关键词： 增材微铸制造   路径约束   熔池流动   凝固过程  

摘要： 电弧增材制造在工业生产中至关重要,但增材过程中的客观条件会对其组织结构和机械性能产生负面影响。目前,在组织结构方面,增材的材料利用程度较低,归因于增材的表面成型程度较低,增材的成型效率较低,归因于增材路径上限制程度较低。在机械性能方面,由于内部气孔的存在,增材的抗拉强度处于较低的水平,由于约束程度的不足,增材的密度也受到了较为严重的影响。因此,如何解决电弧增材制造过程中产生的结构与性能缺陷,是当下需要解决的问题。 基于CMT的电弧增材制造,由于其较低的热量输入,增材制造样品的缺陷基本上可以通过辅助技术手段减轻,但由于沉积路径的复杂性和沉积过程的不确定性,始终达不到百分百满足工业制造需求的沉积修复样品。因此,寻求一种新的限制增材样品缺陷的方法显得尤为重要。一般而言,电弧增材制造样品的结构与性能缺陷是在沉积过程中累计产生的,熔池的流动模式和凝固过程决定了最终样品的材料质量,控制好沉积过程中的熔池流动模式和凝固过程,使之向有利于样品成型的方向发展,便能从源头上减小电弧增材制造样品的结构与性能缺陷。 本文利用理论模型分析法和实验验证法,分析在有无红铜挡板约束的条件下,增材样品在不同的沉积参数下,其结构性能随之的影响。通过对比实验,研究红铜挡板在宏观层面上对熔池流动模式和凝固过程的约束作用,在此基础上,分析红铜挡板对增材样品成型过程中微观组织结构的影响。再从变量的角度出发,通过系列数据研究沉积参数对约束沉积样品质量趋势变化的作用规律,通过CMT电弧微铸制造,来影响增材过程中的熔池流动和材料成型,进而改变增材样品的组织结构和机械性能,主要内容如下: (1)电弧增材制造熔池流动模式。分析CMT电弧增材制造过程中焊丝进给速度,焊枪移动速度,红铜间距,层间温度对熔滴滴渡状态,熔池流动模式的影响。 (2)电弧增材制造材料成型规律。分析CMT电弧增材制造样品在横向和纵向上的沉积成型速度,成型样貌,以及沉积参数对材料成型规律的影响。 (3)红铜挡板对增材样品组织结构的影响。不同条件下沉积样品的熔深和层厚,侧面平整度和顶面波动度,以及侧内向小孔和基板热变形的变化。 (4)红铜挡板对增材样品机械性能的影响。不同沉积条件下样品的性能检测,重点是沉积样品的拉伸强度测试和表面硬度测试,以及其它必要的机械性能指标测试。

关键词： 镍基合金   电弧增材制造   CMT   成形成性   摆动电弧  

摘要： Inconel 718镍基合金因其优异的性能被广泛应用于航天、核电、石油等领域,素有“万能合金”的美誉。开展Inconel 718镍基合金大尺寸复杂构件的电弧增材制造技术研究具有迫切的需求,而Inconel 718镍基合金增材制造过程中存在成形困难、元素偏析、裂纹等问题,因此,本文采用具有低热输入的CMT焊接电弧从直线和三角的沉积路径出发开展了镍基合金电弧增材制造工艺研究。通过镍基合金单道焊缝沉积试验,对焊缝特征及焊接稳定性进行了研究。结果表明,当送丝速度为6 m/min,焊接速度为0.5 m/min时,焊接过程稳定,焊缝成形效果最好,平均晶粒尺寸及晶粒间距相对较小,仅为15.7μm和26.5μm,最适合进行增材制造。随着偏转距离的增加,焊缝边缘出现了“蜈蚣状”形貌,由于摆动电弧的作用,熔池振荡程度增加,熔池冷却速度加快,晶粒逐渐细化。开展镍基合金直线轨迹电弧增材制造薄壁成形试验,研究薄壁构件的组织和性能特征。结果表明,由于散热条件不同,试样从底部到顶部的微观组织分别为胞状晶、胞状树枝晶、粗大树枝晶和等轴晶,并且枝晶间存在较多的析出物,主要为Laves和MC型碳化物,析出相的尺寸和分布与增材试样的微观组织相符合。试样的力学性能具有明显的各向异性,纵向拉伸试样的抗拉强度为727.7MPa,明显高于横向拉伸试样,而屈服强度和延伸率小于横向拉伸试样,分别降低了8.1%和8.2%,该现象主要与断口韧窝的排列方式和Laves相的分布有关。基于三角摆动轨迹研究了在不同偏转距离和层间冷却时间下对镍基合金电弧增材制造构件宏观成形、组织结构及力学性能的影响。结果发现,随着偏转距离和层间冷却时间的增加,在摆动电弧的搅拌作用下,晶粒细化,生长方向发生改变,并且枝晶间析出相的数量及尺寸明显下降。当偏转距离为3 mm、层间冷却时间为120 s时,薄壁的力学性能最好,抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到了701.4 MPa、380.1 MPa和38.9%,相比于直线轨迹相同工艺参数的试样分别提高了8.1%、21.1%和2.0%,试样平均硬度为233.3 HV。综上所述,采用三角摆动轨迹的镍基合金电弧增材制造工艺可以有效改善组织和力学性能,进一步开展基于摆动轨迹的电弧增材制造研究具有重要意义。

