关键词： 2319铝合金   电弧增材制造   人工神经网络   遗传算法   反向设计  

摘要： 2319铝合金因其具有强度高和热稳定性能优异等特点,被广泛应用于飞行器大型结构件的制造。但目前针对铝合金采用的机械加工手段,往往存在材料利用率低、制造周期长等问题。电弧增材制造技术以电弧为热源、以丝材为填充材料,具有材料利用率和成形效率高等优点,适用于大型结构件的打印。当前对电弧增材制造技术“工艺参数-微观组织/气孔缺陷-力学性能”之间的关联关系及工艺参数反向设计研究尚浅,难以探寻最优工艺窗口。本文针对2319铝合金CMT电弧增材制造技术,研究了工艺参数对微观组织和气孔缺陷的影响规律,进而阐明了微观组织和气孔缺陷对力学性能的综合影响机制。基于人工神经网络技术,搭建依据性能设计工艺参数的反求模型,获取较优工艺参数组合并予以试验验证。 首先,研究了不同工艺参数组合下2319铝合金电弧增材制造试样晶粒尺寸、气孔率和拉伸强度的变化规律。构建了沉积层的微观组织形貌、气孔缺陷和拉伸强度之间的映射关系,探明了晶粒形态和气孔缺陷对拉伸强度的综合影响机制。研究表明,沉积层主要由粗大和细小的等轴晶交替出现组成。随着扫描速度的增加,平均晶粒尺寸减小;随着送丝速度的增加,平均晶粒尺寸增加。此外,晶粒尺寸小且气孔率低的电弧增材制造试样的拉伸强度较高。 其次,基于人工神经网络技术,分别搭建了性能正求和工艺参数反求模型。通过反复迭代训练,得到预测精度较高的正反求模型。BP正求模型的预测性能的绝对误差率低于3.0%,BP反求模型对送丝速度的预测平均绝对误差率为4.52%。 然后,通过在人工神经网络模型中引入遗传算法,进一步提高模型的预测精度。经遗传算法优化的性能正求模型的预测性能的平均绝对误差率低于2.0%,经遗传算法优化的反求模型预测送丝速度的平均绝对误差率为3.10%。并将优化后的性能正求模型设计为反求模型的验证,用以提高反求模型预测的整体精度。 最后,通过反求模型设计满足性能需求的的多个工艺参数组合,且选取较优工艺参数组合开展电弧增材制造试验验证。进一步对电弧增材制造验证试验件的晶粒尺寸、气孔缺陷和力学性能进行数据采集与分析,并通过该构件的拉伸强度数据验证参数反求模型的预测能力。较优工艺参数组合下的四个电弧增材制造验证试验件的拉伸强度分别为241 MPa、274 MPa、234MPa和262 MPa,均达到目标性能。

