关键词： 铝合金   激光诱导电弧   增材制造   轧制   热处理  

摘要： 2319铝合金具有密度小、强度高等优点,可作为轻量化结构材料广泛应用于工业制造领域。铝合金增材制造技术具有简化生产制造流程,缩短生产周期,可以加工结构复杂的结构件等特点。激光诱导电弧增材制造技术以电弧为主,激光为辅,能够提升电弧增材制造的成形质量和力学性能,同时具有高堆积速率、高的材料利用率、低的设备费用以及可以制造大型构件等优点。轧制可以进一步改善金属材料的组织性能和控制成形。本文介绍了一种新型激光诱导电弧增材-轧制复合工艺,将激光诱导电弧增材和轧制工艺结合起来,轧制后利用增材的逐层递增的特性,后一层熔覆对前一轧制层起到热处理的效果,旨在研究利用增材-轧制复合工艺制备2319铝合金的可行性,提高成形质量和力学性能。 本文首先对比研究了单MIG电弧增材制造和MIG电弧增材-轧制复合工艺制造的试样。研究发现,轧制可以有效改善2319铝合金试样显微组织,使等轴晶增多,晶粒减小,气孔数量减少和平均尺寸减小,Cu元素分布更均匀,织构强度减弱。轧制后平均硬是94.83HV0.2,极限抗拉强度是267.31MPa,分别提高5.86%和16.07%,但是断后伸长率仅为9.64%,降低37.72%。试样表面残余应力增大,但分布更均匀。 然后对比研究了激光诱导电弧增材制造和激光诱导电弧增材-轧制复合工艺制造试样。研究发现,激光诱导电弧增材的沉积试样成形更好,试样表面平整,侧壁连续。微观组织得到进一步改善,气孔率明显下降,经过轧制后,织构强度减弱。相比单MIG电弧增材,激光诱导电弧增材-轧制复合工艺试样的平均硬度是96.39HV0.2,极限抗拉强度是285.91MPa,分别提升了6.34%和24.15%,断后伸长率是11.18%,仅降低了27.54%,同时残余应力分布更加均匀。 最后对MIG电弧增材-轧制复合工艺和激光诱导电弧增材-轧制复合工艺制造2319铝合金试样进行了热处理(固溶+人工时效)。热处理后,微观组织分布更均匀,析出相增多。经过轧制的试样显微硬度,抗拉强度和断后伸长率显著提升,残余应力得到释放,且分布更加均匀。

