关键词： 铝合金   电弧增材修复   激光锻造   微观组织   力学性能  

摘要： 7075铝合金是一种在航空、航天、船舶等领域都有着广泛应用的高强合金材料，在7075铝合金零件的制造或服役过程中，表面可能会产生裂纹、磨损等一系列缺陷，降低其力学性能，最终导致零件完全失效。　　电弧增材技术具有效率高、成本低，得到的沉积层致密度高、力学性能好等优点，为具有一定深度的零件表面缺陷修复提供了可行的技术途径。　　目前采用电弧增材技术对7075铝合金零件进行修复的实际案例还较少，本文采用含TiC纳米颗粒的7075铝合金焊丝作为修复填充材料，通过熔化极气体保护焊的方式对7075铝合金板表面铣削出的凹槽进行填充，模拟7075铝合金板状零件的电弧增材修复过程。　　本文首先对7075铝合金板单层单道电弧增材修复和单层多道电弧增材修复的主要工艺参数进行优化研究，为了进一步提升修复效果和修复层焊道性能，提出了一种全新的激光锻造复合电弧增材修复技术，探究了不同激光锻造参数对于焊道微观组织和力学性能的影响。主要研究内容及结果如下：　　（1）进行了单层单道电弧增材修复均匀实验，通过回归分析探究了电弧电压、电弧电流、行进速度三个主要工艺参数对焊道形貌尺寸的影响规律。结合焊道的形貌缺陷，基于熔合比、线能量、余高系数这三项焊道成型指标得到了本文实验条件下单层单道电弧增材修复的相对最优工艺参数值为：电弧电流230A，电弧电压23.6V，行进速度240mm/min。　　（2）推导计算了单层多道电弧增材修复的理论最佳搭接率，焊道截面轮廓分别用椭圆弧模型和抛物线模型描述时，理论最佳搭接率分别为为50.78%和46.78%。并通过实验进行验证，发现两种模型都基本符合实验结果，其中抛物线模型更为准确。　　（3）实验探究了搭接率和冷却时间对于单层多道电弧增材修复层形貌及组织的影响。结果发现：随着搭接率的增大，修复层焊道数量有所增加，大部分焊道余高与熔深也不断增长，在不同冷却时间下修复层焊道熔深随焊道编号增加逐渐增长，增长速度随冷却时间的增加逐渐减慢。随着搭接率的增大，焊道组织晶粒更加细化，修复层平均硬度从103.60HV提升到121.36HV。随着冷却时间的减少，焊道组织晶粒在界面自由能的驱使下不断长大，但修复层平均硬度没有明显变化。　　（4）探究不同的激光锻造参数对于单层单道电弧增材修复焊道组织的影响。进行激光锻造后，焊道熔合区的粗大联生枝晶得到了明显的细化，但在不同的光丝间距下细化机制有所不同，不同的激光锻造参数对于焊道熔合线附近热影响区和焊缝区中部组织的影响也有所不同。　　（5）探究不同的激光锻造参数对于单层单道电弧增材修复焊道力学性能的影响。光丝间距2mm时，随着激光频率的增加，焊道焊缝区和热影响区的显微硬度都有所降低，试样件的屈服强度不断提高，抗拉强度不断降低，断口呈现出典型的脆性断裂特征。光丝间距6mm时，随着激光频率的增加，焊道热影响区显微硬度没有明显变化，焊缝区显微硬度有所提升，试样件屈服强度和抗拉强度都不断提高，断裂方式是典型的准解理断裂，是材料塑性较好的体现。