关键词： 电弧增材制造   多层多道熔敷   热场调控   熔敷道搭接模型   熔敷层边缘叠加模型  

摘要： 双钨极氩弧增材制造技术通过降低电弧压力,扩大工艺区间来提高熔敷效率,且熔敷过程稳定性强,具有广泛的应用前景。然而,该方法在增材多层多道结构时存在严重的熔敷层表面不平整和成形件侧边材料缺失的问题。针对上述问题,本文提出了双钨极氩弧热场调控新方法,开展了熔敷道搭接工艺优化和多层多道边缘材料缺失问题改善研究,为提高双钨极氩弧增材制造的成形质量提供理论支持。 首先为了提高熔敷层表面的平整度,探索了双钨极氩弧热场调控对耦合电弧形态、熔敷道铺展成形的影响规律,提出一种熔敷道搭接工艺优化方法:为双钨极加载不同大小的子电流,打破电弧等离子体的对称性,进而调控电弧热场,促进熔融金属向搭接区域铺展填充,实现熔敷道搭接工艺优化。结果表明,该方法能够有效改善双钨极氩弧增材制造熔敷层表面的平整度,使熔敷层表面平整度值优于0.05mm,熔敷层表面高度差与该层高度的比值小于3%。采用二次回归通用旋转组合设计方法,建立了双钨极氩弧增材制造的熔敷道宽度和高度关于熔敷电流、增加的子电流和行走速度的回归模型,为双钨极氩弧增材制造在常用的工艺窗口内选择合适的搭接参数规划提供依据。 其次为了解决成形件侧边材料缺失的问题,研究了层内熔敷顺序对熔敷层表面成形质量的影响,采用从中间向两边搭接的熔敷路径优化方法,避免了由于熔敷层边缘塌陷导致熔敷层主体部分表面不平整的问题。采用降低行走速度的方法来对边缘材料缺失区域进行补料。建立了熔敷层边缘叠加模型,通过调控电弧热场使熔敷道搭接侧熔宽扩展到前一熔敷道的顶点,将补充的材料填充到材料缺失区域,从而提高熔敷层边缘的完整度。研究了不同层间温度对熔敷道熔池流动和铺展凝固的影响规律。结果表明,熔敷层表面平整度值优于0.15mm,占该层高度的比值优于8%,边缘完整度值优于90%。确定了当层间、道间温度控制在70℃时,多层多道熔敷表面成形质量最好。 最后为了验证本文所提出的理论和模型,设计了汽缸附件CA单耳环模拟件,进行分层切片和加工参数规划,分别使用常规双钨极氩弧增材制造方法和双钨极氩弧热场调控成形优化方法开展模拟件熔敷成形试验,结果表明,热场调控后得到的成形件表面没有气孔、塌陷等缺陷,表面成形质量良好,尺寸精度误差不超过3%,层层熔敷成形后表面平整度值优于0.3mm,优于15%,边缘完整度值优于88%,熔敷过程稳定,达到成形优化目的。

关键词： 电弧增材制造   H13钢   数值模拟   热作模具  

摘要： H13钢因具有高淬透性、高韧性以及优良抗热裂能力、中等耐磨损能力和较高温度下抗软化的能力等特点,常被广泛应用于精锻模、热挤压模和压铸模等。在生产实践中,由于热锻模具在锻造过程中会受到高温、重载和交替热循环等工况,导致模具内部会不可避免地产生疲劳裂纹、磨损、塑性变形等失效,导致锻件的精度下降。相较于传统的人工修复模具的方式,利用电弧增材再制造技术来修复热锻模具,可显著降低生产制造成本,同时提升材料利用率,具有较大的研究与应用价值。目前常用电弧增材制造(WAAM)技术来修复模具,因其可以精确控制成形精度和焊接过程稳定性,实现修复过程自动化、快捷化、智能化等优点,是理想的模具修复方法。但是电弧增材制造过程中的焊接温度场和应力场分布及变化情况在很大程度上决定了增材制造质量的好坏,而传统实验手段很难将电弧增材制造的温度场和应力场进行准确的表征。而采用数值模拟技术可准确模拟各种因素对焊接温度场和应力场的影响,避免了采用实验手段研究时耗费大量的人力和物力的缺点,可有效降低成本并缩短修复周期。 论文首先采用正交试验法研究了不同焊接电流、焊接电压、焊枪移动速度和焊接长度对单道单层形貌的影响,在单道单层丝材电弧增材制造实验的基础上,采用多种回归方法和神经网络方法分别建立了焊接电流、电压和焊枪移动速度等多个工艺参数与增材层宽度、增材层高度及熔池深度等成形形貌参数之间的数学关系模型。结果表明电弧增材制造单道成形形貌与焊接电流、电压和焊枪移动速度显著相关且各参数间存在非线性交互作用;采用多元线性回归法可较准确地预测单道增材层宽度平均预测误差率仅为4.66%,但对于增材层高度和熔深的预测效果较差平均误差率分别为8.07%和11.79%;神经网络可良好地处理各工艺参数间的复杂非线性关系,其对增材层宽度、增材层高度和熔深的预测平均误差率分别为4.17%、6.60%和7.01%,显著优于多元线性回归法。采用神经网络法可以准确预测电弧增材制造单道成形的形貌参数,指导增材制造工艺参数的选取和成形质量控制,找出最佳单道单层工艺参数。 结合实验测得的形貌参数,建立了单道多层仿真模型。研究了单道多层成形时不同层间冷却时间、路径和预热温度下,温度场和应力场的变化,筛选出最优的单道多层成形工艺参数。结果表明:冷却时间不要超过120s较为合适,随着层间冷却时间的增加,冷却600s后应力集中(应力值超过1000MPa)区域在逐渐减小,但冷却时间超过120s后应力集中区域减小效果减弱。堆积层数较多时,选用层间往返堆积的方式可以适当减少应力;预热温度为300～400℃就可以起到很好的降低等效应力的效果,相较于常温而言应力集中的区域面积减少了40%左右。 结合实验测得的形貌参数,建立了多道单层仿真模型。研究了多道单层成形时,不同道间冷却时间、沉积路径和预热温度条件下温度场和应力场的变化,找出最优的多道单层成形工艺参数。结果表明:道间冷却时间为60s最为合适,不仅可以有效的降低热积累,还能减小应力集中区域的面积。道间采用由内向外往复的搭接方式,可以有效的减小应力集中区域的面积,避免应力集中出现开裂。基板预热温度为300～400℃最为合适,不仅可以有效的减小增材过程中最大应力值还能改善多道单层应力的分布,使其应力分布的更加均匀,并消除了应力集中区域。 结合单道多层和多道单层的最优成形工艺参数,确定多道多层的成形工艺参数为:层间冷却时间60s,道间冷却时间60s,预热温度300℃,道间采用由内向外往复的搭接方式。研究不同层间堆积方式下应力场的变化,结果表明:相较于层间同向堆积方式,层间十字交叉堆积方式可以降低最大应力值,消除了应力集中区域,同时改善应力的分布,使应力均匀的分布在增材区域及四周。