关键词： 电弧增材制造   TA2钛合金   TC17钛合金   显微组织   力学性能  

摘要： 钛及钛合金作为一种轻质高强且耐热性好的新型结构材料,在航空航天等工业领域的应用日益广泛,近年来进入了一个极为迅速的发展时期。传统的钛合金制造方法成本昂贵且工艺复杂,而采用电弧增材制造钛合金构件的方法在降低设备成本的同时能获得较高的沉积效率,因此也逐渐成为工业领域的研究热点。钛合金在电弧增材过程中容易出现热积累严重的问题,降低焊接电流是降低增材过程中热积累的一个常用方法。但TIG电弧在较小电流条件下能量密度不够集中,难以保证焊道成形;等离子弧压缩程度强烈,电弧压力过大而不适合薄壁构件的电弧增材制造及修复。因此本文提出一种双层气拘束TIG电弧,该电弧比TIG电弧压缩程度更大,能在较小电流下保持稳定,能量密度有所提升,同时避免电弧压力过大。本文主要对双层气拘束TIG电弧的电弧特性进行了研究,并且将其应用于TA2钛合金和TC17钛合金的电弧增材制造,研究了构件的组织和力学性能。本文对于双层气拘束TIG电弧和TIG电弧的静特性、电弧压力以及电弧电流密度进行了测量,并利用高速摄像机对电弧形态进行拍摄。发现相同焊接电流条件下双层气拘束TIG电弧电压要明显高于TIG电弧电压,电弧压力峰值和电流密度峰值与TIG电弧相比均有所提升。在焊接电流100A时,双层气拘束TIG电弧压力峰值比TIG电弧提升约34%,电流密度峰值提升约14.9%。高速摄像结果显示双层气拘束TIG电弧相较于TIG电弧有明显程度的压缩。而双层气拘束TIG电弧内层气或外层气的气流量大小对电弧特性的影响比较微弱。本文首先在TC4钛合金薄板上进行TA2焊丝的焊缝成形实验,研究两种电弧在焊缝成形上的差异。发现在一定的焊接工艺参数和较小焊接电流条件下,双层气拘束TIG电弧具有更好的焊缝成形。设计了四组工艺实验方案进行TA2钛合金的电弧增材制造,增材体微观组织为边缘不规则的锯齿状α相,增材体顶部的α相尺寸明显大于中部和底部。分析了不同工艺实验组增材构件的微观组织、拉伸性能、断口形貌以及显微硬度方面的差异。进行TC17钛合金的焊缝成形实验,选取两种电弧所成形焊缝尺寸相近的工艺参数进行TC17钛合金电弧增材实验,对两个增材构件的微观组织进行观察,并对其力学性能进行测试。增材体顶部微观组织为亚稳定的过冷β相,中部和底部主要构成组织为细密的网篮组织。双层气拘束TIG电弧的增材构件抗拉强度和延伸率更高,显微硬度值也略高于TIG电弧增材件,两个增材构件的断裂形式均为韧性断裂。