关键词： 电弧增材制造   焊道缺陷检测   焊道轮廓预测模型   层间质量优化  

摘要： 电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)技术是一门新兴的金属3D打印技术。与传统的激光粉末增材制造不同,WAAM通过电弧热源熔化焊丝进行逐层堆敷成形。其具有沉积速度快、柔性度高、投入与制造成本低等诸多优势,特别适用于大型军工零件的生产制造,在大尺寸金属构件制造方面具有良好的应用前景与发展潜力。 然而,电弧增材制造不可避免的存在成形精度低、层间成形质量较差等缺点。在丝材堆敷过程中,由于电流电压、送丝速度、焊枪移动速度、保护气流量、丝材的物理特性及外部干扰等多方面因素影响,造成材料沉积与热输入不稳定,导致WAAM层间成形表面平整度较差并出现缺陷。针对上述问题,本文提出基于机器视觉的电弧增材制造层间质量控制方法,主要内容如下: (1)为了对WAAM层间质量进行控制,优化层间成形效果,搭建了WAAM成形与缺陷检测系统。该系统实现在WAAM过程中,采集制造过程的红外图像、构件的三维轮廓数据,为后续的层间质量优化提供数据支持与成形控制。具体内容包括:系统地介绍增减材复合加工系统、红外图像采集设备、点云数据采集设备及图像识别原理;搭建WAAM成形与缺陷检测系统,该系统能够实现对WAAM过程产生的缺陷进行检测、识别、定位及分类。 (2)为了识别WAMM过程缺陷与获取焊道几何尺寸,设计视觉图像缺陷检测算法,通过激光扫描仪收集焊道点云数据,建立三维模型。缺陷检测算法实现对焊道的特征提取与缺陷检测。焊道三维模型提供焊道轮廓数据,为后续的缺陷反馈控制提供提供数据支持。具体内容包括:对凹坑、不规则及颗粒状缺陷进行特征分析;针对三类缺陷设计对应的三种缺陷检测算法,进行开发与验证,实现焊道缺陷数字化输出;通过收集的点云数据,提取焊道轮廓,验证缺陷检测算法的识别结果。 (3)针对铝合金电弧增材制造过程的工艺参数控制优化,基于神经网络建立WAAM焊道成形尺寸正反预测模型。前馈预测模型以工艺参数为输入,输出焊道轮廓尺寸,实现对焊道轮廓形貌的预测。后馈预测模型则相反,实现以期望的焊道成形尺寸作为输入,输出打印参数,为层间成形质量控制提供打印参数的优化。具体内容包括:打印75个有效焊道,通过获取的焊道数据开展支持向量机(Support Vector Machines,SVM)训练,构建前馈预测模型;对建立的前馈预测模型进行K折交叉验证,验证前馈模型的预测能力;将前馈预测模型进行反向应用,通过支持向量回归(Support Vector Regression,SVR)方法,建立后馈预测模型;对后馈预测模型的输出结果进行打印实验,验证后馈预测模型的有效性。 (4)针对WAAM过程的层间质量控制,提出层间质量检测(Interlayer quality detection,IQD)控制方法。IQD控制通过机器视觉检测获取层间缺陷关键参数(如缺陷的位置、大小以及类型),使用后馈预测模型优化打印参数,实现层间质量的反馈控制。具体内容包括:焊道缺陷的预处理与减材操作;对IQD控制方法进行WAAM单道单层、单道多层以及多道多层的打印实验验证;收集对IQD控制与否的层间几何轮廓数据并进行对比,验证IQD控制方法对层间质量的控制作用。