关键词： 电弧增材制造   铝基复合材料   月球环境服役   显微组织   力学性能  

摘要： 电弧增材制造技术具有制造成本低、沉积效率高、材料利用率高、灵活性好等优点,适用于大型金属及金属基材料构件的一体化成形制造,尤其针对铝合金,电弧阴极雾化作用有助于获得高品质的增材构件,所以利用电弧增材制造技术制备高强铝合金已引起航天工业的重视。2024铝合金具有高的比强度和良好的高温力学性能,在航天领域应用广泛,但是电弧增材制造2024铝合金柱状晶组织明显,且容易出现气孔、凝固缩孔等问题,导致其力学性能较差。在此背景下,本课题以月球车轮毂为研究对象,从冶金角度出发,通过添加TiC颗粒制备出全等轴晶并且无气孔、凝固缩孔等缺陷的TiCp/Al2024复合材料,揭示了沉积态合金材料的组织和力学性能特点,阐明了TiC颗粒改性的机理,并通过T6热处理及随后的模拟月球表面温度变化的高低温循环试验对其服役性能进行评估。 沉积态单道多层TiCp/Al2024复合材料的组织由等轴晶组成,平均晶粒尺寸由沉积态2024铝合金的65.4μm减小到16.4μm。结晶相θ（Al2Cu）相和S（Al2Cu Mg）相沿晶界呈网状分布,在热循环作用下有θ（Al2Cu）相、S（Al2Cu Mg）相析出。水平方向抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为304MPa、174MPa和10%,竖直方向分别为295MPa、165MPa和10%,可见性能没有明显各向异性,水平方向拉伸性能较沉积态2024铝合金分别增加了75%、70%和150%。 沉积态TiCp/Al2024复合材料中TiC颗粒部分在晶粒内部弥散分布,另有大部分TiC颗粒在晶界处产生团聚。TiC颗粒促进形核和阻碍固-液界面生长两种作用导致晶粒细化。在晶粒内部促进形核的TiC颗粒与铝基体完全共格,晶界团聚分布的TiC颗粒与基体没有位向关系,但是会作为θ（Al2Cu）相的异质形核质点。全等轴晶组织抑制了气孔和凝固缩孔缺陷。 经过本文探索的493℃/12h+190℃/12h的T6热处理,沿晶界分布的粗大的结晶θ（Al2Cu）相和S（Al2Cu Mg）相基本全部溶解,水平方向的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为394MPa、220MPa和20%,竖直方向的抗拉强度和屈服强度分别为387MPa、215MPa,没有明显的各向异性,水平方向拉伸性能较沉积态材料分别增加了29%、27%和100%,并且热处理后强度和塑性协同提升,较T6热处理后的2024铝合金分别增加了38%、40%和300%。 最后进行模拟月球环境的高低温循环试验。150℃/6天高温组试样由于部分TiC颗粒在晶界处团聚分布,温差导致晶界弱化而发生过热氧化,其力学性能较差。-196℃/6天低温组和（150℃/3天+-196℃/3天）×2两次高低温循环组在后续过程中继续发生时效,晶粒内部时效析出大量弥散分布的S（Al2Cu Mg）相,力学性能较好的试样其抗拉强度、屈服强度和延伸率可以达到470MPa、360MPa和9%,性能和2024变形铝合金相当,但是也有试样性能较差,力学性能不均匀。

