相近且呈各向同性。

关键词： 电弧增材制造   交叉桁条结构   微观组织   元素分布   拉伸性能  

摘要： 电弧增材制造具有材料利用率高、制造效率高、制造成本低等优势,适合制造大型复杂航空薄壁构件。目前,交叉桁条结构电弧增材制造的路径规划、成形形貌控制、组织性能差异性等方面缺乏系统研究。针对交叉桁条结构提出了一种新的分层切片及路径规划方法,解决了桁条交叉区域余高过大导致的制造精度不足问题。开展了电弧增材制造2319铝合金交叉桁条不同区域的晶粒形态、元素分布、拉伸性能、断口形貌等检测与分析,结果表明,电弧增材制造2319铝合金交叉桁条结构不同区域的晶粒形态及尺寸呈现明显差异,致使桁条顶部的平均抗拉强度值与中部、底部相比高出20%左右。在拉伸断口的韧窝中存在大量θ(Al_(2)Cu)颗粒相,该非共格析出相增大了晶格畸变能并且提升位错阻力,使晶体滑移难以进行,最终材料的强度显著提高。

关键词： 304不锈钢   MIG焊   电弧增材制造   组织分析   硬度分析  

摘要： 文中运用MIG焊技术对304不锈钢进行了无填充和填充CoCrNiCu的电弧增材制造研究,采用光学显微镜、扫描电镜、能谱和显微维氏硬度计对所得构件的宏观形貌、微观组织和成分以及硬度性能进行分析。结果表明:无填充时,熔覆层主要是垂直于熔合线生长的奥氏体柱状晶和δ铁素体树枝晶,后熔覆层晶粒尺寸较先熔覆层的细小;填充CoCrNiCu时,1~2层间界面区域仍以Fe元素为主,未能获得高熵过渡层,无金属间化合物生成,相比母材增加了Co和Cu,合金化程度有所提高,晶间有Cu偏析现象,当焊接热量过大时,易引发热裂纹;母材硬度约为HV197,热影响区硬度有所提高,304不锈钢熔覆层硬度相比母材和热影响区有所降低,填充CoCrNiCu时,1~2层间界面区域硬度进一步降低,有利于残余应力的释放。

关键词： TIG电弧增材制造   308L不锈钢   显微组织   力学性能  

摘要： 采用TIG电弧增材制造的方法成形了308L不锈钢的直壁件,研究了其显微组织和力学性能。利用奥氏体不锈钢的凝固模式预测显微组织,通过SEM和EDS能谱分析成形件的显微组织。结果表明:预测组织和实际组织一致,为奥氏体和少量铁素体。直壁件的底部和顶部位置显微硬度高于中部组织的,底部最高,顶部次之。从成形件上取水平方向的试样进行拉伸试验,断裂形式为韧性断裂,成形件的抗拉强度最小值达到520.19 MPa,伸长率最小值达到41.7%。