关键词： 电弧增材制造   异质结构   曲面切片分层   轨迹规划  

摘要： 重型刮板运输机作为各个工作层的连接单元,在机械化采矿作业中广泛应用。运输机的链轮在在工作过程中承受复杂的环境和载荷条件,链窝部位容易因磨损或开裂而导致整个链轮的失效。链轮尺寸较大,造价昂贵,整体更换会造成严重的材料浪费。而采用耐磨层增材制造的方法对失效的链轮进行修复,可以显著节约成本,缩短加工周期。此外,对耐磨层的成分和结构进行调控,有助于提高链轮的力学性能,延长使用寿命。 通过平板单道MAG增材工艺试验,研究了保护气成分、脉冲、预热等工艺参数对于熔敷金属成形和性能的影响。首先,通过单一变量实验研究了保护气中二氧化碳含量对于焊道成型及熔敷金属硬度的影响,发现再二氧化碳含量为20%时,焊接过程最为稳定,熔敷金属硬度略高。通过对预热及脉冲进行单一变量实验,研究其对焊道成型的影响,发现施加预热可显著改善熔敷金属的铺展性,施加脉冲可以改善焊道表面形貌,减少气孔。通过正交试验,研究了焊接电流、焊接电压与焊接速度等常规焊接工艺对于焊道成形的影响,对比耐磨焊丝与结构钢焊丝试验结构发现两者焊道成形参数接近,单道焊接成形主要受到送丝速度以及焊接速度的影响其中对于熔宽和余高影响最大的工艺参数分别为送丝速度与焊接速度,焊接电压对焊道成形无显著影响。采用最佳工艺,进行平板多层多道MAG增材工艺研究,获得了成形良好且增材效率较高的搭建间距与工艺参数组合。 为改善修复层的力学性能,设计了结构钢过渡结构、耐磨钢-结构钢交替结构与耐磨钢-结构钢交叉结构三种不同的异质结构形式,并采用上述工艺进行了多层多道增材试验。为评估增材修复层的性能,根据矿用链轮实际工作环境设计了性能检测试验,对增材层金属的耐磨性能、抗冲击性能、与母材结合的强度以及抗拉强度进行测试。对比三种异质结构修复层,交叉结构性能优于交替结构,过渡结构中的耐磨层出现较多裂纹;异质结构显著改善了增材修复层与基板的结合强度,交替结构与交叉结构能够有效抑制增材修复层中的裂纹。探究了回火处理对增材修复层性能的影响,发现回火后增材层的拉伸性能及冲击韧性下降,在回火温度为400～500℃时增材层的耐磨性能得到了提升。 磨损后的链窝表面为复杂的曲面形状,采用传统的平面切片和轨迹规划方法,难以获得成型良好的修复层。本文采取了曲面点阵偏移并重构的方法进行曲面切片。首先,对STL文件的数据结构进行优化,构建了字典式数据库,显著减少了后续流程的计算量及运行时间;然后通过对三角形网格顶点实际法向量的求解,计算其偏移方向,并在偏移后重新构建三角形网格,实现了曲面的等距分层切片。新生成的曲面很好地保留了原曲面的几何特征。通过对曲面等高度横截线与等角度纵截线的等距划分获得了等距点阵,从而构建了等距轨迹。曲面边缘处则通过单独扫描获取了轮廓轨迹。获取轨迹点信息后,将轨迹点处的法向量转化为机器人姿态信息,导入机器人离线编程程序中进行校正,最终输出机器人可执行的文件格式,导入试验平台进行链窝曲面增材试验。

关键词： 2219铝合金   WAAM   增等材复合制造   高温变形   数值模拟  

摘要： 铝合金电弧增材制造过程中的孔隙、组织不均匀、残余应力和残余变形等缺陷,使该工艺的推广应用仍具有一定挑战性。为了提高电弧增材制造铝合金零件的性能,本课题研究了TIG电弧增材2219铝合金高温压缩组织演变与变形行为,建立有限元模型对辊轧复合式电弧增材过程进行预测,探究了电弧增材-异形辊轧复合制造工艺。 在200～500℃和0.01～10 s-1条件下对电弧增材2219铝合金进行了单轴压缩实验,分析了材料在不同变形温度、应变速率和应变量下的变形行为及组织演变规律。电弧增材2219铝合金的峰值应力范围约为21～260 MPa。材料高温压缩变形时的主要软化机制为动态回复。平均晶粒尺寸随应变量的增大而减小,变形量达到60%时,晶粒基本破碎,发生了严重畸变;变形温度升高促进动态回复,其中500℃、应变速率0.01 s-1时,晶粒均呈无畸变等轴状,细化作用被抵消。根据高温压缩实验结果,建立了Fields-Backofen模型,采用统计学指标对本构模型的有效性进行评估,认为所建立的本构方程能有效表征不同压缩变形条件下的材料性能。 通过有限元仿真,分析了增材过程中的温度场,比较了辊轧工艺参数的影响,确定了两种辊轮外形。仿真得到稳定熔覆层的熔池深度为4.0 mm,重熔作用深度为2.8 mm,辊轧作用应穿透重熔层,避免被后续热过程“擦除”。探究工艺参数影响得到:辊轧速率对辊轧产生的等效应变分布影响很小;辊轧温度升高可以使等效应变分布更加均匀,同时减小轧制力需求;提高辊轧压下量可以增大等效应变,但会增大轧制力需求。 通过实验比较了不同辊轧工艺参数及辊轮外形对构件性能的影响:辊轧速率影响很小;相比随动热轧,保温热轧会导致晶粒长大;增大下压量可以强化辊轧工艺对构件性能的提升。相比未辊轧试样,热处理后平辊轮随动热轧的试样抗拉强度为452 MPa,提升了11.3%;屈服强度为320 MPa,提升了7%;延伸率为13.6%,提升了166%。经过辊轧后,试样内部气孔数量减少,孔隙率下降。 相比平辊轮,凸起式异形辊轮制备试样抗拉强度提高,但延伸率下降;而波纹式辊轮对表面局部变形过大,导致沉积过程不稳定,试样强度提升效果不如平辊轮,但其可以改变沉积金属变形过程,存在优化空间。

