关键词： 电弧增材制造   GMAW   TIG   铝合金   数值模拟  

摘要： 铝合金结构件因其密度小、比强度高等优点广泛应用于航空航天、汽车等轻量化设计领域中,并朝着高精度、大尺寸和复杂形状发展,但传统加工工艺制造铝合金性能难以提升、制造效率低、依赖模具、结构设计响应慢的问题日益凸显,不能满足工厂对成形铝合金结构件的需要。电弧增材制造技术(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)具有沉积速率高,成形速度快以及适合各种成形环境的优点,吸引了越来越多的高校及科研机构投入其中,如何进一步发挥电弧增材制造的优势是当下的研究热点。本研究利用自主搭建的TIG-GMAW复合电弧增材制造系统,进行了5356铝合金焊道的成形,分析了电弧电流与扫描速度对焊道成形质量的影响机制。发现提高电弧电流、降低扫描速度均可通过提高电弧增材过程中的热输入,使得单道单层成形件的熔池深度、熔池宽度以及余高增大;相同工艺参数下,TIG-GMAW复合电弧工艺成形件中的裂纹和气孔缺陷少于GMAW成形件,并且复合电弧获得表面平整焊道工艺参数范围比GMAW工艺更大,即TIG-GMAW复合电弧工艺在成形速率不低于GMAW工艺的前提下,成形焊道质量更优异。使用Fluent软件建立了铝合金TIG-GMAW三维熔池瞬态数值模型,实现了“电流密度-电弧压力-电磁力-电弧热”在变形熔池表面的一体化自适应分布,对比分析了GMAW与TIG-GMAW两种工艺中液态金属的受力、受热状态,研究了熔池温度场、速度场和熔池形态等行为对焊道成形的影响。发现焊道成形可分为电弧加热,熔滴冲击和填充凝固三个阶段:电弧加热阶段,工件表面熔化形成液态金属薄层并向后流动;熔滴冲击阶段,熔滴热力起主导作用,高温液态金属高速向后流动;填充凝固阶段,惯性力起主导作用,液态金属在熔池尾部堆积、凝固形成余高。引入TIG电弧后,熔池内液态金属平均温度更高;TIG电弧对GMAW电弧的排斥作用,使得GMAW电弧集中度更高,熔池内液态金属后向流动加剧,达到准稳态后熔池长度增大,宽度降低,GMAW电弧下方凹陷区域更宽、更深。最后采用TIG-GMAW复合电弧增材工艺成形了单道多层铝合金薄壁件,分析了电弧电流与扫描速度对成形件宏观形貌、微观组织、主要缺陷以及力学性能的影响。结果表明:改变电弧电流与扫描速度均可成形上表面平整、侧面光滑的单道多层铝合金薄壁件;单道多层成形件的微观组织分为沉积层与重熔区,沉积层晶粒为粗大的树枝晶,重熔区受到下一层的加热,发生再结晶,晶粒为较为细小的等轴晶。电弧电流的增高以及扫描速度的降低均会使得电弧热输入增加,高温熔滴与沉积件温度梯度降低,导致液态金属无法快速凝固。成形件水平方向受热均匀,温度梯度小,气孔缺陷较为均匀;垂直方向温度梯度大,微观组织分布不均匀,故成形件水平方向的抗拉强度明显高于垂直方向,力学性能呈各向异性。