关键词： 电弧增材制造   低频振动   CMT   2319铝合金   微观组织   力学性能  

摘要： 电弧增材制造(WAAM)技术具有成本低、效率高、材料利用率大等优势,广泛用于航空航天等领域大型铝合金结构件的制造。但铝合金WAAM构件存在成形精度较差、组织分布不均匀、变形与应力、气孔等问题。本文在CMT增材制造Al-Cu合金过程中引入低频振动手段,促进熔敷层晶粒细化并减少气孔缺陷,达到优化WAAM Al-Cu合金组织与性能的目的。首先,研究了不同CMT电弧模式下的电弧形态和熔滴过渡行为以及不同工艺参数下单道单层和单道多层成形特征。结果表明,CMT-PADV模式更适用于Al-Cu合金的WAAM。当送丝速度为4 m/min,焊接速度为8 mm/s时,单道多层熔敷层成形良好,可作为合理的Al-Cu合金WAAM工艺。在此基础上分别研究了振动频率和振幅对WAAM Al-Cu合金组织与性能的影响。通过改变激振器转速实现对振动频率的调节,转速越高频率越大。分别选取1200r/min、3000 r/min和4800 r/min三组转速,并设置未振动的对照组,研究了振动频率变化对构件组织与性能的影响。结果表明,随着振动频率的增加,熔池流动性得到改善。当转速为4800 r/min时熔敷层平均层宽增加5.3%,平均层高减小8.8%,熔池的降温速率提高了2倍;试样内层粗晶区平均晶粒尺寸由51.9μm减小到42.0μm,晶粒细化程度达到19.1%。振动引起熔敷层微观组织晶粒细化,随着频率的提高细化程度增加,且粗晶区的晶粒细化效果最为显著。振动激发熔池内产生强制对流,枝晶颈、根部受动态弯曲应力与重熔作用发生疲劳断裂,产生的枝晶碎片抑制了枝晶的生长并提供更多形核质点,从而达到晶粒细化效果;随振动频率的增加织构强度降低,织构取向趋于弥散,高角度晶界比例由76.2%增加到92%,表明试样塑性得到提升;施加振动对试样横向与纵向抗拉强度的影响并不明显,但断后伸长率均随着振动频率的增加而显著提高。横向与纵向断后伸长率在4800 r/min时均最大,分别为22.2%和23.5%,比未施加振动时提升了15.6%和38.2%。断口表面气孔尺寸减小,分布更加弥散,且韧窝组织增多,表明振动频率的增加能有效改善构件的韧性。通过改变激振器偏心角度实现对振幅的调节,偏心角度越大振幅越大。在1200r/min转速下分别选取4°、8°和12°三组角度值以及未振动的对照组,研究了振幅变化对构件组织与性能的影响。结果显示,振幅的增加同样提高了熔池的流动性,当偏心角度为12°时熔敷层的平均宽度增加5.1%,而平均层高降低7.8%,熔池的降温速率可达未振动时的2.4倍;振幅的增加能有效降低粗晶区的晶粒尺寸,当偏转角度为12°时,横向与纵向断后伸长率值最大,分别为23.7%和22.4%,相比于未施加振动试样提高了23.4%和31.8%。同时,其横向与纵向抗拉强度分别提升了4.3%和2.9%,达到了278.3 MP和272.7 MPa。表明振幅的增加能有效提高试样的强韧性。综上所述,在CMT电弧增材制造Al-Cu合金过程中施加一定频率和振幅的低频振动可有效改善Al-Cu合金组织与性能。

关键词： 电弧增材制造   成形工艺   微观组织   元素分布   路径规划  

摘要： 作为一种轻质金属,铝合金几乎应用于航空航天制造、国防、汽车、食品加工、结构和低温应用等各个领域。而Al-Si合金是应用最广泛的铸造铝合金,特别是在制造业领域。其具有良好的铸造性、优良的气密性、较好的流动性、热裂纹倾向性小、收缩率小的特点。其耐腐蚀性和机器可加工性能较好,也常用作焊接填充材料。随着船舶轻量化越来越受重视,铝合金的在船舶上的应用更加普遍,被广泛应用于船舶与海洋工程装备制造中。电弧增材制造技术利用电弧焊工艺的概念与送丝机构相结合,原料金属丝被电弧产生的热能熔化,熔融的金属以逐层堆积的方式沉积在给定的基板上,从而形成完整的金属结构件。 本文采用GTAW电弧实验方法对4043和4047两种铝硅合金焊丝进行电弧增材制造相关的研究,成功制造出4043和4047两种铝合金增材结构墙壁件。并对不同硅含量的两种铝硅合金焊丝的增材墙壁的宏观成型和微观组织进行比较,并揭示了硅元素含量对铝合金电弧增材结构件力学性能的影响。研究了单层单道焊缝良好成形的工艺参数范围,探究了电弧电流、行进速度、送丝速度、弧长和频率对单层单道焊缝成形影响,其中电弧频率对焊缝形貌的影响较小。最终选取合适的电弧工艺参数为电弧电流为140A,送丝速度为140cm/min,行进速度为30cm/min,电弧长度为4mm,频率为100HZ。 采用相同的焊接工艺参数用ER4043和ER4047在4043铝合金基板上进行增材墙壁的堆积,发现4047铝合金墙壁宏观成型表面起伏不平,产生了驼峰缺陷,而且4043和4047铝合金墙壁侧壁都产生了白色氧化物,但顶层焊道却产生了的无定形氧化层。比较4043和4047铝合金微观组织,发现两种增材件微观组织都有由两种相组成,分别是原铝相和铝硅共晶相,其中共晶硅弥散填充在在原初铝晶粒之间,而且顶层晶粒均由形状较小的二次枝晶组成。但是4043铝合金中部区域产生了分区现象,分为细晶区和粗晶区,甚至细晶区中由于过冷作用出现了少量等轴晶,而粗晶区是由于经过再加热过程,柱状晶变得更加粗大。4047铝合金中层间微观组织较为均匀,铝晶粒形成了二次枝晶的形状。 通过对比两种增材件的拉伸性能可知,4047增材件的横向抗拉强度最大可达到199.27MPa,横向断裂延伸率最大可达到为15%;4047增材件的纵向抗拉强度最大可达到187.98MPa,纵向断裂延伸率最大可达到为11.25%;4043增材件的横向抗拉强度最大可达到160.25MPa,横向断裂延伸率最大可达到为22.2%;4043增材件的纵向抗拉强度最大可达到152.36MPa;由此可知,4047增材件比4043增材件的强度性能更好,而塑性性能更差,通过对微观组织内的硅元素含量分析可知,4047铝合金含有更多的共晶硅成分,这是导致塑性降低的重要原因。拉伸试件的断口都出现出大量韧窝,这表明两种增材件都表现出韧性断裂的特征。对α-Al相和铝硅共晶相的纳米压痕测试分析,4043和4047中α-Al相的纳米硬度分别为0.919GPa和0.947GPa,铝硅共晶相的纳米硬度分别0.938GPa和1.053GPa,结果表明α-Al相比铝硅共晶相表现出更软的性质,进一步说明的硅元素对铝相的强化作用。 通过对增材制造金属块堆积的成型路径分析,发现当采用之字形连续焊道时,焊接过程中的热积累,使得焊道之间能够搭接得较为平整,但是在熄弧阶段出现了塌陷的情况,最终金属块的无法搭接较高层。