关键词： 电弧增材制造   机器视觉   点云处理   机器学习   支持向量机   焊接参数规划  

摘要： 电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)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。该技术具有沉积速率高、成本低廉、成形件致密度高、能加工复杂形状零件等优点,在工业、航空航天、学术等领域备受关注。电弧增材制造过程可以总结为CAD建模、三维切片、规划沉积路径与焊接参数,自下而上逐层堆积成形金属件。焊道形状是切片与路径规划的数据支撑,因此控制焊道形貌是实现电弧增材制造过程必不可少的环节。 为了实现电弧增材制造数字化、智能化、自动化,本文以探究焊接工艺参数对焊道成形尺寸的影响作为出发点,基于机器视觉搭建了电弧增材制造焊道形貌控制系统。该系统可以实现成形焊道的尺寸测量、截面轮廓的函数测量,并可以根据焊接参数对焊道形貌进行预测,针对焊接过程中功耗、效率问题对焊接参数进行优化。本文基于激光轮廓扫描仪搭建了一套机器人电弧增材制造焊道形貌控制系统软件,在Visual Studio 2017平台中开发完成。 利用焊道形貌控制系统采集焊道点云数据,本文研究了一套点云处理算法,包括基于直通滤波、RANSAC算法的焊道点云区域分割,基于领域平均的统计滤波算法完成了点云数据噪声去除,基于点云切片搜索算法获取了焊道截面轮廓,并使用最小二乘法进行多项式曲线拟合对焊道截面轮廓进行测量。 本文还分析了电弧增材制造焊道成形特征,确定了影响焊道形貌尺寸的主要焊接参数。采用支持向量机机器学习算法建立了焊接参数与焊道形貌尺寸的多输入单输出回归模型,该模型可用于焊道形貌尺寸的预测,并解决了训练样本少、训练过程易过拟合的问题。 通过对焊接参数与焊道形貌尺寸的建模和分析,本文提出了一个自适应的焊接参数优化方法,以实现高效率、低功耗的焊接过程。 综上所述,本文在电弧增材制造领域进行了深入的研究,提出了一种基于机器视觉的电弧增材制造焊道形貌控制系统,并探讨了焊接参数对焊道成形尺寸的影响,提出了相应的优化方法,为电弧增材制造的高效率、低功耗生产提供了技术支持。

