关键词： 电弧增材制造   铝锂合金   层间冷却时间   孔隙率   力学性能   微观组织  

摘要： 电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)是一种以焊接技术为基础的增材制造技术,其具有较高的沉积速率和材料利用率,并能够成形大中型复杂构件,在航空航天、军事工业等领域具有广泛的应用前景。电弧增材制造高强度铝合金是加工大中型复杂轻量化结构的理想方法。与传统铝合金相比,铝锂合金具有更低的密度,且具有较高的比刚度和比强度,是一种极具应用潜力的轻质高强材料。冷金属过渡(Cold Metal Transfer,CMT)作为焊接技术的一种,具有热输入小、焊速快和飞溅少等优点。本研究以第三代铝锂合金(2196铝锂合金)为研究对象,以CMT作为热源配合六轴联动机械手臂完成WAAM过程。研究了焊接工艺参数以及层间冷却时间等因素对2196铝锂合金显微组织及力学性能的影响规律及机理,制备了具有良好力学性能的2196合金,论文主要研究内容如下:(1)设计了多层单道实验来优化WAAM成形工艺参数。保持层间冷却时间120s不变,通过改变送丝速度和走丝速度,设置了 25组工艺参数来研究热输入对薄壁墙宏观形貌、微观组织以及力学性能的影响规律。研究结果表明,在较低热输入参数下薄壁墙形貌较好,晶粒细小。但是所有工艺参数制备的试样力学性能较差,延伸率均小于6%。(2)通过固定送丝速度(3m/min)和走丝速度(0.45m/min),研究了层间冷却时间(5s～120s)对WAAM2196铝锂合金显微组织及力学性能的影响规律及机理。利用计算机断层扫描(Computerized Tomography,CT)技术对不同层间冷却时间试样检测,发现层间冷却时间会显著影响试样的气孔数量与尺寸。较短(5s)与较长(120s)层间冷却时间都会产生大量气孔,气孔含量为0.4～0.5vol.%。当层间冷却时间为15s时,试样内部的气孔显著减少,气孔含量降低至0.14vol.%。层间冷却时间较短时,气孔大都为圆形气孔,随层间冷却时间延长,因熔合不充分形成的不规则气孔增加。并且延长层间冷却时间,试样中还发现了少量裂纹。力学性能测试结果表明,随着层间冷却时间增加,塑性逐步降低。由于层间冷却时间15s的试样具有更低的气孔率,其力学性能具有更好的可重复性,获得了抗拉强度>210MPa,延伸率>12%的2196铝锂合金。(3)研究了时效温度和时效时间对电弧增材制造2196铝合金显微组织与性能的影响,确定了最优的热处理工艺(515℃×90min固溶后170℃时效24h),提升材料强度至>380MPa,同时保持良好的延伸率>12%。