关键词： 电弧熔丝增材制造   钢-镍异种金属   交织沉积   裂纹行为  

摘要： 随着航空工业的发展,异种金属结构零部件的需求日益旺盛。传统异种金属结构采用焊接方式,接头冶金结合容易产生金属间化合物、裂纹等缺陷,严重影响零部件性能与服役寿命。电弧增材制造技术能实现异种金属结构与功能一体化制造,为解决传统制造难题提供了新的思路。本文以电弧熔丝增材制造技术为研究对象,采用316L不锈钢焊丝与Inconel 718镍基合金焊丝双丝交织沉积,实现了高强度钢-镍异种金属零部件制造。然而,钢-镍界面裂纹缺陷仍是困扰异种金属结构高效制造的重要原因之一。本文重点对电弧双丝交织增材制造钢-镍异种金属界面裂纹萌生与扩展的机理进行了相关的研究,内容主要包括: (1)通过采用双丝交织路径沉积钢-镍双金属薄壁结构,阐明了界面微观交织组织特征与裂纹萌生扩展之间的联系。研究发现界面交织组织主要为胞状晶和柱状晶,且有细小的等轴晶层。枝晶与晶界之间存在明显的Nb、Mo微量元素与少量碳化物的偏析,产生了长链状的Laves组织。由于IN718镍基合金密度高于316L不锈钢,熔融金属液滴表面张力较大,当IN718熔覆时,在316L沉积层表面形成熔池,在马兰戈尼对流效应下,316L基体向IN718表层呈弧线状流动,在界面处形成等轴晶层。此界面等轴晶层晶粒尺寸细小且取向无序,属于再结晶,并且对位错有钉扎作用,容易引起应力集中。另外,Nb、Mo元素的偏析,会导致碳化物和Laves相沿晶界生成,这两种低熔点、脆硬的析出物受热重熔,容易形成液膜,降低晶界强度。由此,在凝固过程中由于细晶层区应力集中且晶界强度降低,产生液化裂纹。 (2)通过建立三维瞬态热力耦合模型,模拟了电弧熔丝增材制造过程中不同沉积层数的温度场和应力场。研究了温度场和应力场对钢-镍异种金属界面处裂纹萌生和扩展的影响。研究表明由于316L和IN718的熔点以及热传导率的不同,镍侧温度梯度较大,钢侧温度梯度较小,晶粒的形核和生长呈现非均匀性,形成不同组织形貌。同时由于两种材料不同的热膨胀系数和弹性模量,界面处容易产生应力集中,且应力峰值偏向于Ni侧。在凝固过程中,残余应力为裂纹的萌生和扩展提供了必要条件。由于Ni侧的应力更为集中,因此裂纹一般从界面处的Ni侧萌生和扩展。 本文实验与理论模拟结果相吻合,充分揭示了界面微观组织与裂纹行为之间的内在联系。研究成果有助于更好地了解增材制造异种金属结构热裂纹产生和抑制机理,为制造大尺寸零部件和实际应用提供理论基础与技术指导。