关键词： 电弧增材   焊道设计   耦合规划   焊接工艺  

摘要： 铝合金密度小、比强度高、焊接性能优良，挤压性能好，被广泛地应用于航天、航空、轨道车辆、船舶等工业领域，但高温、湿度、动载等服役环境易引起结构的腐蚀、掉块、裂纹等缺陷，铝合金组织对热量敏感度大，热损失性能降低明显，研究低热输入、高质量的焊接修复工艺具有重要意义。　　电弧熔丝增材再制造以电弧为热源，焊枪可达性好，效率较高，具有相对灵活性，对铝合金复杂结构的修复具有较为广泛的优势。然而，在实际工程应用中发现，电弧熔丝增材再制造技术修复构件时，热输入与熔合质量互相为矛盾统一，焊道布置设计、工艺选择会严重影响修复层的成型及内在质量。存在：（1）焊接工艺参数与焊道成形匹配设计较为不足;（2）热输入和电弧模式的规划选择研究较为欠缺;（3）焊道布置设计与焊接热输入关系互相影响考虑不足。为此，本文针对Al-Mg合金电弧熔丝增材制造工艺的焊缝形貌设计、焊道设计、热输入与路径耦合设计开展研究工作，提出了“工艺窗口+焊道设计”的复合沉积策略方法，为“贯穿裂纹型”、“腐蚀面积型”缺陷的实际工程修复提出了新的技术路线和性能提升优化方向。　　首先，基于Box-Behnken响应曲面法进行焊接试验设计，开展单道的焊道形貌参数与焊接工艺参数之间的试验，研究microMIG工艺模式下参数对焊道形貌的影响。对工艺参数与焊缝形貌的曲线进行方差分析，基于二次回归方法建立了“microMIG工艺模式”的焊道宽度、高度的预测模型。　　其次，测试比较“microMIG、microMIG-CC”模式的焊接电弧过渡特性差异，基于精确热输入计算模式，单道沉积策略相同，分别采用microMIG、microMIG-CC两种模式完成50层墙体的堆焊沉积，对50层沉积墙体的宏观形貌、微观组织、晶粒取向、力学性能等进行对比，发现microMIG模式更适用于电弧熔丝增材再制造，上述工作有利于指导“贯穿裂纹型”的修复。　　基于以上工作，针对腐蚀类型的大面积缺陷，采用热输入和工艺路径耦合规划方法，综合焊道设计与焊接热输入设计，在相同沉积效率下，采用microMIG模式，设计“高热窗口+宽道慢焊路径”、“低热窗口+窄道快焊路径”两种适用于面型缺陷的沉积策略,实现65×55mm的单层熔覆层沉积。试验结果表明，“低热窗口+窄道快焊路径”试样中存在柱状晶，但“高热窗口+宽道慢焊路径”试样中均为等轴晶，且晶粒尺寸较大。　　最后，面向实际修复中的预热工艺,研究基板预热对增材制造铝合金气孔率的影响，发现气孔率随预热温度的增加出现先降低后上升的趋势，预热温度为200℃的时候，气孔率最低。　　本文创新点主要为围绕体积型、面积型最优修复的工程目标需求，从工艺参数、电弧、焊道控制等角度，基于焊接热输入控制、焊缝形貌控制、沉积尺寸的综合控制，提出了新的复合沉积策略及其方法，为有色合金再制造过程中工艺优化提供新的思路。

关键词： 电弧增材制造   机器视觉   点云处理   缺陷检测   缺陷评估  

摘要： 电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)是一种以电弧为载能束,采用逐层堆焊的方式制造金属零件的技术,具有效率高、成本低、加工自由度度高等优点,广泛应用于航空航天、造船业等领域。但是在电弧增材制造过程中存在气孔、驼峰、凸起等缺陷,不仅影响后续的堆积过程,还降低零件的性能,因此实现对层间缺陷的检测与控制尤为重要。 视觉检测可以快速检测到缺陷的位置和种类,但目前的研究对缺陷的严重程度鲜有具体的评价指标。本文采用三维视觉传感器获取数据,开发了针对电弧增材制造薄壁件表面缺陷的检测与评估算法,实现了薄壁件层间缺陷的检测与量化评估。 搭建三维视觉检测系统,测量堆积薄壁件的表面形貌,获得堆积零件的表面点云。在此基础上提出了基于点云几何特征的检测与评估算法。开发基于法向量的焊道提取算法,按照点云的法向量分割焊道,实现高精度的焊道提取。为实现缺陷检测,开发了依据焊道高度和高度曲线的二维曲率的驼峰缺陷识别算法,开发基于点云法向量、点云三维曲率等几何特征的气孔、凸起缺陷识别算法,并通过实验验证了算法的准确性。 开发了基于焊道预测的缺陷严重程度评价方法,从缺陷区域的周围计算正常焊道的截面轮廓模型,实现焊道正常表面的预测。并通过计算预测的焊道表面和缺陷表面之间的区域面积、高度、长度、体积等参数,量化缺陷的严重程度,并设计实验验证评估算法的可靠性。开发了自动检测的软件,集成了缺陷的检测和评估算法,并采用堆积的薄壁件测试系统的性能。 本文对薄壁件表面缺陷的检测与评估基于采集点云的几何特征,如法向量、曲率、高度等,焊道和背景之间、正常焊道和非正常焊道之间存在明显的差异,设计合适的算法计算这些特征并将其作为分割和计算的依据,实现对表面缺陷的检测与评估,并为实现焊道质量控制提供量化数据。有助于操作人员或后处理程序针对性操作,将缺失或者多余的部分按照其位置切销或填充相应体积的材料,实现高质量的电弧增材制造。