关键词： 电弧增材   焊接工艺   BP神经网络   遗传算法   数据库  

摘要： 自二十世纪末,增材制造技术飞速发展,使用该技术可以在一台工业设备上实现对复杂三维零件的精密制造,令制造业的加工脱离了传统的减材制造的种种桎梏,解决了复杂零件的成型问题,减少了加工花费的时间,提升了加工过程的效率。电弧增材制造技术利用焊机产生的电弧作为能量源在指定工作台堆积融化焊丝材料,最终构成工艺零件产品,该技术制造出来的产品性能好且材料利用率高。由于电弧增材制造技术以焊接出来的一条一条焊缝堆积熔覆而成,所以产品制造中极度依赖焊接工艺方法以及焊接工艺参数。本文基于MIG工艺方法探讨了该工艺方法下工艺参数对焊缝的影响,以期找到焊缝随工艺参数变化的规律。本文主要以308不锈钢焊丝、低碳钢基板、以及富二氧化碳混合气体作为实验材料,MIG工艺作为工艺方法,通过正交实验设计方法的设计规则设计了49组单道焊缝实验,之后简要分析了MIG工艺方法下的脉冲序列、脉冲电压、焊接速度等参数对焊缝形貌的具体影响,通过计算皮尔逊相关系数分析发现对焊缝宽度影响从大到小的依次是脉冲序列、脉冲电压、焊接速度,对焊缝余高影响从大到小的依次是脉冲电压、脉冲序列、焊接速度。在对MIG工艺下每个参数进行简要分析后,以49组实验数据作为预测模型训练数据集,分别使用SVR算法与BP神经网络算法对工艺参数与焊缝形貌之间建立正向映射关系模型,两种模型训练完毕后,以额外9组实验作为测试集,分别对两种模型进行验证。SVR算法在测试集上对焊缝宽度与余高的平均误差分别为7.09%和5.26%,BP神经网络算法在测试集上对焊缝宽度与余高的平均误差分别为3.56%和3.52%,由此可知BP神经网络算法模型的预测精度较高。之后从实际使用角度出发考虑,建立了通过焊缝形貌反向预测工艺参数的反向预测模型,由于单纯使用BP网络构建的反向预测模型准确度较低,于是引入遗传算法结合BP神经网络模型形成闭环反向预测模型,通过额外的测试实验验证了该模型可以通过输入期望的焊缝形貌准确的给出建议的工艺参数,通过实现工艺参数与焊缝形貌之间的双向预测,可以在实际实验中减少实验次数,降低实验成本,节省实验时间。由于该预测模型是基于前文提到的实验条件所收集到的实验数据,为了充分利用该预测模型,开发了一套电弧增材数据库,通过收集不同实验材料、条件下的数据,构建数据集,数据库后台会分别对不同实验条件下的数据建立预测模型,且预测模型亦会随着数据库内的数据变化进行动态调节,保证预测功能的准确性。

关键词： MIG-WAAM   SYSWELD   温度场   残余应力  

摘要： MIG电弧增材制造(wire arc additive manufacturing,MIG-WAAM)是一种基于离散堆积原理的净近成形技术,因其具有材料利用率高、成本低、研发周期短等优点,被广泛应用于航空航天、油气管道、医疗器械等领域。目前,对于MIG-WAAM技术的研究主要集中在形貌控制、工艺研究上。而研究其工艺参数与内部温度场变化历程及性能之间的关系较为困难,主要是由于通过实验测量的方法难以获得增材件内部的实时温度场历程和应力等分布规律。因此随着计算机技术高速发展,有限元仿真技术逐渐被应用于MIG-WAAM过程的研究并能够有效解决这些问题。本文采用实验与仿真相结合的方法对316L不锈钢MIG-WAAM过程进行了研究。通过单层单道实验,分析了增材电流、增材速度对增材件层宽、层高及形貌的影响规律。并且采用单层单道基础实验中的增材电流和增材速度及对应的层宽和层高来建立单层单道和多层单道有限元仿真计算模型。本文拟合了最适合用于MIG-WAAM仿真的双椭球热源模型,并使用SYSWELD进行计算。本文基于热弹塑性法对单层单道和多层单道的温度场、应力场及变形进行了模拟,分析了增材电流、增材速度、增材方向、层间冷却时间对整个热过程、应力场和变形的影响规律。结果发现增材电流与增材速度对增材件最高温度影响较大;增材方向的选择与层间冷却时间的选择均会影响热积累,进而影响温度历程;热量积累的越多,应力反而越小;调整增材方向、增大层间冷却时间都会使应力在某些区域增大;同向增材时,收弧端热量远大于起弧端,导致收弧端变形严重;当层间冷却时间足够长时再增加层间冷却时间对变形影响则不大。最后通过热电偶测量实验温度过程、X射线衍射法测量了残余应力。本文对单层单道和多层单道增材件显微组织和力学性能进行分析,发现316L不锈钢WAAM凝固方式为FA,显微组织主要为γ奥氏体和极少量的δ铁素体。靠近基板区域冷却速率较高,晶粒较为细小,硬度较高,中间层组织热积累严重,晶粒粗大,硬度降低;增加层间冷却时间,可以细化晶粒,提高硬度。增大层间冷却时间对其抗拉强度影响不大,但随着层间冷却时间的增加,垂直方向的抗拉强度和伸长率均不断增大。