关键词： MIG-WAAM   FLUENT   温度场   流场  

摘要： 增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是一种基于离散堆积原理的新材料成形概念。而电弧增材制造(Wire and Arc additive manufacturing,WAAM)是AM技术重要分支,在制造大尺寸复杂零件上具有适应性高、成本低、生产周期短等优势。但其过程不稳定性易带来成形缺陷,从微观角度分析成形过程中的温度场和流场对提高其稳定性有指导意义。实验观测受限于技术难以分析其温度场与流场分布规律。因此本文采用数值模拟方法分析电弧增材制造电弧、熔滴和熔池温度场和流场分布,揭示成形过程中的传热传质特性,为WAAM工艺改进提供理论基础。 本文以316L不锈钢焊丝为原料,基于单层单道预实验,分析沉积电流与速度对熔覆层形貌尺寸参数的影响。发现沉积电流与熔覆层的层宽和高度呈正相关,而随着沉积速度增大,熔覆层的高度和宽度均呈下降趋势。并且根据焊道形貌,选取成形稳定的工艺参数用于后续模拟。 考虑熔滴生成并滴落过程中所受主要作用力,借助VOF流体体积函数结合CSF连续表面张力模型建立熔滴过渡数值模型。分析了不同电流参数对熔滴过渡的影响,基于高速摄影图像对比模拟与实验,分析焊丝熔化部分长度与过渡频率随电流变化趋势,认为电磁力沿轴线梯度绝对值的变化是熔池过渡类型改变的主要原因。针对过渡过程中多滴粘合集中过渡的现象,分析WAAM常见滴状过渡,熔滴内部速度场变化情况。建立了基于流体动力学和电磁学原理的三维WAAM电弧模型,模拟计算常见熔覆层表面的电弧能量形态,并提取截面不同路径上的电势、速度、温度与压强参数。研究发现熔覆层对电弧形态与参量分布影响较大。 建立气、液、固耦合状态下,电弧增材制造熔池流动数值模型,探究熔池温度场与流场的变化以及熔滴与熔池的交互作用。结果表明,基板温度随沉积时间的增加逐渐升高。熔池受热输入与散热平衡的影响,从初始阶段的圆形变成稳定后的椭圆,熔池宽度与深度保持相对固定。分析熔池稳定后熔滴过渡周期内熔池形态与速度场的变化,结果表明,熔滴过渡周期内熔池上表面呈震荡扩散,上表面的速度值远大于熔池内部。分析认为是熔池上表面受到电弧力、熔滴冲击力与表面张力的共同作用所致。分析熔池纵截面与横截面的速度场与流线分布,发现涡流易出现于熔池上表面边缘与熔滴正下方,对熔深与熔宽起到扩大作用。分析沉积速度对熔池形态、温度场和流场变化的影响,结果表明沉积速度增带会加大热源前方的温度梯度,熔池中的最高温度会降低,熔池流场分布范围减小,流速减小,熔覆层的宽度与高度也会降低。对比实验熔池尺寸,与模拟结果吻合良好。