关键词： 冷金属过渡   电弧增材制造   5183铝合金   数值模拟  

摘要： 增材制造技术是一种自下而上地堆积材料，快速精准地实现构件从无到有的制造技术。増材制造技术加工周期短，制造成本低，特别适合小批量的零件生产。冷金属过渡技术是一种将高频变化的焊接电流与快速焊丝的回抽结合的低热输入焊接方法。运用冷金属过渡技术进行增材有着低热输入、飞溅少、增材过程稳定等优点。本文利用CMT技术在厚度为6mm的5052铝合金基板上，以5183铝合金焊丝为填充材料，增材制造出铝合金薄壁体构件，建立有限元模型对构件温度场进行模拟，并在模拟结果的基础上进行实验，研究构件的组织和性能，对铝合金增材制造的实际生产具有理论指导意义。　　在前期试验的基础上建立模型，利用Fortran语言进行编程实现数值模拟中热源的加载，通过热电偶测温法验证模型的准确性，计算出温度场分布的结果。结果表明，模拟所得热循环曲线与实际测量曲线拟合良好，沉积层在后续加载热源的影响下会受到多次热作用，熔池峰值温度随层高增加而增加，在收弧端会有较为严重的热积累。　　本文通过改变模型的不同工艺参数，探究不同因素对温度场的影响。结果发现，“Z”形增材路径可以使构件温度分布更均匀，有效减少收弧端积累的热量。加长层间冷却时间可以有效降低构件的整体温度和温度梯度。适当加快送丝速度可以使构件内温度梯度降低，过多加快送丝速度会使温度梯度上升。焊接速度加快使沉积层峰值温度和残留温度降低，但与送丝速度相比较，焊接速度对沉积层的影响较弱。对基板进行预热对前四层沉积层影响较大。　　在模拟结果基础之上进行增材制造实验，研究构件的组织和性能。研究发现，当焊接速度为450mm/min，送丝速度为5.0m/min时，薄壁体成形精度最高，达到了98.16%。焊接速度和送丝速度的增加都会导致构件内气孔尺寸和数量增大。构件顶部的熔合线附近晶粒主要为柱状晶，中部熔合线附近晶粒为等轴晶。对构件进行拉伸实验，在焊接速度为450mm/min，送丝速度为5.0m/min下成形的薄壁体的整体拉伸性能最好，其横向拉伸强度为261MPa，纵向拉伸强度为273MPa，拉伸断口的断裂形式为韧性脆性混合断裂。