关键词： 电弧增材制造   马氏体时效钢   显微组织   力学性能   氮气  

摘要： 电弧增材制造技术（Wire arc additive manufacturing,WAAM）具有成型效率高、材料利用率高等优势,已经广泛应用到国防、能源、航空航天等领域。本文针对一种新型马氏体时效钢SHER120-G,分别开展了WAAM成型组织演化机理、力学性能强化机制、含氮保护气工艺优化及电弧增材-锻造复合制造等一系列相关研究。主要研究内容及意义如下: 首先,开展了WAAM直接成型SHER120-G马氏体时效钢组织和性能的研究。结果表明沉积态试样的组织主要由板条马氏体组成。由于层间瞬时时效效应,少量的ε-Cu沉淀在马氏体晶内析出。直接时效热处理使ε-Cu沉淀长大并弥散分布,通过Orowan绕过机制强化材料。时效试样的极限抗拉强度达到1200MPa,屈强比由0.61提高到0.84。 其次,探究了不同含氮量保护气工艺对WAAM成型SHER120-G马氏体时效钢组织和性能的影响。发现当采用94%Ar+2%O2+4%N2的保护气工艺时,WAAM成型试样水平方向的极限抗拉强度最高,达到1300MPa。然而,由于其垂直方向上组织的不均匀性和织构的择优生长导致力学性能存在较大的各向异性。 接着研究了热处理工艺对WAAM成型试样组织不均匀性和力学性能各向异性的影响。结果表明固溶处理不仅能够消除力学性能的各向异性,而且使δ-铁素体几乎完全溶解,提高了试样的伸长率。然而,固溶处理期间形成的板条马氏体孪晶恶化了材料的冲击韧性,使其降低到40J。 最后,分别采用含氮量为0%和4%的保护气工艺在锻造的AISI9310基板上WAAM成型SHER120-G马氏体时效钢。结果表明复合制造试样的最终强度由结合区附近的晶粒长大区决定。采用含氮量为4%保护气工艺复合制造试样的极限抗拉强度达到1186MPa,接近WAAM直接成型该马氏体时效钢沉积态试样的水平。证实了采用含有4%氮气的保护气工艺更有利提升WAAM成型马氏体时效钢的力学性能。

关键词： 电弧增材制造   冷金属过渡   NiTi合金   微观组织   力学性能  

摘要： 形状记忆合金是具备形状记忆效应和超弹性的一种新型功能材料,其中近等原子比的镍钛(NiTi)形状记忆合金由于表现出优异的形状记忆效应和超弹性能、良好的生物相容性、耐腐蚀性和低弹性模量等特性,在航空航天、汽车工程和生物医学等领域得到广泛应用,成为目前应用潜力最显著的形状记忆合金材料。但是,由于NiTi合金的高延展性和加工硬化等特性使其机加工困难,极易出现刀具磨损严重、表面光洁度差以及产生毛刺等问题,导致NiTi合金长期成为机械难加工材料之一。近年来,增材制造技术在先进制造和工业应用领域获得了广泛关注,但基于粉材的增材制造技术成本高、材料利用率低;相比之下,电弧熔丝增材制造技术成本低、材料利用率高、沉积速率快等适用于沉积大尺寸构件的优势也日益明显。目前,国内外对于电弧增材制造NiTi合金的研究尚刚刚开始,加快推进熔丝增材制造NiTi合金理论与技术研究对其实现更大范围的推广应用具有重要意义。本文以商用NiTi合金丝材为成形材料,采用冷金属过渡方式进行电弧增材制造NiTi合金的研究,探索了行进速度、送丝速度、沉积策略和焊枪摆动轨迹等工艺参数与成形质量的作用关系,解析了沉积高度以及固溶时效处理等对电弧增材制造NiTi合金组织与性能的影响,为电弧增材制造技术在NiTi合金类形状记忆材料制造领域的应用提供了研究基础。在诸多工艺参数中,送丝速度和行进速度作为主要因素影响单道焊道的熔宽、余高和湿润角进而影响成形质量。本文范围内,较优的参数组合为行进速度30cm/min和送丝速度7m/min。随着送丝速度的增加,焊道熔宽不断增大,余高略呈增加趋势但是增长率远小于熔宽,润湿角总体呈现下降趋势。随着行进速度的增加,焊道的熔宽和余高都呈现下降的趋势且前者下降趋势更加明显,润湿角也基本呈现下降趋势。沉积策略对起弧与熄弧点成形高度影响较大,选择往复式沉积方式减少了起弧熄弧影响。矩形扫描策略在增加熔宽的同时促进了熔滴过渡,减少了熔道缺陷。沉积态上层材料表现出高强度高伸长率,抗拉强度随成形高度增加而有所提高。循环拉伸过程中,第一次拉伸曲线存在明显的应力滞后,其随着循环次数增加和沉积高度下降呈减小趋势,经10次循环后上层和中层材料仍保持60%以上回复率,表现出良好形状记忆性能及应用前景。低温固溶与时效处理对NiTi合金组织与性能产生显著影响。固溶时效处理促进了成分均匀化,其相变峰变窄变高;时效处理导致NiTi合金出现两步相变,与富Ni析出相的析出有关。两种热处理工艺不同程度上提高了沉积态合金的拉伸性能、硬度以及耐磨性,表明后热处理对电弧沉积NiTi合金的性能优化十分必要。