关键词： 电弧增材制造   低合金钢/双相不锈钢复合结构   过渡层   显微组织   力学性能  

摘要： 低合金钢/双相不锈钢双金属复合结构件具有优良的强度及耐腐蚀等性能,与同等尺寸双相不锈钢相比,可避免合金资源浪费,大幅降低生产成本,发挥不同材料的性能,被用于石油化工、海洋工程等多个领域。然而,传统加工制造手段在双金属复合结构件制造时,在材料成分布局及复杂结构件成型难度较大,且制造过程繁琐。而电弧增材制造技术能够使同一构件中的材料成分呈连续性变化,实现材料的结构功能一体化,在制造复合结构件方面具有巨大优势。因此,采用电弧增材制造低合金钢/双相不锈钢双金属复合结构件具有长远的意义。本文通过电弧增材制造技术成型了低合金钢/双相不锈钢复合结构,并对复合墙体各区域的微观组织构成和性能进行了表征和分析,发现在低合金钢与双相不锈钢过渡区域组织存在马氏体,导致界面硬度突变至319HV0.2,该区域与后续沉积双相不锈钢存在明显界面,界面冶金结合强度较高,但延伸率较低(～5.07%),结合界面附近存在局部性能差异。与低合金钢相比,双相不锈钢沉积金属表现出良好的耐腐蚀性能,但耐蚀性能略低于热轧态2205双相不锈钢。进行了不同双相不锈钢沉积层数增材制造试验,研究了逐层沉积过程热循环对双金属复合结构件界面微观组织和力学性能的影响,发现堆积层数在3层以上,后续堆积并未对界面组织及元素扩散造成影响。添加了奥氏体不锈钢(ER309L)过渡层用于改善双金属复合结构结合界面组织及性能,结合界面延伸率提高至14.6%,界面硬度降低(～254.3HV0.2),缓解了两侧材料性能差异,但其较高含量Ni元素使后一层双相不锈钢沉积金属奥氏体和铁素体双相比例失衡,熔合界面附近出现Ⅱ型晶界。结合奥氏体形成元素、铁素体形成元素及舍夫勒图,设计了三组不同Creq/Nieq的药芯焊丝过渡层材料,进一步优化低合金钢/双相不锈钢复合结构件界面组织及性能。结果表明,随着过渡层Creq/Nieq从 1.89增加到2.46和3.89,过渡层组织由马氏体和铁素体变为奥氏体和铁素体,均与两侧沉积金属熔合良好,过渡层Creq/Nieq从 2.46增加到3.89与低合金钢界面形成的马氏体层宽度增加,两种过渡层均与双相不锈钢沉积金属无明显界面,组织实现梯度过渡,且两侧沉积金属硬度差异减小,过渡趋于平稳,与低合金钢界面结合强度为590MPa,延伸率为12%。采用纳米压痕技术表征了低合金钢沉积金属熔合界面附近微观组织力学性能,确定了在具有浮凸的特点及附近组织形态类似位置具有较高硬度值,界面处微区力学性能不均匀,Creq/Nieq=3.89过渡层界面处硬度值最高为13.04GPa。结果表明,当过渡层Creq/Nieq=2.46时,可以有效缓解双相不锈钢沉积金属与低合金钢沉积金属界面性能差异,获得高质量的双金属复合结构件。