关键词： 冷金属过渡   镍基高温合金   电弧增材   热处理  

摘要： Inconel 625合金是一种FCC面心立方结构的固溶强化型镍基高温合金,广泛应用于燃汽轮机、航空发动机、核动力设备等高温热端部件。在恶劣的工作环境下,热端部件受到冲击、磨损、高温侵蚀和交变应力的作用易产生烧蚀、热裂纹、断裂等损伤,直接影响装备的服役安全。因此,对损伤的高温合金零部件进行修复以恢复其尺寸和服役性能是目前亟待解决的问题。基于增材制造技术发展起来的增材修复技术,可在受损零件原有的基础上进行增材成形,能够极大的节约生产、加工成本,缩短生产周期,延长零件的使用寿命。其中,冷金属过渡（CMT,Cold Metal Transfer）电弧增材修复技术具有热输入小、成形效率高等优点,可以降低传统熔化极电弧增材过程因热输入过大而造成的沉积组织粗大、合金元素严重偏析的缺点。因此,CMT电弧增材工艺有望用于镍基高温合金增材修复以获得更佳的修复质量。鉴于此,本课题采用CMT电弧增材修复技术在Inconel 625基体上进行增材修复试验,研究了不同的工艺参数、层间冷却温度、沉积路径以及热处理工艺对沉积层组织与性能的影响规律,为Inconel 625合金CMT电弧增材修复及强化后处理工艺调控提供参考依据。（1）研究了不同工艺参数对CMT电弧增材单道单层熔覆层组织与性能的影响,结果表明CMT电弧增材对Inconel 625合金具有良好的工艺匹配性。熔覆组织主要逆热流生长的γ-Ni树枝晶组成,同时存在因成分偏析形成的Laves相和细小的MC型碳化物颗粒相。焊接速度和送丝速度对熔覆层的宏观尺寸和显微组织具有重要的影响,随着焊接速度的增加,熔覆层的熔宽、熔深和余高减小;随着送丝速度的提高,熔覆层的熔宽、熔深、润湿角和余高系数变大,送丝速度对熔覆层的铺展性影响显著。热输入的减小能使熔覆层组织更加致密从而提高熔覆层的硬度。用成分过冷理论对熔覆组织形貌和枝晶尺寸进行分析,熔覆层组织主要与温度梯度G和凝固速率R有关,G/R决定了凝固组织的结晶形态,G×R决定了凝固组织的大小。最终,得到了CMT电弧增材Inconel 625合金的最佳工艺参数区间为焊接速度7-10 mm/s,送丝速度7-8 m/min。（2）研究了不同层间冷却温度对CMT电弧增材成形直壁墙组织与性能的影响。设置层间冷却相较于无层间冷却沉积的直壁墙表面更加光滑,有更少的缺陷,组织更加均匀。直壁墙的力学性能存在明显的“各向异性”,拉伸试验表明沿树枝晶生长方向呈现“低强度、高塑性”的特点,直壁墙横向最高抗拉强度为637.9 MPa,最大延伸率为51.9%,纵向抗拉强度为623.2 MPa,最大延伸率为59.9%。（3）研究了往复和交叉沉积路径对CMT电弧增材块体组织与性能的影响。交叉沉积路径得到的块体表面美观,基板变形小。拉伸试验表明,垂直于往复焊接方向具有最高的抗拉强度为801.8 MPa,而交叉沉积路径沉积层力学性能更为均匀,抗拉强度为762.2MPa。（4）研究了固溶、时效、固溶+时效三种热处理工艺对块体增材组织和性能的影响,重点分析了增材组织在热处理过程中析出相的演变机制,包括Laves相的溶解机制、δ相的转化机制。Laves相的溶解主要受Nb原子的扩散过程控制,当固溶温度达到1100℃时,Laves相完全消失,沉积组织由树枝晶转变为等轴晶;δ相的析出主要由基体中γ〞相的转化和富Nb相的溶解,包括Laves相的溶解和富Nb碳化物溶解发生MC+γ→M23C6+δ反应。时效热处理对CMT电弧增材组织的性能的提升最为明显,热处理后沉积组织硬度最高为271.1 HV0.5,抗拉强度最高为934.6 MPa,相较于沉积态合金硬度提高了45.4 HV0.5,抗拉强度提高了172.4 MPa。