关键词： 电弧增材制造   表面形貌   搭接模型   轴对称液滴形状分析法   表面张力  

摘要： 电弧增材制造是一种以焊接电弧作为热源,金属丝材作为原料的送丝增材制造技术,由于具有更高的成型效率和更低的成本等优点而显示出更好的应用前景,已被广泛应用于航空航天、国防、汽车、生物、医疗器械等领域。通常,电弧增材制造的主要步骤是建立三维数字化实体数据模型,选择合适的角度和步长输出STL格式模型,通过切片程序沿着提前设定好的增材制造方向进行切片,并生成与之相关的沉积路径,确定与沉积路径相关的焊接工艺参数和对工件进行后处理加工。在切片和层间堆积的路径规划前,需要掌握不同的焊接参数下焊道截面形貌。因此,建立合理的焊道轮廓模型来准确地描述实际焊道轮廓形貌,对于提高成型零件的表面质量和精度有着重要的作用。通常,电弧增材制造中的沉积过程是多物理场强耦合作用,而熔池作为重要载体包含着重要的过程特征信息,并且与工件的成型质量和精度有密切联系,仅用常见的数学函数曲线(抛物线函数、余弦函数,圆弧函数)进行拟合实际的焊缝轮廓难以准确把握焊接过程的本质。而表面张力是焊接过程中熔池流动行为的关键影响因素,决定了焊缝形貌轮廓的最终成型效果,因此从表面张力这个角度出发建立焊缝轮廓模型非常有必要。本文首先提出在电弧增材制造熔敷过程中的一种基于轴对称液滴形状分析法(Axisymmetric Drop Shape Analysis,ADSA)单层单道焊缝轮廓模型,并设计正交试验探究焊接工艺参数对表面张力的影响规律;然后基于简单的物理假设,依据多道搭接时焊缝几何尺寸之间的数量关系,由ADSA单层单道焊缝轮廓推导出递归序列从而构建单层多道递归焊缝轮廓模型,重点分析了模型的属性,并进行了试验验证。最后基于焊缝轮廓空间坐标变换,提出一种基于改进的ADSA的递归焊缝轮廓搭接模型以改善传统递模型在山谷区存在的较大误差的问题,并重点分析和比较了改进前后两种模型属性的区别与联系,最后通过试验验证了模型的准确性和适用性。本文完成的主要工作包括:(1)基于轴对称液滴形状分析法,建立一种电弧增材制造单层单道焊缝轮廓模型,并于现有的抛物线函数,圆弧函数,三角函数等传统的焊缝轮廓模型进行比较,通过试验验证结果表明ADSA焊缝轮廓模型能够更加准确地描述实际焊道轮廓。然后设计正交试验,通过试验结果分析得到了焊接工艺参数对ADSA焊缝轮廓模型中的形状因子β和原点曲率半径R之间的影响规律,为揭示焊接工艺参数对表面张力的影响规律提供了理论依据,同时也有利于提高电弧增材制造产品的成型精度。(2)基于传统的递归轮廓模型,建立一种基于ADSA的单层多道递归焊缝轮廓模型。即由已知的单层单道ADSA模型轮廓曲线,依据多道搭接过程中焊缝尺寸之间的几何关系,推导出递归序列以构建整体的焊道轮廓曲线,探究模型的相对高度,相对平整度,润湿角以及收敛性随搭接率OR的变化规律,并与传统的抛物线轮廓递归模型进行比较,最后通过试验分析和验证了模型的精度。该研究成果为预测焊缝形貌轮廓提供了新的思路和方法。(3)基于焊缝轮廓空间坐标变换,提出一种基于改进的ADSA的递归焊缝轮廓搭接模型以改善传统递模型在山谷区存在的较大误差的问题。由ADSA单层单道形貌轮廓通过轮廓坐标变换推导出递归序列以构建改进的ADSA焊缝轮廓模型,并重点分析和比较了改进前后两种模型属性的区别与联系,最后通过试验验证了模型的准确性和适用性。该研究揭示了多道搭接沉积层形貌的演变规律并提高了成型质量和精度。

关键词： 轻质形状记忆合金   形状记忆效应   增材制造   电弧增材制造  

摘要： Ti-V-Al形状记忆合金密度低且冷加工性能优异,是一种极具有潜力的轻质形状记忆合金。但目前关于Ti-V-Al形状记忆合金的研究仍集中在传统熔炼和热机械处理,所用的加工方法也多为减材加工,无法应对目前航空航天等领域对类似蜂窝状等复杂结构元件的制备加工,而目前关于增材制造Ti-V-Al合金的报道均集中在结构材料方面,鲜有关于Ti-V-Al形状记忆合金增材制造的报道。因此,本文利用增材制造中生产效率较高的电弧增材制造技术制备了不同成分的Ti-V-Al形状记忆合金,系统研究了该合金的组织结构演化和性能。研究发现,电弧增材Ti-V-Al形状记忆合金的相组成会随V含量的升高产生明显变化。Ti-12.2V-10.1Al合金的相组成为α'马氏体相+α"马氏体相+少量β相。随着V含量的增加,合金中α'相消失,β相含量不断升高。Ti-14.7V-9.8Al合金的相组成为大量α"+少量β相,Ti-17V-9.5Al的相组成为少量α"+大量β相。三种电弧增材Ti-V-Al合金的α"马氏体变体间呈自协作形态,并且均存在{111}Ⅰ型孪晶关系,在Ti-14.7V-9.8Al合金中还存在〈211〉Ⅱ型孪晶关系。同时,由于在电弧增材制造过程中同一Ti-V-Al合金的不同区域的热环境不同,合金内马氏体变体的尺寸随着沉积层高度的增加而增大。此外,电弧增材Ti-V-Al合金的相变温度随V含量的增加而下降,当合金成分为Ti-17V-9.5Al时,相变温度已降至室温以下。同一电弧增材Ti-V-Al合金不同区域的相变温度也有差异,这与合金的相变温度受V含量和内应力的双重影响有关。电弧增材Ti-V-Al合金的硬度和强度随V含量的增加而降低,其中在Ti-12.2V-10.1Al合金中最高,具有326 HV0.2的硬度和可达905 Mpa的抗拉强度。合金的断后伸长率随V含量的增加,先升高后降低,在成分为Ti-14.7V-9.8Al时最大,具有9.0%以上的断后伸长率。同一电弧增材Ti-V-Al合金不同区域的强度会随着V含量和相组成的变化而变化,并且底部区域断后伸长率最为优异。同时,电弧增材Ti-V-Al合金的形状记忆效应随V含量的增加先增大后减小,其中Ti-14.7V-9.8Al合金的形状记忆效应最为优异,具有5.9%的完全可恢复应变。此外,在同一电弧增材Ti-V-Al合金不同区域的形状记忆效应会随着合金内部应力的变化而变化。在Ti-12.2V-10.1Al和Ti-14.7V-9.8Al合金中,可恢复应变随沉积层高度的增加而降低。在Ti-17V-9.5Al合金中,中间区域的可恢复应变最大。