关键词： TOP-TIG焊   高效化焊接   磁控增材   电弧模拟   组织性能  

摘要： 为了解决TIG电弧增材沉积率低的问题,以实现电弧增材对Al-Cu合金工件的快速成型,课题选用自制了TOP-TIG自动送丝增材系统,与传统TIG焊不同在于焊丝由电弧顶端送入,焊丝与钨极成一定角度,为了获得更高的增材效率,选用外加磁场在焊接区形成交变的磁场,该磁场直接对电弧和熔滴产生作用,改善了电弧行为并控制熔滴过渡,继而提高增材效率和质量,实现了TIG增材的高效化。由于焊接区域的复杂情况,涉及多方面的物理量的交互作用,对磁控电弧行为以及熔滴过渡过程的变化难以测量和观察,本课题将高速摄像与数值模拟相结合进行分析,简化了磁控TOP-TIG部分复杂的物理过程,而通过数值模拟手段,将磁场分布及其大小可视化,并建立了电弧温度分布和热传递之间的关系。首先开发了尖角磁场TOP-TIG一体式枪头,利用通电螺线管与长短导磁杆结合的方式实现尖角磁场,并与电弧耦合。讨论了磁场的添加位置,并调整工艺参数为长久接触熔滴过渡形式,确定了无磁场时临界焊接电流以及送丝速度,进行铝合金增材。对尖角磁场进行数值模拟,导磁杆的添加使电弧受到尖角磁场的影响。在洛伦兹力的作用下,电弧的几何形状变为椭圆。在其长轴方向上的洛伦兹力指向外侧,这导致了电弧膨胀。在短轴方向上的洛伦兹力在相反的方向上,电弧被压缩。当螺线管电流反复反转以实现电弧收缩时,长短轴互换。建立了TOP-TIG电弧置于尖角磁场的数值模型,通过分析电弧尖角磁场下的温度场、速度场和压力场,获得励磁电流对电弧行为的影响规律。分析尖角磁场对电弧的作用机理,同时对熔滴过渡进行了分析。尖角磁场对电弧区带电粒子的作用,改变了电弧行为和温度场,电弧行为的改变,使焊丝获得更多的热量,从而促进了熔滴过渡过程。对2319铝合金增材构件的成形性进行了研究,结果表明,尖角磁场对沉积体成形有明显的影响,沉积效率可提高40%。磁场提高了有效熔宽与总熔宽的比值,沉积体厚度比无磁场层高增加了约50%,获得了更高的材料利用率。另外,结合模拟结果以及高速摄像分析,磁场的作用使电弧发生交替偏转,电弧的偏转导致温度场也随之偏移,通过力学分析,而温度梯度带来的热扩张力使熔滴沿焊丝轴线过渡滴落于熔池。最后,对显微组织和力学性能进行了研究。随着励磁电流的增加,柱状晶尺寸逐渐增加。热处理后析出了细小弥散分布的第二相。尖角磁场的添加大幅增加了最大抗拉强度。单一方向排列的柱状晶有利于抗拉强度的提升,大尺寸的柱状晶晶粒一定程度上恶化了性能,热处理后析出了细小弥散分布的第二相提升了室温力学性能。此外,基于高速摄像捕捉到的电弧的几何形状,证明了尖角磁场对电弧形态的有效性。并且,基于对模拟结果显示的洛伦兹力分布、导电棒的尺寸、形状和位置在未来可以进一步改进,有助于改善尖角磁场对电弧的作用效果。

关键词： 倾斜结构件   CMT电弧增材   成形特性   焊枪倾斜角度   波形调控  

摘要： 传统电弧增材倾斜结构的悬垂部分,熔池易发生流淌甚至塌陷,造成难以成形。因此,针对电弧增材倾斜结构件成形差问题,本文以CMT-AM倾斜结构件为研究对象,以提高成形过程熔池稳定性和成形精度高为目标,深入研究CMT成形倾斜直壁件工艺参数与成形特性关系,并在此基础上,研究焊枪倾斜角度、电流波形参数调控对倾斜直壁件成形影响,最终对倾斜块进行成形研究。 首先研究了倾斜直壁件在不同工艺参数范围下成形特性,其成形特性可以分为成形良好、流淌、驼峰和塌陷。倾斜直壁件成形特性表明,层间偏移量对倾斜件成形质量起决定性作用,层间偏移量为0.5mm以内成形良好,层间偏移量≥1.5mm时,熔池易出现塌陷。送丝速度和层间偏移量较大时,熔敷过程易发生流淌;送丝速度和行走速度较大时,熔敷层易出现驼峰。层间偏移量越大,倾斜件倾斜角度越小,送丝速度和行走速度对倾斜件倾斜角度影响较小。建立了熔敷工艺参数与倾斜直壁件倾斜角度的二次回归模型。各工艺参数对倾斜直壁件倾斜角度影响大小顺序为:层间偏移量>送丝速度>行走速度>弧长修正。 其次,为改善倾斜直壁件成形质量,提出调整焊枪倾斜角度对倾斜直壁件堆积成形。结果表明,合理的调整焊枪倾斜角度不仅可以改善倾斜件成形质量,还能扩大倾斜件成形工艺参数范围。层间偏移量为1.5mm,行走速度为（4.0、8.0、12.0）mm/s时,送丝速度为5.0m/min,对应焊枪倾斜45.0°时、送丝速度为6.0m/min,对应焊枪倾斜40°时,堆积的倾斜件成形良好,在焊枪垂直基板时,倾斜件难以成形。焊枪倾斜角度的调整能扩大倾斜件倾斜角度范围。基板水平放置时,调整焊枪倾斜角度,所堆积倾斜件最小倾斜角度为30°,焊枪垂直基板时,堆积倾斜件最小倾斜角度为38°。 然后,研究了波形参数调控对倾斜直壁件成形质量的影响。峰值送丝速度较大,倾斜件成形差。相同送丝速度下,峰值电流较小时,倾斜件成形好。送丝速度为4.0m/min时,峰值电流Ib范围为170A～290A,当Ib为170A～230A,倾斜件成形良好;送丝速度为6.0m/min,峰值电流Ib范围为250～370A,当Ib为250A～290A,倾斜件成形良好。 最后,针对倾斜块悬空处在熔敷过程,熔池易流淌特点,提出增材路径选择和减小内表面侧搭接率。结果表明,减小内表面侧搭接率堆积倾斜块成形最好,不同路径选择下,从内表面侧开始熔敷,堆积倾斜块成形好于从外表面侧开始熔敷;调整焊枪倾斜角度,堆积倾斜块的成形好于焊枪垂直基板情况下堆积成形的倾斜块。