关键词： 2219铝合金   CMT增材制造   微观组织   力学性能   热处理  

摘要： 电弧熔丝增材制造(WAAM)技术使用电弧作为热源熔化金属丝材,以逐层堆叠的方式由三维设计模型直接制造出金属部件,配合改进后拥有低热输入特性的冷金属过渡(CMT)技术在实际应用中有更优良的表现,可以满足大规模、集成化、轻量化、复杂化的制造需求。然而此种增材技术成形的材料仍然面临着因组织缺陷带来的性能不稳定的难题。因此,针对该技术成形材料的深入组织性能研究和后续的热处理工艺的研究对于该技术的应用具有重要的实际意义。根据WAAM的应用场景,本研究选择适用于制造航空航天行业大型结构件的2219铝合金作为对象,研究了沉积态合金的组织和性能特征;针对材料的热处理工艺进行优化,研究了均匀化退火热处理对合金材料组织和性能的影响、对后续T6热处理制度的影响。 实验结果表明,由于CMT-WAAM成形过程中的超常凝固过程,成形的合金材料晶粒尺寸比传统铸造合金更为细小,且在XOY、YOZ两个面呈现不同的微观结构。此外,从纵截面观察发现CMT-WAAM成形样品的顶部、中部、底部组织存在差异,组织存在交替分布的层内区和层间区,伴有明显的成分偏析,需要均匀化退火处理改善其组织,为后续的固溶与时效做准备。在经过均匀化处理之后,合金材料的硬度、强度出现下降,但是改善了合金的偏析行为,降低了力学性能的各向异性。通过均匀化和固溶处理,可以最大限度地使Cu溶于Al基体,随后通过时效处理,析出与Al基体呈共格、半共格结构的亚稳强化相θ″与θ',从而提高其综合力学性能。 本研究确定了515℃×24 h均匀化处理、535℃×1 h固溶处理、180℃×5 h人工时效处理的最佳热处理制度。其中综合力学性能以合金中部增材方向X的试样为最佳,抗拉强度为390.8 MPa,屈服强度为265.8 MPa,硬度为159.1 HV,延伸率为7.6%。CMT-WAAM各部位试样的平均值为374.7 MPa,269.5 MPa,160.4 HV。相对于传统铸造2219铝合金,其抗拉强度提高24.4%,屈服强度提高4.6%,硬度提高5.2%,延伸率提高280%,全面优于铸造成形2219铝合金T6态的综合力学性能,具有优异的工业化应用前景。

关键词： 双钨极-丝极间接电弧   对接焊   增材薄壁墙体   组织   力学性能  

摘要： 对于传统电弧焊来说,由于母材直接接受电弧热,因而其热输入较大且难以控制,在某些要求焊接熔敷率大和母材熔化量低的场合下,由于无法满足相应条件,使电弧焊应用及其发展受到一定程度的制约。双钨极-丝极间接电弧焊作为一种新型焊接技术,母材不连接电源,电弧建立于钨电极与焊丝之间,具有对母材热输入小、熔敷率高的优点。本文通过采用双钨极-丝极间接电弧焊方法,首次实现了薄板对接焊工艺,并分析了工艺参数对其焊缝成形、熔池特性以及组织性能的影响,同时利用其稳定的焊接过程开发出双钨极-丝极间接电弧增材制造工艺。具体研究内容和结论如下: 首先通过调整焊接电流与焊接速度参数来分析其对双钨极-丝极间接电弧薄板对接焊焊缝成形特征、组织性能以及熔池特性的影响。研究发现,当焊接电流小于320A和焊接速度低于660mm/min时,可形成良好焊缝成形,随着焊接电流的不断提高,使得FZ和HAZ晶粒尺寸不断变大,同时也导致FZ平均硬度相应降低,减小16.30%。另外与传统冷填丝电弧焊对比,双钨极-丝极间接电弧焊形成良好焊缝成形的极限焊接速度可以达到600mm/min,提高了4倍。 然后通过改变焊接电流、焊接速度以及焊接高度参数实现了双钨极-丝极间接电弧增材薄壁墙体的成形,并分析其对薄壁墙体宏观形貌、截面特征、材料利用率以及表面粗糙度的影响。研究发现,焊接电流的提高、焊接速度的降低以及焊接高度的增加均不利于薄壁墙体的良好成形,同时也会降低其材料利用率和提高表面粗糙度。同时表明双钨极-丝极间接电弧增材工艺在保持焊接电流为100+100A,焊接速度为300mm/min,焊接高度为5mm时,参数之间的配合最好,堆积形成的墙体形貌较好,材料利用率最大,为84.34%,表面粗糙度较低,为1.87mm。 最后研究了焊接电流、焊接速度以及焊接高度等参数对双钨极-丝极间接电弧增材薄壁墙体微观组织及其性能的影响。结果表明随着焊接电流的增加,焊接速度和焊接高度的减小,分界面处的平均晶粒尺寸呈现略微增大的趋势,但变化不太显著,这使得试件整体硬度无显著变化。通过与传统TIG电弧增材薄壁墙体相比,双钨极-丝极间接电弧增材薄壁墙体的高度增大了约1.68倍,同时其HAZ宽度降低了19.43%。另外与传统MIG电弧增材薄壁墙体对比,双钨极-丝极间接电弧增材薄壁墙体的平均等效残余应力值为140.5MPa,降低44.16%,这体现其熔敷率高、热输入低的优点。