关键词： AZ31镁合金   电弧增材制造   沉积轨迹   过程分析   组织特征  

摘要： 镁合金作为最轻质的结构材料,在航空航天、汽车和医疗等领域具有广阔的应用前景。基于低热输入冷金属过渡技术(Cold metal transfer,简称CMT)的电弧增材制造(Wire arc additive manufacturing,简称WAAM)是镁合金制造领域新的研究热点。本文在传统直线沉积轨迹的研究基础上,设计了具有相同沉积效率的三角、梯形、圆弧三种沉积轨迹,着重研究分析了三种沉积轨迹下镁合金CMT单道沉积焊缝和CMT-WAAM成形薄壁构件的组织结构特征。三种轨迹CMT单道沉积焊缝实验结果表明,沉积过程的能量输入和熔池形态呈现出特征各异的周期性变化规律,其焊缝成形特征与传统直线沉积轨迹明显不同、焊接组织晶粒取向交替性显著增强。三种沉积轨迹中,三角轨迹电弧能量由焊缝轴线向两侧发散,基板电弧集中热作用最弱、焊缝热影响区最小;梯形轨迹焊缝轴线区域热积累作用最强,焊缝熔深最大、焊缝晶粒最粗;圆弧轨迹沉积路径最长且熔池振荡剧烈,焊缝金属重熔比率最高,柱状晶抑制效果最强。采用三种新型沉积轨迹替代传统直线沉积轨迹进行镁合金电弧增材制造,有助于降低构件热积累效果并实现组织凝固特征调控。三种轨迹CMT-WAAM成形薄壁构件组织分析表明,构件内部组织由柱状晶区、等轴晶区和局部细晶区组成,不存在热影响区。三种构件存在不同程度组织不均匀性,晶粒形貌尺寸在轨迹不同位置及构件不同区域存在差异。与直线轨迹相比,三种新型轨迹对构件组织具有明显的晶粒细化效果,其中三角和梯形轨迹的晶粒尺寸均降低了40%以上。三种沉积轨迹中,圆弧轨迹对柱状晶的抑制作用最强,成形构件不同区域的柱状晶占比为31.1%～43.1%。三种轨迹由于沿焊缝轴线的持续偏移特征,打破了传统直线轨迹成形构件柱状晶沿焊缝叠加方向集中生长的方式,有助于改善直线轨迹成形构件显著的各向异性特征。沉积轨迹的改变可以有效改善镁合金CMT-WAAM成形构件的组织结构特征,对成形构件热影响区域的抑制、晶粒尺寸的细化、晶粒形貌及生长取向的控制等方面均具有良好的效果。基于沉积轨迹的优化,进一步深入开展镁合金CMT-WAAM工艺研究,有助于提升镁合金增材制造成形构件的质量。