关键词： 电弧增材制造   热锻模具   20Cr9Mo3Ni2钢   组织与性能   成形修复  

摘要： 热锻模具是模锻件生产中必需的工艺装备,热锻模服役过程中承受高温热循环、高冲击载荷及摩擦作用,其使用寿命不高,因此,热锻模具再制造,一直是重要的研究课题。基于离散堆积原理的电弧增材制造技术具有效率高、成本低、易于自动化的特点,并能在模具基体上制造高性能的异种材料,用于模具增材修复前景广阔。为此选择20Cr9Mo3Ni2钢做为热锻模具电弧增材修复材料,对电弧增材修复成形工艺和材料组织性能进行了研究。 本研究以H13钢为基体材料,在机器人电弧增材制造系统上开展电弧增材成形试验,在单层单道试验的基础上研究凹角处的成形工艺及制造裂纹的控制,设计模具电弧增材修复方案并进行试验,研究电弧增材制造20Cr9Mo3Ni2钢热处理前后的组织与性能。采用金相显微镜、SEM、EDS、XRD等分析微观组织、物相结构,用显微硬度计、万能材料试验机测试材料的硬度和抗拉强度。 研究结果表明,在电弧电压为20V、焊枪移动速度为7mm/s～9mm/s、送丝速率为5m/min、基材预热温度高于300℃的条件下,H13钢基材上电弧增材制造20Cr9Mo3Ni2钢能获得层间结合良好、无内部缺陷、无裂纹的成形件,满足热锻模电弧增材修复要求。 研究发现,电弧增材制造20Cr9Mo3Ni2钢件不同部位因经历不同的热循环而有不同的微观组织,预热温度影响组织,特别是预热温度变化跨越Ms点时组织变化大。制件底部和中部的组织在无预热和预热温度为150℃时主要为回火马氏体,预热温度为300℃时为回火马氏体和淬火马氏体;预热温度为450℃,高于Ms点时,底部区域为马氏体和少量贝氏体,中部区域主要是马氏体;顶部组织受预热温度影响较小,主要是马氏体和残余奥氏体;不同预热温度下制件不同部位的晶间都有少量δ-铁素体存在。 电弧增材制造20Cr9Mo3Ni2钢件的抗拉强度随预热温度的升高而提高,伸长率随预热温度的升高而降低,横向抗拉强度略高于纵向抗拉强度,而横向伸长率则低于纵向伸长率;其硬度在无预热和预热温度为150℃时沿高度方向分布不均匀,底部和中部低,顶部高;预热温度为450℃时硬度高,且分布比较均匀;对包含电弧增材20Cr9Mo3Ni2钢与基材的结合区试样进行拉伸实验,发现试样断裂位于基材,表明电弧增材20Cr9Mo3Ni2钢及其与基材H13钢的结合强度高于基材。 450℃预热条件下电弧增材制造的20Cr9Mo3Ni2钢件经450℃～600℃回火处理后,组织转变为回火马氏体和回火贝氏体;回火温度为450℃和500℃时,硬度基本保持不变,在520HV左右,回火温度为550℃时,硬度有下降;经450℃～500℃、4h～6h回火后20Cr9Mo3Ni2钢的抗拉强度在1850MPa以上,伸长率在5.5%以上,并且20Cr9Mo3Ni2钢与H13钢结合区的强度和塑性显著提高。 电弧增材制造的20Cr9Mo3Ni2钢经1050℃～1100℃淬火后的组织主要是马氏体与残余奥氏体,淬火温度为1100℃、保温30min后,δ-铁素体消失;淬火后硬度随淬火温度升高而提高;1100℃淬火加500℃、4h回火后其硬度可达到500HV以上,且硬度分布的均匀性获得提高。