关键词： Fe-Mn-Si-Cr-Ni合金   电弧增材制造   粉芯丝材   B元素添加   退火温度   记忆性能  

摘要： 铁基记忆合金是一种成本低廉、记忆性能稳定、耐腐蚀性强的记忆合金，然而形状恢复率低和复杂结构成型性差限制了其工程化应用。增材制造是一种可以实现复杂零件近净成型的先进制造技术，但是在成型铁基记忆合金时易出现元素烧损等对记忆性能产生不利影响的现象。针对上述问题，本文以铁基记忆合金中综合性能优良的Fe-Mn-Si-Cr-Ni合金为研究对象，以具有“皮包粉”抗损结构与成分易调控的粉芯丝材为增材制造用材，围绕“粉芯丝材增材制造Fe-Mn-Si-Cr-Ni合金成分控制与记忆性能调控”，研究保证增材制造铁基记忆合金成分准确的途径，同时在此基础上探索微量B元素添加和退火温度对铁基记忆合金记忆性能的调控，旨在获得性能优异的增材制造铁基形状记忆合金，为其更广泛的工程化应用提供支持。　　本文完成的主要研究工作以及获得的研究结果如下：　　（1）研究了Fe-Mn-Si-Cr-Ni合金粉芯丝材增材制造理论与工艺优化抑损。通过分析Fe-Mn-Si-Cr-Ni合金成分－组织－性能之间的联系确定了所研究合金的具体成分，并且对粉芯丝材在增材制造中保证熔池成分均匀性、抑制元素烧损等机制进行了阐述。同时，借助Simufactwelding软件对电弧增材制造Fe-Mn-Si-Cr-Ni合金的温度场进行了数值分析，分析了输入电流和沉积速度对温度场的影响，以合金能够充分熔融且成分准确性高为优化目标，得到了本文实验条件下的最佳电弧增材制造工艺参数，即输入电流180A，沉积速度0.4m/min，经实验验证采用该工艺参数所制备的合金拥有良好的成型性且此时合金的实际成分与设计成分相差最小。　　（2）研究了粉芯丝材增材制造Fe-Mn-Si-Cr-Ni合金的元素烧损行为与补损。分析了铁基记忆合金增材制造过程中的元素损失形式，采用优化工艺参数制备了多种不同成分的Fe-Mn-Si-Cr-Ni合金并检测了合金的实际成分，研究发现电弧增材制造中易发生低沸点元素Mn、Si的蒸发，而且熔池融凝特性使得合金中的Si元素易在熔池中上部产生宏观偏析并氧化，进而加剧了Si元素的实际烧损。同时，以实测合金成分为依据拟合出合金中易烧损元素的绝对烧损率与设计含量间的数值关系，建立了粉芯丝材增材制造Fe-Mn-Si-Cr-Ni合金实际成分预测模型，以该模型可反求出增材制造用粉芯丝材的成分，经实验验证所制备合金成分各元素与设计值最大误差仅为1.7%。　　（3）研究了微量B添加对增材制造Fe-Mn-Si-Cr-Ni合金记忆性能的调控。结果表明，合金的记忆性能随B的添加量增加先增后减，添加0.05wt.%B的合金具有最好的记忆性能，在4%预变形下可恢复应变达到了3.02%。分析认为，B的添加细化了合金晶粒，同时在晶内和晶界上析出的硼化物强化了合金的母相，降低了合金的层错能，且晶内析出的硼化物为马氏体的生长提供了更多的形核点，使得合金在变形时更多的以马氏体变形承担。然而，当B含量过高时如本文研究中添加0.1wt.%和0.3wt.%的B，聚集性的硼化物析出使得作为第二相的硼化物对合金强度的强化作用减弱，同时在晶内硼化物的聚集处容易出现马氏体环绕交叉生长的现象，降低了可恢复马氏体的数量。　　（4）研究了退火温度对增材制造Fe-Mn-Si-Cr-Ni合金记忆性能的调控。结果表明，合金的记忆性能随退火温度的升高先增后减，其中经750℃退火的合金具有最好的记忆性能，其在8%预变形下可恢复应变达到了5.44%，比未退火时提高了65%。分析认为，退火后合金内部的降温马氏体分解，避免了应力诱发的马氏体与降温马氏体的交叉，显著提高了马氏体的可恢复性;同时退火增加了合金的奥氏体化程度，提高了合金变形时奥氏体相变承担的部分，这些综合提高了合金的记忆性能。然而，当退火温度过高时比如本文研究条件下退火温度为900℃时，合金内部的层错会大量分解，而且晶粒尺寸长大明显，阻碍了应力诱发马氏体的转变，进而恶化了合金的记忆性能。