关键词： 2219铝合金   CMT电弧熔丝增材   固溶时效处理   均匀化处理   均匀性  

摘要： 2219铝合金在密度、强度以及加工成形等性能方面具有独特优势,适合作为轻质化承力结构件使用,目前,其在航天飞机与火箭上已经得到了大量应用。然而,随着工业需求的不断增加,航天用2219铝合金结构件的复杂度越来越高,对2219铝合金的制备工艺的要求也越来越高。因此,关于增材制造工艺在2219铝合金制造中的应用研究逐渐得到了研究人员的关注。电弧熔丝增材制造工艺(WAAM)具有打印空间大、制造周期短等优点,适用于2219铝合金结构件制造。 本文对铝合金WAAM技术进行了调研分析,表征了CMT沉积态合金的组织与性能,分析了合金的组织性能不均匀性,同时对合金的固溶时效热处理工艺以及热处理参数进行了探索,得到了适配3D打印2219铝合金的热处理工艺,并改善了合金的强度和力学性能不均匀性,为后续关于WAAM-2219铝合金的热处理工艺研发提供了参考依据。 首先表征分析了CMT沉积态2219铝合金不同区域的组织和力学性能特征,沉积态铝合金的组织和力学性能存在较为明显的不均匀性,沿沉积方向的显微组织和析出相特征变化较大,同时合金沿不同方向的拉伸性能也存在明显差异,性能的不均匀性主要受到合金层内和层间的组织与缺陷不均匀分布的影响。然后对合金的固溶热处理工艺过程和具体参数进行了探索,不同的固溶时效工艺及工艺参数对合金的析出相含量、分布以及拉伸性能均存在较大影响,当使用水冷均匀化+535℃固溶处理时,合金的强度与力学性能不均匀程度达到最好。最后对合金的时效处理工艺进行了探索,随着时效时间的延长,合金的性能呈先增加后降低的趋势,与单级时效相比,双级时效工艺可以使合金中的沉淀相数量增加,对合金的性能强化作用更加明显,合金屈服强度提升约10 MPa,抗拉强度提升约10-20MPa,延伸率提升约1～1.5%。当热处理工艺为510℃/12h/水冷+535℃/2h/水冷+120℃/12h/空冷+175℃/12h/空冷时,2219铝合金试样有最好的力学性能,扫描方向抗拉强度为418.6 MPa,延伸率为8.65%,沉积方向抗拉强度为378.6 MPa,延伸率为5.97%,合金性能的不均匀度为10.6%。