关键词： 电弧增材制造   CMT   4043铝合金   组织和性能   数值模拟  

摘要： 冷金属过渡(Cold Metal Transfer,CMT)电弧增材制造技术是以熔化极气体保护焊为基础,利用CMT电弧对焊丝进行加热熔化逐层堆积的数字化技术。常用焊丝有铝合金、钛合金、钢等,能制造出多种材料和形状的零件。由于其生产效率高、成本较低等的优点,在多种行业有着广泛的应用,特别是航空和船舶行业由巨大的应用潜力。4043铝合金因其较高的强度和机械性能,耐腐蚀性能较好,特别是较好的流动性,十分适合增材制造,是4系焊丝中最常用的类型。研究4043铝合金电弧增材制造工艺能更好地将其应用于各种场合,为工业化生产提供参考。本文使用ANSYS软件采用高斯热源模型模拟了单道多层薄壁件电弧增材制造过程中的温度场和应力场的变化。模拟结果表明,采用CMT单道多层方式成形薄壁件时,制件的温度随着时间的增加逐渐上升,最终趋于平稳。每一层的熔覆层温度都会经历多次的上升与下降。当热量累积至一定程度后,部分熔覆层会由于后续熔覆层的堆积而发生重熔和应力的释放。随着成型过程的进行,制件高度方向具有最大的变形,其次是长度方向上的变形,各个方向的综合变形使得熔覆层两端发生下榻。最大等效应力的位置在增材件第一层的起弧点和收弧点,此处最容易发生翘曲变形。在有限元模拟的基础上,选择了合适的工艺参数,使用直径为1.2mm的4043铝合金焊丝进行了电弧增材制造实验。研究了成形路径、成形层数、焊接速度、送丝速度、气孔缺陷对成形薄壁件形貌、组织和性能的影响。结果表明,采用往复方向成形方式制备的样品形貌优于采用单一方向制备的样品;成形的样品上层形貌、组织和性能优于中层和下层,样品的横向力学性能优于竖向,横向拉伸性能最高为153.7MPa,竖向拉伸性能最高为134.8MPa;焊接速度的提高会使成形薄壁件的高度和厚度变小,晶粒尺寸减小,气孔率增加;送丝速度的增大会降低成形薄壁件的高度,增加成形薄壁件的厚度,增加晶粒尺寸,减少气孔率。在有限元模拟技术基础上,通过优化CMT工艺参数,成功制备了4043碗状复杂曲面零件,实验制备的碗状样品表面质量和尺寸精度达到要求。实验证明采用CMT技术制造复杂形状4043零件方案可行,制备效率高,制件质量稳定,满足实际生产要求。

关键词： 电弧增材制造   气体分布模拟   温度场模拟   热积累   高温氧化  

摘要： 电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)技术具有设备成本低、材料利用率高、适合成型大尺寸结构件等诸多优势,被广泛应用于航空航天等技术领域。但在WAAM过程中,复杂的热过程会产生过高的热积累,形成较大的温度梯度,增加了发生高温氧化的区域,容易导致成型缺陷,制约了该技术的进一步发展。因此,研究降低WAAM热积累与防止高温氧化的工艺方案具有重要意义。本文以Ti-6Al-4V钛合金作为填充材料,采用基于双丝钨极氩弧焊(Gas Tungsten Arc Welding,GTAW)的WAAM技术成型薄壁件为例,模拟了WAAM过程中保护气体的分布,分析了保护气对薄壁件的散热影响,优化了散热数值,进而构建了有限元模型,分析了温度场的分布规律。分别提出了减少热累积、防止高温氧化的工艺方案。具体研究内容如下:(1)利用Fluent软件模拟了WAAM过程中保护气体的分布,研究发现,随着保护气体流量的增加,薄壁墙周围保护气体的覆盖范围和浓度上升;采用相同的气体流量时,向下延长拖罩侧壁能够有效增加保护气的范围和浓度。针对传统拖罩局部保护装置在保护零件免受高温氧化时的不足,提出向下延长拖罩侧壁的方案来提高拖罩对薄壁墙的保护作用,减少薄壁墙受到高温氧化的影响。(2)通过分析保护气分布的模拟结果,确定WAAM过程中的散热方案,即拖罩部分的薄壁墙散热应按照自然对流传热处理,喷嘴处的薄壁墙散热按照热对流系数为21.2824 W/(m·K)作强制对流处理。将优化的散热参数用于制造过程中的温度场模拟,有利于提高模型的计算精度。(3)通过验证后的有限元模型,对填充材料的摆动堆积方式、层间停留方式进行数值模拟,分析不同因素对温度场的影响,并通过温度数据优化保护气参数。研究结果表明,采用摆动工艺和200℃的层间停留温度能够有效减少热积累,并且采用摆动工艺还可以提高零件表面平整度、减少滞后停气时间。模拟研究结果对实际WAAM过程中降低材料热积累与防止高温氧化的工艺参数调整具有指导意义,为电弧增材制造高质量构件过程提供了有益的参考。