关键词： 摆动激光-电弧复合增材   TiC颗粒   工艺优化   表面粗糙度   气孔率   组织性能  

摘要： 2219铝合金熔丝增材面临组织不均匀、气孔缺陷和晶界偏析的问题,限制了沉积体的力学性能。在增材过程中加入TiC颗粒作为异质形核位点可以起到细化晶粒、均匀组织、抑制偏析并提升强度的作用,但颗粒影响了熔丝增材沉积体的成形并使沉积体气孔率大幅提高。因此本课题选择TiC颗粒增强2219铝合金焊丝,针对颗粒增强焊丝成形困难的问题开发了摆动激光-电弧复合增材(Oscillating laser-arc additive manufacturing,OLHAM)工艺,针对OLHAM的工艺特性、宏观成形、气孔缺陷和组织性能开展了研究。 优化了TiC颗粒增强2219铝合金焊丝的OLHAM的工艺参数,分析了激光功率、沉积电流、沉积速度、激光摆动模式、摆动频率和摆动幅度对单道沉积层和单道多层沉积体成形的影响。激光功率、沉积电流和沉积速度对单道沉积层的成形影响较大,摆动参数对沉积层成形影响较小。探究了工艺参数对沉积体气孔率和表面粗糙度的影响。激光功率、沉积电流和沉积速度对沉积体气孔率和表面粗糙度存在较大影响。摆动频率和摆动幅度对沉积体气孔率影响显著,对表面粗糙度影响较小。通过统计沉积层的层宽、层高和接触角以及沉积体的气孔率和表面粗糙度对OLHAM工艺进行了优化,得到了表面粗糙度和气孔率最低的OLHAM工艺参数:激光功率1500 W、沉积电流90 A、沉积速度0.6 m/min、圆形摆动模式、摆动频率250 Hz、摆动幅度1.5 mm。 分析了摆动激光对TiC颗粒增强2219铝合金OLHAM沉积体成形的优化作用,揭示了摆动激光降低沉积体表面粗糙度与抑制沉积体气孔缺陷的机理。提取计算了沉积体的表面粗糙度,并借助高速摄像分析了摆动激光降低沉积体表面粗糙度的机理:摆动激光的引入提高了热源的能量密度,使沉积层横截面曲率半径增加,重熔深度增加,层高降低,有利于侧壁成形质量优化。沉积体表面粗糙度降低了46.0%。利用3D XCT表征了沉积体的气孔分布特征,结合高速摄像分析了摆动激光抑制气孔的机理:摆动激光搅动熔池的作用提升了熔池的流动性,促进了熔池内的气泡逸出熔池,缓解了TiC颗粒增加熔池粘度并使熔池流动性降低对气泡逸出带来的限制。沉积体气孔率降至0.027%。 表征了TiC颗粒增强2219铝合金OLHAM沉积体的显微组织与力学性能。EBSD分析结果表明,TiC颗粒促进异质形核的效果十分明显,组织均匀化效果良好,平均晶粒尺寸为14.4±5.0μm。采用扫描电镜结合能谱分析研究了第二相分布特征。TiC颗粒降低了晶界处的Cu元素含量,抑制了晶界偏析缺陷。晶界周围析出了圆盘状(针状)的亚微米尺度θ'相和团簇分布的纳米尺度的θ''相,起到了沉淀强化的作用。沉积体的显微硬度达到91.5±3.3 HV,抗拉强度达到305 MPa。细晶强化、Orowan强化、沉淀强化和载荷传递强化协同作用提升了沉积体的强度,沉淀强化对强度的提升量最大。