关键词： AZ91D镁合金   GTA电弧增材   微观组织   力学性能   热处理  

摘要： GTA电弧增材制造技术具有弧-丝独立调节、增材质量高、适用材料范围广、不受加工空间限制等优点,在制备大型整体结构件方面有较好的应用前景。镁合金有比强度高、比刚度好的特点,在航空航天发动机上有着越来越多的应用。目前关于镁合金电弧增材的研究主要集中在工艺参数对成形尺寸的影响,而对于沉积态高强镁合金的组织性能演变的研究较少。在此背景下,本文针对GTA电弧增材制造AZ91D的组织性能特征开展了系统性研究工作,揭示了沉积态AZ91D镁合金的组织与力学性能特征以及组织演变规律,并对沉积态镁合金的热处理工艺进行了研究。首先结合典型工艺制备的单道多层AZ91D镁合金试样,对沉积态增材镁合金的组织和力学性能特征进行了研究,发现顶部组织和中下部组织均以等轴晶形式存在。在中下部区域的层间与层中,其晶粒尺寸和析出相分布存在差异:层间组织晶粒尺寸较大,但析出相较少;层中部分晶粒尺寸较小,但析出相较多。在顶部区域第二相沿晶界连续网状分布,主要为β-MgAl、AlMn相和MgAlZn相。在增材过程中,β-MgAl重熔后进入基体,并在增材热循环的驱动下自发的从基体中析出。沉积态AZ91D镁合金平均抗拉强度240MPa、断后伸长率为11.5%。沉积态组织的力学性能不具有各向异性。通过控制变量法,研究了送丝速度、沉积速度和沉积电流对沉积态AZ91D镁合金成形尺寸、组织和力学性能的影响。在成形方面,在其他工艺参数不变的情况下,随着送丝速度增加,平均层高和最大层宽均变大;随着沉积速度增加,平均层高和最大层宽均减小;随着沉积电流加,平均层高降低,最大层宽变大。送丝速度、沉积速度和沉积电流对制备的AZ91D增材试样的晶粒尺寸和拉伸性能的影响不大,在适宜的工艺参数下,GTA电弧增材制备的AZ91D镁合金增材试样可以获得均匀的等轴晶。从而获得良好的力学性能,从组织调控的效果来看,采用小电流、高速度、快送丝的沉积策略较为合理。为了明确热处理对沉积态AZ91D镁合金的强化作用,探究了三种典型的热处理工艺下(T4、T5和T6)的组织和力学性能变化。T4热处理后,β相几乎全部溶入基体,合金元素的显微偏析得到改善。T5热处理后大量层片状的β相在晶内和晶间析出,并且在沉积高度上还保留着沉积态AZ91D镁合金的特点。T6热处理后,β相从基体中重新析出,析出分布存在偏析,分布位置存在晶粒内外。在三种典型的热处理工艺之后(T4、T5和T6),硬度没有发生明显变化,在T6热处理的强化效果最好,抗拉强度达到257.3 MPa,平均断后伸长率为12.4%。