关键词： 电弧增材制造   焊道角度   层间重叠率   组织   性能  

摘要： 电弧增材制造技术(WAAM)是丝材增材制造技术的一种,因其以焊接电弧作为热源,具有热输入效率高、成型效率高、可用于较大结构金属构建的高效、低成本成型等优势,因此是金属材料3D打印方向一个重要研究领域。电弧增材制造的基本原理是通过焊丝的逐层熔化堆积,最终获得所需的实体结构。本课题利用冷金属过渡(CMT)的电弧增材技术,以304不锈钢为基板材料,研究了电弧增材在制造复杂结构时会遇到的焊接线能量、焊道夹角角度、层间重叠率等工艺参数对其宏观成型、微观组织及力学性能的影响。主要结论如下:在电弧增材单层单道结构时,随着送丝速度的增加,单层单道焊道熔宽也随之增加,而焊道高度则先是增加后减小;而随着焊接速度的增加,单层单道焊道高度和熔宽均随之减小。在电弧增材制造结构中,底部为第一层焊道和基板共同形成的熔合区,中部主要为从不同方向逐渐向上生长的柱状晶,在顶部主要为较为均匀、细小的胞状晶,此外在层间存在明显的重熔层。随着焊接线能量的增加,电弧增材构件中柱状晶生长排列更加整齐,晶间距离增加,柱状晶的二次枝晶也随着线能量的增加而生长得更加连续明显。随着层间重叠率的减小,即构件倾斜度增加,柱状晶垂直向上生长时受限,也被迫发生倾斜,最终使得柱状晶连续性减弱、短且易破碎。随着焊道夹角角度的增加,在夹角区域的柱状晶生长时受限减少,因此其柱状晶生长空间增加,连续性更强,晶间距离增加。电弧增材直壁/曲面结构在沿高度方向上,其硬度均逐渐降低,从约210HV降低到150HV左右,下降了约28.5%左右,并最终在150HV上下波动。随着线能量的增加,则会使电弧增材结构显微硬度有所降低。焊道夹角角度和层间重叠率对其影响不大,但会使其层间硬度变化波动更大。电弧增材制造结构的抗拉强度普遍大于同材料的标准抗拉强度40～90MPa,约为7%～17%左右。而其延伸率则普遍小于标准5～10%左右,试验中当焊接线能量增加150J/cm时,其抗拉强度随之增加约7.3%。