关键词： 电弧增材制造   感应热处理   微观组织   残余应力   道间熔合性  

摘要： 电弧增材制造技术是以电弧为热源熔化焊丝,逐层沉积获取成形零件的金属增材制造技术,该技术具有低制造成本、高成形效率、高制件致密度等优势。然而,制造过程中的高热输入与复杂热循环使制件性能存在均质性差、不稳定与不可控等问题,容易出现微观组织异质分布、应力变形、内部孔隙等缺陷,有必要进行电弧增材制造零件性能优化研究。现有的相关优化方法存在效率低、形状适应性差、作用效果可控性差等不足,无法针对性地调控、改善零件局部区域使用性能。因此,需针对电弧增材制造零件不同性能与缺陷问题,进行高效、灵活的控性方法研究。本文根据上述研究需要,考虑感应加热技术热作用时机与部位灵活的特点,提出了电弧增材制造原位感应热处理技术研究,探究该方法在零件微观组织、残余应力与道间熔合性三个方面的改善效果。首先,针对电弧增材制造零件原位热处理需求,设计了电弧增材多工位加工制造整体布局与切换方案,搭建了原位感应热处理平台,可在无需零件装卸条件下完成热处理工序。在硬件平台的基础上利用生死单元法与等效热源法进行电弧增材制造与感应热处理全过程仿真,获取制造过程中的热力场演变情况来辅助制造工艺的优化与控性方法的实施。其次,针对电弧增材制造零件微观组织存在均质性差、分布复杂且难以控制问题,提出了感应固溶热处理优化微观组织与结构方法。实验结果显示该热处理方法能够显著改善零件微观组织与结构、提升材料塑性与抗腐蚀性能、降低材料脆硬性,并且具有较高的热处理效率。然后,针对电弧增材制造零件存在较大残余应力,易出现变形问题,提出了去应力感应热处理改善残余应力分布方法。仿真获取制件热处理前后应力场模拟结果,并据此设计与实施应力优化方案。经验证,所提出的仿真模型具有较高精度,该方法能够有效改善零件残余应力分布状态,缓解应力集中现象。最后,针对电弧增材制造零件由于道间熔合不足导致的内部孔隙问题,提出了道间感应预热处理提升道间熔合性方法。探究了道间温度对道间熔合效果的影响,利用感应加热主动控制道间温度,提高道间熔融金属流动性,从而提升道间熔合性。实验验证得到道间感应预热处理制件比无预热处理制件密度高4.32%,孔隙率低4.67%。

关键词： 电弧增材制造   电磁感应加热   变形控制   同步热处理   力学性能  

摘要： 为了解决目前电弧增材制造变形及微观组织形态和力学性能较差的问题,以低碳钢为研究对象,通过试验探索电磁感应加热对电弧增材制造性能的调控作用.使用线激光扫描仪检测成形样件的变形,用金相显微镜观测试样的微观组织形态,采用红外热像仪监控成形过程中的温度场,通过拉伸试验对试样进行力学性能测试.结合温度场深入分析试样的变形、微观组织形态和力学性能,结果表明:电磁感应加热可以减小成形样件的变形,具有同步热处理的作用,可以等轴化晶体、细化晶粒,提高成形样件的力学性能.当感应功率为12.6 kW、线圈-焊枪间距为95 mm时,电磁感应作用效果较好,试样变形减小了62%,成形样件的抗拉强度提升了6.38%,伸长率提升了约1%.

关键词： 纵扭超声振动   干铣削   电弧微铸锻增材制造   AlMgSc合金   切削特性  

摘要： 对电弧微铸锻增材制造AlMgSc合金进行纵扭超声复合干铣削加工特性试验研究,探讨超声铣削工艺参数对切削力、表面形貌、加工硬化及刀具磨损等AlMgSc合金干铣削成形特性的影响规律。结果表明:与锻造和常规电弧增材成形铝合金相比,微铸锻增材制造AlMgSc合金由于具备更加致密的微观组织、更高的强度和硬度而在超声干铣削成形过程中会产生更大的铣削力,更容易发生加工硬化。与常规干铣削相比,采用纵扭复合超声干铣削可以获得更小的表面粗糙度,并有利于减轻刀具磨损。