关键词： 冷金属过渡技术   工艺参数   显微组织   抗拉强度   耐磨性能  

摘要： 冷金属过渡电弧增材制造技术（WAAM-CMT）具有电弧生产率高、生产成本低、易生产大型零部件、低热输入的特点,有利于零部件的连续打印操作。10Cr Ni3Mo V（921A）是我国自主研发的低合金结构钢,因其具备优异的强度、良好韧性以及不错的耐蚀性等优点被用作舰船的关键零部件制造,焊丝牌号为JS590。本文以CMT电弧为热源进行再增材试验,探究增材工艺参数对单层单道焊道、多层单道直壁墙、多层多道块体的宏观尺寸、微观组织、显微硬度、拉伸性能、耐磨性能和耐蚀性能的影响因素,并得到以下结论:（1）在单层单道实验中,热输入的大小影响着焊道的宏观尺寸,而热输入又受到焊接速度与送丝速度的影响。实验表明:在成形过程中,焊道宏观尺寸随着焊接速度的增大,焊道的熔宽、熔深、余高逐渐下降,验证了单道单层铺展性与焊接速度呈正相关的关系;随着送丝速度的增大,焊道的熔宽、熔深逐渐增大,余高随着送丝速度的提高呈现上升后下降趋势,验证了单道单层铺展性与送丝速度呈正相关的关系。在焊接速度为8 mm·s-1,送丝速度为7.5和8 m·min-1时,焊道表面较为平整,为最佳工艺参数。（2）在进行多层单道直壁墙打印时,直壁墙表面随着送丝速度的增加变的更加粗糙。在显微组织方面,与单层单道焊道相比较而言基体、热影响区、重熔区组织并无明显变化,在沉积层中无马氏体组织的生成,铁素体形状变为针状和块状铁素体混合,还生成少量粒状贝氏体。在显微硬度方面,两参数下硬度变化不大,基体硬度值在230-250HV0.5,增材区的硬度值在240-290 HV0.5。送丝速度为7.5 m·min-1时,X、Y轴平均抗拉强度分别为828.7 MPa和806.2 MPa,伸率分别为13.21%和12.50%,均大于送丝速度为8 m·min-1沉积件拉伸性能。送丝速度为7.5 m·min-1时,上、中、底部的自腐蚀电位分别是-0.9829 V、-0.8726 V、-0.9905 V,在焊接速度相同的情况下,送丝速度为7.5 m·min-1增材制造件比送丝速度为8 m·min-1的增材制造件耐蚀性较好。送丝速度为7.5 m·min-1时下中底部区域摩擦系数分别为0.584、0.611、0.602,而在送丝速度为8 m·min-1时下部、中部、底部摩擦系数均在0.709左右,可得送丝速度为7.5 m·min-1时耐磨性较为优异。（3）焊接速度为8 mm·s-1,送丝速度为7.5 m·min-1时打印出的多层多道块体未出现明显的坍塌现象,块体表面整体成形质量较好。随着沉积层数的增加,物相组成逐渐稳定,基本相组成为α-Fe相,在热影响区基本组成为粗大的马氏体和块状铁素体,在重熔区与熔覆层时,马氏体组织逐渐较少甚至消失,针状与块状铁素体逐渐增多成为主要物相。平均显微硬度在235.6 HV0.5左右。随着层数的增加,到热影响区位置因为发生了马氏体转变硬度呈现升高趋势,平均硬度在323.9 HV0.5左右。当到达沉积层时及以上区域时,组织逐渐区域稳定,硬度值呈现周期性变化。试样在沿着X、Y、Z轴和结合处的平均抗拉强度分别为708.2 MPa、707.23 MPa、680.77 MPa和695 MPa。沿X、Y、Z轴和结合处的延伸率分别为15.46%、15.36%、12.21%和14.16%,四处位置的断裂方式均为有大量韧窝存在的韧性断裂。基体、上、中、底部的自腐蚀电位分别是-0.5054 V、-0.4260 V、-0.4494和-0.2963 V,底部的自腐蚀电位比上部、中部和基体要高,表明底部区域材料的腐蚀趋势较小。上中下区域平均摩擦系数分别为0.673、0.721、0.706,随着沉积层数的增加,摩擦性能开始逐渐变好,当到达一定的沉积层数时,摩擦性能开始呈现下降趋势,其主要原因在于最上层部分组织晶粒尺寸变大的原因导致。