关键词： 电弧增材制造   数值模拟   工艺参数   温度场  

摘要： 目前,电弧增材制造技术因其材料利用率高、加工成本低、成形效率高等优势,已经被应用于船舶制造业中;但由于增材制造过程会产生严重的热积累进而使得成型件质量较差、尺寸精度低、表面粗糙。现有的检测手段难以实时探测制造过程中样件各个部位的温度场变化,同时该物理过程十分复杂、涉及参数量巨大,难以使用传统的“试错法”来进行探究,因此,需借助数值仿真模拟探知内部变化机理。本文利用ANSYS有限元软件建立电弧增材制造的温度场模型,探究单层单道和多层薄壁样件内部的温度变化;并利用搭建的试验平台通过红外测温仪测量实验过程中温度的变化,将其与数值模拟结果进行对比验证,以保证模拟结果的可靠性。最终探究了电流、扫描速度和层间等待时间等工艺参数对样件温度场的影响,并根据数值模拟结果优化工艺参数,打印了成形质量良好的40层薄壁样件。本文的研究内容包括以下几个方面。（1）基于热敏性分析的方法探究了热源形状前半椭球宽度参数a、深度参数c、长轴长度参数b1以及后半椭球的长轴长度参数b2,对样件熔深、熔宽的影响。利用ANSYS软件建立了单层单道模型,并通过对热源形状参数的敏感性分析发现,参数a对熔宽影响较大,参数b1、b2对熔宽、熔深几乎无影响,参数c对熔深影响较大。通过对热源形状参数a、c、b1、b2热敏性分析为后续提高仿真精度提供了参考。（2）计算分析了电流及扫描速度对单层单道样件熔深、熔宽及温度场的影响。仿真结果表明,随着电流的增加,样件的熔深、熔宽、最高温度随之增大,但冷却速度随之减小。当电流从120 A增大到200 A,单层单道样件的熔宽从7.73 mm增大到了10.48 mm;熔深从1.87 mm增大到了2.97 mm;最高温度从2017℃增大到了2426℃;升温速率在850℃/s保持波动,基本保持不变;冷却速率从117℃/s减小到82℃/s。而随着扫描速度的增加,样件的熔深、熔宽、最高温度,则随之减小,升温速度、冷却速度则随之增大。当扫描从4 mm/s增大到12 mm/s,单层单道样件的熔宽从13.2 mm减小到了6.29 mm;熔深从2.96 mm减小到了1.19 mm;最高温度从2380℃降低到了2100℃;升温速率从从297℃/s增加到了700℃/s;冷却速率从冷却速率从108℃/s增加到272℃/s。（3）计算分析了电流及扫描速度对多层薄壁样件温度场的影响,基于回火温度及加工效率确定了最佳工艺。通过仿真发现,当设置电压为24 V,扫描速度为8mm/s,电流为160 A时,10层薄壁样件第一层的最低温度能最快到达600℃左右,满足回火温度,此时样件机械性能较好。因此确定电压24 V,电流160 A,扫描速度8 mm/s为最佳工艺参数。（4）利用最优工艺参数计算分析了打印层数对多层薄壁件工件温度场的影响,并通过增加层间等待时间,改善了多层薄壁样件打印质量。通过对40层薄壁样件仿真分析发现,当层数为22层左右时,热累积现象过于严重,通过数值模拟结果调节了层间等待时间,提高了样件的成形质量。