关键词： 电弧熔丝增材制造   熔池特性   焊接工艺参数   多层熔覆   数值模拟  

摘要： 电弧熔丝增材制造技术因为其成形效率高、低材料和设备成本而备受关注,可通过逐层熔覆来获得致密构件。目前,该技术被广泛应用于航空航天结构件和大型模具的维修和制造。在电弧熔丝增材制造工艺中,填充焊丝被高温电弧加热并变成熔滴;在等离子弧压力、重力和电磁力的影响下,熔滴脱离焊丝并撞击到基板上形成熔池;最后,熔融金属固化并形成焊缝。电弧熔丝增材制造技术的工艺优化和过程控制是当前研究的重心,但传统的试验方法需要耗费大量精力物力,因此数值模拟研究对分析熔池特性和控制焊道成形形貌具有重要意义。 本文研究建立了考虑熔滴撞击、重力、传热和传质等因素的三维瞬态CFD数值模型,探究了不同焊接工艺参数对单道单层熔覆中熔池特性和成形形貌的影响。模拟结果表明,不同工艺参数直接影响熔池热输入和单位时间熔覆量,从而对焊道成形外观和尺寸产生较大影响。例如,焊接电流的变化会影响焊道宽度,而焊道高度对焊接速度的变化更为敏感。 在单道单层熔覆的基础上,本文还拓展研究了焊接工艺参数对多层熔覆成形过程的影响。采用每层焊接方向相反和进行层间冷却的焊接方式,能有效抑制焊道中的热积累,使焊道形貌更为平整,且焊道起始位置和结束位置的高度差变小。此外,改变熔滴初始温度还可探究在单位时间内熔覆量不变的情况下,熔池热输入对焊道形貌和尺寸的影响。结果显示,随着熔滴初始温度升高,焊道热积累明显加剧,焊道每层熔覆高度显著减小。通过控制熔滴过度频率以及熔滴直径的大小,探寻了单位时间内熔覆量对焊道热积累和成形形貌的影响。熔滴过渡频率和熔滴直径的增加使单位时间内熔覆量显著提升,并且增大了熔池的热输入,因此焊道形貌的倾斜程度加重,焊道的几何尺寸增加。模拟研究了三种焊丝材料在相同熔覆量和熔滴过热度的情况下的多层熔覆过程,发现材料的导热性能、表面张力等物性参数对焊道热积累和熔池铺展性有较大影响,从而表现出不同的焊道形貌特征和几何尺寸。

关键词： 增材制造   电弧熔丝   焊接工艺   成形质量  

摘要： 电弧熔丝增材制造是在传统的焊接工艺基础上升级而成，结合增材制造原理形成的新型智能制造技术。它通过电弧热将丝材熔化，按照程序设定的路径进行焊道的堆积成形。其材料的成本相对于激光和电子束增材制造来说较低，而且设备的使用条件也不受过多的限制，因而备受汽车、船舶、航空航天等工业制造领域的关注。可以为其提供一种快速的成形方法，缩短新产品的开发周期。然而，目前针对成形质量的评价研究较少，没有过多的对成形尺寸精度进行探究，不利于提高电弧熔丝增材制造零件的成形质量。因此，工艺参数对堆积成形件的成形质量的影响，需要提供一种新的评价方法，可以为该制造技术定量分析堆积件的成形质量，利用该方法对工艺参数进行优化，来得到成形质量较好的堆积件。　　首先进行试验设备的搭建，该设备的设计方案是以PLC为主控系统，控制焊枪的启停和保护气体的通断，送丝机的送丝速度和X、Y、Z三轴步进电机的启停，使其按照设定进行运作。PLC通过发送电信号对继电器进行控制，可以控制焊枪的启停;对送丝机的驱动器进行控制，可以设定不同的送丝速度;通过对三个坐标轴的驱动器进行控制，可以控制焊枪的行走路径。将步进电机和滚珠丝杠装在搭建的平台上，焊枪固定在Z轴的滑台上。进行梯形图的编写，来协调该设备的运作，三个坐标轴的移动、焊枪的启停、送丝机的送丝速度和氩气的通断。通过对PLC程序的编写，设定自己需要的参数，将其导入到PLC中，进行相关的试验。　　然后对焊道的成形工艺进行研究，考虑其影响因素，探究焊接电流、成形速度、送丝速度、送丝角度、氩气流量、层间等待时间和抬升量等工艺参数对成形形貌的影响，利用田口方法，找出比较适合该电弧熔丝增材制造设备的工艺参数组合。　　最后对送丝角度、层间等待时间、侧向送丝等影响因素对焊件成形尺寸的影响进行了分析。进行对比试验，确定抬升量对单道多层焊道轮廓形状的影响，进行焊道轮廓拟合。分析堆积成形过程中出现的缺陷，并对其成形原因进行阐述。在送丝速度与成形速度的不同比值下，进行多组堆积试样，打印的零件与实际建模的零件通过逆向进行对比，通过点云数据进行分析，分析工艺参数与成形质量之间的关系。　　本研究为电弧熔丝增材制造铝合金零件提供了试验经验和理论上的指导，为制造出高精度高质量的增材制造产品提供了理论方法和试验依据，具有较高的工程应用价值。