关键词： 铝合金电弧增材   多物理场耦合建模   铝蒸气   焊丝回抽   电弧特性   传热流动   外加磁场  

摘要： 将焊丝回抽及电信号波形控制集成于传统MIG工艺中的改进MIG工艺具有金属过渡稳定、热输入小、无飞溅等优点。以改进MIG为热源的电弧增材逐步成为高效、低成本制造大尺寸高性能铝合金构件的重要技术之一,在航空、航天、汽车等多个领域有广泛的应用前景。为了改善成形质量,外部磁场作为一种主动灵活的辅助手段被引入至电弧增材制造过程中。磁场辅助铝合金改进MIG电弧增材涉及焊丝回抽运动与金属过渡的交互作用,以及外部磁场与焊接瞬态电流的交互作用,其工艺过程传热、传质及流动行为高度复杂。然而,由于实验观测手段及现有数值模型的局限性,对该工艺过程特征物理场演变行为理解认识尚不完整。为推动理论拓展和工程应用,本文开展外加磁场条件下铝合金改进MIG电弧增材多尺度多物理场耦合建模研究,综合考虑焊丝回抽运动、电弧加热、金属蒸发、熔滴过渡、熔池熔化与凝固、焊丝相对于基板移动及外加磁场搅拌等物理过程,模拟揭示成形过程电弧特性参数及金属热动力学行为演变机制。 本文首先设计搭建了外部磁场复合的改进MIG电弧增材制造平台。在不同磁场参数下铝合金单层单道熔覆试验的基础上,开展了2.0A 70Hz磁场参数下60层单道薄壁结构熔覆对比实验。系统研究了外部磁场对电弧形态、熔滴过渡、熔覆层形貌、晶粒形态、抗拉强度和显微硬度等的影响。结果表明,合理的磁场参数下,电弧被压缩,类射滴过渡现象减少,薄壁件表面成形质量改善,底部和顶部组织细化,气孔数量和尺寸均被抑制,但抗拉强度和显微硬度未明显提升。 其次,考虑熔滴过渡,建立了MIG电弧增材熔滴-熔池弱耦合模型。模型中,基于高斯分布的经验模型描述电弧对熔滴、熔池金属的热力学作用,采用动网格技术实现计算域随熔覆层数增加的动态扩展。计算研究了铝合金单层单道以及五层单道成形过程形貌演变和熔池传热流动行为,并探究了成形路径和层间冷却对熔覆层形貌和熔池热动力学行为的影响。结果表明,往复成形路径可以有效抑制成形高度变化,提高成形稳定性;层间充分冷却可以缩小熔池尺寸,降低熔池失稳倾向,并使熔覆层形貌更高、更窄;多层单道熔覆过程中,需进一步降低较高熔覆层的热输入以提高成形均匀性。 随后引入电弧和金属蒸气,通过在计算域统一求解磁流体动力学方程组隐式地考虑电弧与熔滴和熔池之间的热力学作用,并采用移动参考系方法处理电弧与基板的相对移动,建立了MIG电弧增材电弧-熔滴-熔池强耦合模型。计算研究了铝合金电弧增材熔滴过渡过程电弧特性参数演变和金属热动力学行为,以及焊接工艺参数对熔覆层形貌和熔池热动力学行为的影响机制。结果表明,铝蒸气和熔滴过渡显著影响了电弧特性参数分布,控制MIG电弧增材熔池稳定性的关键是控制熔滴过渡行为;焊接电流的增加提高了熔池金属的平均温度和流速,改善了熔覆层表面平整度,而熔覆速度的增加使得熔池长宽比增大,金属流速弱化速率加快,熔覆层表面平整度变差。 进一步引入焊丝回抽特性,建立了改进MIG电弧增材电弧-熔滴-熔池强耦合模型。计算研究了焊丝回抽运动与熔滴长大、过渡交互作用下的电弧和金属特征物理场演变,以及基板预热温度对熔覆层形貌和熔池热动力学行为的影响机制。结果表明,电弧特性参数演变不仅与焊接瞬态电流相关,还依赖于焊丝与熔池之间的距离;相比于传统MIG电弧增材,改进MIG电弧增材熔滴过渡金属动量更小,温度更低,成形更稳定;基板预热温度为400K左右时,熔池的热对流效应增强,熔覆层成形质量最好。 最后,本文引入外部磁场,建立了磁场复合的改进MIG电弧增材多物理场耦合模型。基于该模型研究了纵向交变磁场对焊丝运动过程中电弧-熔滴耦合行为及熔池传热、流动行为的影响规律,并结合实验研究揭示了外部磁场对铝合金电弧增材成形形貌和组织性能影响机制。外部磁场对成形形貌和首层组织的影响主要归因于其减少了类射滴过渡现象的出现,促使了电弧中心低温空腔和低速空腔的形成,降低了电弧等离子体对金属表面的热传导,同时使得熔滴金属过渡到熔池时平均温度更低,熔池金属温度梯度减小,对流强度增强。 本研究完善了电弧增材制造多物理场耦合数值模拟体系,加深了对传统MIG及包含焊丝回抽的改进MIG电弧增材过程中传热、传质和金属流动行为等科学本质的理解认识,并为磁场辅助铝合金改进MIG电弧增材制造优化成形质量提供定量化的理论和工艺指导。