关键词： 熔盐电解   Al-Y合金   电弧增材制造   2319合金   组织与性能  

摘要： 2219合金（铝合金焊丝牌号为2319）具有优异的力学性能、机械加工性能及焊接性能,被广泛应用于航空航天领域。随着航天飞行器、武器装备的快速发展,对铝合金结构件轻量化、高强度、大型化、结构功能一体化要求越来越高,对铝合金材料的室温、高温服役性能要求越来越高,传统材料及制造成形方法已无法满足上述发展的需求。电弧增材制造技术的出现可有效地解决上述发展需求,在大型复杂结构制备方面具有显著的优势。区别于传统用铝合金焊丝,电弧增材制造技术对铝合金丝材提出了更高的要求,其中丝材成分均匀、稳定控制十分关键,是影响电弧增材制造产品质量的关键因素之一。在电弧增材制造专用丝材制备过程中选择工艺稳定、成本低、成分均匀可控、成分范围波动小的原材料对提升电弧增材制造产品质量稳定性有着至关重要的作用。在Al-Cu合金中添加稀土元素Y,可显著提高和改善合金的强度、高温性能。通过电解法制备Al-Re合金具有成本低、原位合成合金、电解产物成分均匀可控等优点。因此,本论文从实际工程应用出发,拟通过开展稀土氧化物Y2O3在Al F3-（Li,Na）F氟盐体系中溶解机制及离子Y（Ⅲ）的迁移规律、Re O-Al F3-（Li,Na）F氟盐体系的物化性质等研究,电解制备出Al-Y中间合金;并以该中间合金为原材料制备出不同Y含量的2319铝合金丝材,研究Y含量对WAAM 2319铝合金室温及高温组织与性能的影响,得到适合WAAM工艺的稀土Y改性2319合金丝材成分范围,实现在具体产品上的应用。取得的主要研究结果如下:基于希托夫法三室槽测量Y（III）离子在Al F3-（Li,Na）F体系中的迁移数变化规律及迁移机理和COMSOL系统建立流场–电场双向的耦合的模型,对其内电场分布进行模拟验证,结果表明:在900℃～1000℃温度范围内的Al F3-（Li,Na）F-Y2O3熔盐体系,Y（III）离子的迁移数在0.70～0.80范围随温度的升高而升高,近似为线性关系;在（Li,Na）F/Al F3的摩尔比在2.0～2.5范围内,Y（III）离子迁移数较为稳定,平均值约为0.75左右;当（Li,Na）F/Al F3的摩尔比高于2.5,Y（III）离子迁移数减小,由0.75线性降至0.45左右;在电流密度1.0A/cm2～2.0 A/cm2范围内,Y（III）离子的迁移数在0.65～0.85范围随温度的升高而升高,近似为线性关系。分别采用阿基米德法、连续变化电导池常数法、旋转法、拉筒法测定了Al F3-（Li,Na）F-（Al2O3-Y2O3）熔盐体系在温度900℃～1000℃范围内,（Li,Na）F/Al F3的摩尔比为2.5的密度、电导率、黏度、表面张力随温度和组分的变化规律,结果表明:在温度900℃～1000℃范围内,Al F3-（Li,Na）F-（Al2O3-Y2O3）体系中Al2O3和Y2O3的含量一定,密度-温度、黏度-温度和电导率-温度之间均为呈线性关系。在温度950℃条件下,熔盐体系的密度随Al2O3含量的增加而线性减小,随Y2O3含量的增加而线性增加;电导率随Y2O3或Al2O3含量的增加而线性减小;体系的黏度则率随Y2O3或Al2O3含量的增加而线性增加。通过研究温度、电流密度对电解产物组成的影响,得到了电解制备Al-Y合金的最佳工艺条件:温度935℃、电流密度0.7 A/cm2,制备出含Y量5 wt%的Al-Y中间合金。以电解制备的Al-5 wt%Y合金为原材料,制备出不同Y含量的2319合金丝材,研究了Y含量对电弧增材制造2319合金组织与性能的影响,结果表明:Y能够显著细化WAAM2319合金的晶粒,随着Y含量的增加,晶粒细化效果呈现先增加后降低的趋势,在Y含量为0.15 wt%,晶粒细化效果最显著;随着Y含量的增加,WAAM 2319合金的强度呈现先增加后降低的趋势、伸长率逐渐降低,在Y含量为0.15 wt%,WAAM 2319铝合金表现出最佳性能,抗拉强度为484 MPa、屈服强度为348 MPa、伸长率为10%。研究了Y含量对WAAM 2319合金在200℃保温30 min的组织及性能,结果表明,Y含量对高温条件下WAAM 2319合金中气孔数量和尺寸无显著影响;Y的加入可显著细化高温条件下WAAM 2319合金晶粒尺寸;晶粒尺寸由43.15μm减小到26.15μm,晶粒尺寸均匀;随着Y含量的增加,WAAM堆积体高温条件下的晶粒尺寸呈先降低后升高的趋势,未固溶θ相的数量和尺寸不断增大,转化形成的平衡θ相数量呈先增大后降低的趋势;Y的加入可提高WAAM 2319合金堆积体高温力学性能;随着Y含量的增加,合金高温力学性能呈现先增加后降低的趋势。Y含量为0.15 wt%的堆积体,转化形成的平衡θ相数量最多,合金高温力学性能最优;抗拉强度319 MPa,屈