关键词： 电弧增材制造   机器学习   熔池   缺陷   特征识别  

摘要： 电弧增材制造是一种以电弧为热源的逐层堆积零件成形技术,具有众多优点,但其工艺过程基本上为开环过程,也就是以既定的参数进行逐层沉积,且沉积金属会经历多次热循环,使增材制造工件的成形、组织结构与力学性能难以用传统冶金知识以及试错实验来控制。由于增材制造过程中的熔池特征变化与产生的缺陷均会影响工件最终质量,本文从这两个角度出发,采用基于机器学习的方法进行熔池尺寸提取与一些种类的增材缺陷的检测,给后续通过反馈控制或修复来实现对电弧增材制造产品工件的质量控制提供参考,为实现高效智能化电弧增材制造做铺垫。 本文首先开发并对比了三种方法在熔池尺寸在线提取任务中的提取效率与准确性,研究发现基于CPU/GPU异构并行计算的图像处理法的提取效率最高,相比于基于CPU的图像处理法,熔池图像平均处理时间缩短至6.1ms,加速效果达4.9倍;最大处理时间缩短至11.2ms,加速效果达7.6倍。而机器学习法的加速效果也较好,熔池图像平均处理时间缩短为11.7ms,加速效果达2.5倍;最大处理时间缩短至16ms,加速效果达5.3倍。基于CPU/GPU异构并行计算的图像处理法与机器学习法均可实现30帧视频的熔池尺寸在线提取,但机器学习法提取的熔池尺寸准确性更高,同时还可以较为准确地反映熔池尺寸在增材制造过程中的变化情况。 然后,本文进行了基于机器学习的缺陷在线检测算法研究,电弧增材制造过程中的熔合不良缺陷可实现在线检测,最佳检测模型具有优异的性能,精确率为0.999,召回率为0.982,m AP50指标为0.995,m AP50:95指标为0.813。 由于在线检测的相机视野有限、有些缺陷滞后产生以及可能发生漏检的情况,因此需要在电弧增材制造的层间进行质量检测,本文通过路径规划等方法获取了裂纹和沉积层样本,分别针对2种应用场景建立基于YOLOv5算法的目标检测模型。结果表明,裂纹缺陷检测模型的性能指标并非十分优异,检测中存在错检与漏检等情况,但可通过多角度检测同一裂纹来提高裂纹检出率;沉积层质量检测模型的性能指标较为优异,尤其是对工件的定位于分类任务,对于熔合不良缺陷,从混淆矩阵分析得出存在7%的漏检率,但在具有531个裂纹的24张图像中,实际漏检数量为31,裂纹漏检率仅为5.8%,说明模型具有一定的泛化能力。 本文通过机器学习法建立相关模型,实现了熔池特征尺寸较为准确地在线提取、熔合不良缺陷的在线检测与沉积层层间的质量检测,实现了电弧增材制造的全流程质量检测。