关键词： 电弧增材再制造   成形工艺   神经网络   数值模拟   路径策略择优   模糊综合评价  

摘要： 电弧增材制造再制造技术具有加工成本低、熔敷效率高和成形件力学性能好等优点,是修复较大金属构件的重要方式。但该技术在应用过程中仍面临产品成形精度低、服役性能差等问题。本文以多层多道电弧增材再制造为研究对象,以提高再制造成形件表面成形精度和性能为目标,对成形工艺及多重路径堆积策略进行研究,为实现大型金属构件的高精度、高质量的再制造提供一种有效的技术手段。 首先,建立了正向神经网络预测模型,实现了对不同焊接工艺参数下单道焊缝成形尺寸的预测,正向预测模型对焊道熔宽的预测精度平误差为2.05%,余高的预测精度平均误差为3.13%;进一步建立了逆向神经网络预测模型,并利用遗传算法全局寻优的特点对神经网络进行优化,提高预测模型精度,逆向模型对熔宽的预测精度平均误差为4.70%,余高的预测精度平均误差为4.84%,实现了根据构件尺寸推理最优焊接参数的功能。 其次,为提高成形件边缘成形精度,提出单层路径采用轮廓偏置扫描与Zigzag扫描相结合的复合路径规划方式;基于单层复合路径规划方式,提出四种多重堆积路径策略,分别为长边同向堆积、短边同向堆积、长短交错堆积和45°交错堆积。进一步采用有限元数值模拟和试验的方法,对比研究四种多重路径堆积策略对成形件的散热状况、残余应力、翘曲变形和表面成形精度的影响,为实现电弧增材再制造的路径优化提供依据。 建立了再制造多层多道路径策略的模糊综合评价模型,以散热情况、残余应力、翘曲变形和表面成形精度为评价指标,依据再制造成形件的具体修复目标,采用层次分析法确定指标权重,实现了再制造多指标下的路径策略优化。以散热情况为主要优化目标,长短交错路径策略最优;以残余应力为主要优化目标,长边同向路径策略最优;以翘曲变形为主要优化目标,长边同向路径策略最优;以表面成形精度为主要优化目标,短边同向路径策略最优。 最后,选取典型厚壁件和棱台制造为实例验证。对制造加工过程进行规划,即采用逆向神经网络模型推测最优焊接参数,采用模糊评价法确定最优路径堆积策略。结果表明,典型厚壁件的成形件长度平均误差为1.32mm,宽度平均误差为0.74mm,高度平均误差为0.48mm,成形精度较高;目标件棱台件的成形质量良好,中部区域表面平整度较高,最大误差为0.18mm,成形件边缘区域误差最大值为0.87mm。典型厚壁件和棱台件的成形件成形精度较高,验证了加工过程规划的有效性。 本文建立的正逆神经网络预测模型可实现根据目标件的尺寸预测加工参数的功能,建立的堆积路径的模糊综合评价模型可实现根据修复要求确定最优路径策略的功能,为电弧增材再制造的实际修复过程提供了参考依据。