关键词： 双钨极-丝极间接电弧   电弧增材制造   电弧形态   熔滴过渡   交变平行磁场  

摘要： 大尺寸厚壁结构件的生产对高熔敷率电弧增材制造技术提出迫切需求。传统TIG电弧增材制造过程稳定、控制灵活、成本低,但其熔敷率低的问题制约了其在大尺寸结构件成形制造的应用。TIG电弧的热输入与熔敷率是耦合的,在提高熔敷率的同时增大了热输入,加重成形件的热积累程度,从而降低沉积件的成形质量和性能。为了解决这一矛盾,本文提出一种新型双钨极-丝极间接电弧,电弧建立在一根丝极与两根钨极之间,而工件不接电,实现了热输入与熔敷率的解耦控制,具有高熔敷率与低热输入的特点,以实现高成形效率与质量的增材制造。同时,为了进一步增大熔敷层宽度,提高厚壁结构件的成形效率,本文将交变平行磁场应用于双钨极-丝极间接电弧增材制造过程,通过控制其电弧、熔滴及熔池行为,以增大沉积层宽度。主要研究内容及结论如下: (1)分析了双钨极-丝极间接电弧的电弧耦合形成与熔滴脱落机理,并研究了电弧行为与熔滴过渡的影响因素。双钨极-丝极间接电弧的两个钨电极分别与丝极形成电弧导电通道,且在电磁力作用下耦合形成一个整体电弧。电弧行为主要取决于电弧空间的电离程度,以及作用在带电粒子上的电磁力和等离子流力。与传统熔化极电弧不同,双钨极-丝极间接电弧的特殊导电结构使电弧压力成为熔滴过渡的重要驱动力。对于240 A的电弧电流,当送丝速度区间为7.6-8.3 m/min时,电弧形态集中、竖直向下,熔滴顺利脱落,过渡路径规则。本实验条件下,双钨极-丝极间接电弧的熔滴实现稳定射流过渡的临界电流约为180 A,低于传统熔化极电弧。与单钨极-丝极间接电弧不同,双钨极-丝极间接电弧从两个钨电极发射电子,导致其电弧电流密度较低,从而电弧峰值温度较低,但电弧温度分布范围较大,变化梯度较低。 (2)分析了双钨极-丝极间接电弧的热量传递行为与熔池行为,并研究了熔池温度分布与熔池行为的影响因素。与传统TIG电弧相比,双钨极-丝极间接电弧的热输入较低,主要包括电弧的热传导与熔滴携带的热焓,而不包含电极区产热及工件产生的电阻热;同时,焊丝熔化机制发生本质改变,较高的电极区产热保证其较大的焊丝熔化速度。在熔池前部,电弧压力、熔滴冲击力及电弧剪切力共同驱动熔融金属以一定的速度向熔池四周流动;在熔池尾部,马兰格尼力驱动熔融金属从熔池边缘向熔池中心流动。 (3)进行双钨极-丝极间接电弧增材制造工艺研究。电弧多层单道沉积时,熔池液态金属稳定存在的条件是表面张力和支撑力等阻碍其流淌的作用力不小于电弧压力、熔滴冲击力和重力等促进其流淌的作用力。在保证沉积件良好成形的前提下,与传统TIG电弧填丝相比,双钨极-丝极间接电弧的焊丝熔敷率提高2.75倍以上,基板热影响区减小1.2倍。在一定的电弧电流范围内(160 A,240 A),作用在熔敷层液态金属上的驱动力达到平衡,从而熔池达到稳定状态,获得成形质量良好的沉积件。其中当电弧电流和堆积速度分别为200 A和5 mm/s时,成形件的材料利用率和表面粗糙度分别达到89.28%和1.04 mm。 (4)为提高沉积件宽度以实现厚壁构件的成形制造,设计外加交变平行磁场并用于辅助双钨极-丝极间接电弧增材制造过程。在外加交变平行磁场作用下,作用在电弧和熔滴上的外加电磁力的方向周期性改变,导致电弧和熔滴以一定频率周期性摆动,从而增大了电弧压力和熔滴冲击力在垂直于堆积方向上的分量,同时促进了对熔融金属的搅拌作用,因而提高了熔池的横向流动趋势。当励磁电流为35 A、励磁频率为10 Hz、电弧电流为200 A时,双钨极-丝极间接电弧增材制造成形件的平均宽度为8.6 mm,较不加磁场时的成形件增大22.9%,较传统TIG电弧填丝成形件增大34.4%。此外沉积层宽度的增大,提高了对下一熔敷层熔池的支撑作用,从而有利于熔池的稳定存在,确保了沉积件的成形质量。