关键词： 电弧增材再制造   分层切片   路径规划   碰撞检测   焊枪姿态调整  

摘要： 热锻模具电弧增材再制造是由数字模型驱动对失效模具进行尺寸恢复与性能提升的先进制造技术,该技术采用的软件以及其包含的模型数据处理算法对模具再制造的成形质量和精度有着重要的影响,是实现再制造过程自动化的基础。目前,对于热锻模具电弧增材再制造模型数据处理算法的研究仍无法支持实现稳定且连续的修复再制造自动化过程。本文针对热锻模具电弧增材再制造模型数据处理所涉及的分层切片、路径规划、焊枪姿态调整以及机器人末端姿态优化等过程开展了研究,设计开发了相应的模型数据处理软件,为该技术的推广应用提供支撑。 为实现对STL模型进行快速稳定地切片,基于哈希查找方法和利用字典数据结构对读取的模型数据进行了拓扑重构。基于建立的拓扑关系设计了单层快速切片算法,提出了有界平面的概念确定内外轮廓线之间的位置关系,并对截面轮廓进行了优化。通过与开源软件Cura的切片过程进行对比,验证了本文提出的切片算法具有较高的切片效率。此外,设计了基于层片面积变化的自适应分层算法,降低了侧壁未熔合缺陷发生的概率。 基于复合路径扫描填充策略设计了相应的路径生成算法,实现了再制造路径的自动生成。该算法能够自适应调整扫描线的位置,可避免局部未填充现象的发生。通过量化轮廓线的形状特征以及分析偏置轮廓线内所有顶点的非极值角度范围,对截面填充路径的方向进行了优化,分别实现了改善成形质量和减少子区域数量的目标。 设计了基于碰撞检测的焊枪姿态自适应调整算法,避免模具再制造过程中焊枪与模具基体发生碰撞。碰撞检测过程通过初步碰撞检测和精确碰撞检测两个阶段实现:初步碰撞检测阶段采用了包围盒技术和空间分割方法,快速排除非碰撞区域;精确碰撞检测阶段采用线-体相交检测来代替常规的三角面片之间的相交检测,有效提升了检测效率。以路径目标点的位置信息来表征模具型腔形状,并基于提出的碰撞检测算法,分别设计了轮廓路径和内部直线填充路径的焊枪姿态自适应调整算法。通过四组焊枪姿态调整对比实验,验证了本文提出的碰撞检测算法在检测效率上的优越性以及焊枪姿态自适应调整方法的可行性。 以避免关节超出极限为目的,基于自由度冗余设计了优化机器人末端姿态的算法。通过对机器人运动学和机械臂在模具再制造作业空间的几何构型进行分析,提出了机器人逆运动学解析解唯一解的求解准则。通过采样分析机器人各关节角度值的方法,提出了优化机器人末端初始姿态相关算法,避免机器人运动过程中出现关节超过角度极限情况。通过三组对比实验,验证了本文提出的机器人末端姿态优化算法在避免关节超出极限方面的可行性。 设计开发了热锻模具电弧增材再制造模型数据处理软件。基于wx Python和可视化工具包VTK实现了界面的开发以及三维模型可视化的搭建。模型数据处理模块实现了模型导入、分层切片、路径规划和焊枪姿态调整等功能。基于Py Bullet搭建了机器人离线仿真环境,并开发了可输出不同品牌机器人程序的离线编程模块。 通过对单道焊缝成形进行试验分析,确定了保证单道焊缝成形质量良好的合理工艺参数范围;同时,基于BP神经元网络建立了焊道尺寸与工艺参数之间的预测模型,为自适应分层切片和填充路径规划提供数据支持。基于以上工艺研究结果以及所开发的软件对失效的前桥模具、叶片模具和涡轮盘模具进行了电弧增材再制造。在再制造过程中机器人运动平稳连续,且再制造后的模具表面质量良好、尺寸均匀,进一步验证了本文提出的模型数据处理算法以及所开发的模型处理软件的可行性和稳定性。 论文的研究工作为电弧增材再制造技术在热锻模具修复领域的应用提供了算法和软件支撑,具有重要的工程应用价值。

关键词： 电弧增材   冷金属过渡   TiB2增强铝基复合材料   微观组织   力学性能  

摘要： TiB2颗粒增强铝基复合材料具有力学性能高、加工性能好等诸多优点,已成为航空航天、国防军工、机械制造等众多领域的潜能材料。将该类复合材料制成丝材,探索合适的熔化方法实现增材制造,是进一步拓宽其应用领域,充分发挥性能优势的新的研究课题。本文研究工作以TiB2/6056铝基复合材料丝材为焊材,冷金属过渡（CMT）技术为加热方式,探索TiB2颗粒增强铝基复合材料丝材的电弧增材（WAAM）工艺,研究增材件的微观组织和性能。具体工作主要包括三大部分:前两部分采用数值模拟和试验探索相结合的方法,研究TiB2/6056铝基复合材料丝材WAAM-CMT增材成形的问题和难点,优化其增材制造工艺参数;第三部分采用试验获得的最优工艺制备尺寸较大的TiB2/6056铝基复合材料增材件,详细研究增材件微观组织特点,分析其力学性能,揭示WAAM-CMT成形TiB2/6056复合材料的强化机制。WAAM-CMT数值模拟研究结果表明:电弧增材过程中,增材件内部的温度和应力经历了反复的升降,存在增材层重熔和应力释放现象,残余应力主要分布在增材件中部。增加层间等待时间,有利于降低增材件内部热积累,可有效避免增材件出现下塌陷缺陷。WAAM-CMT工艺探索研究结果表明:增材过程中热输入对增材层的微观组织和成形质量有非常大的影响。单层单道试验发现,热输入在1200～2400J/cm焊道成形良好。增大热输入,有利于降低增材焊道的气孔率;焊道的熔宽和余高随着之增大;增材层组织由树枝晶→胞状晶→等轴晶转变。单层多道试验表明:道间间距为3.45mm时,增材层表面光滑、成形良好,搭接区域几乎没有较大的沟壑,成形精度较高。单道多层试验发现:热输入为1625J/cm,机器手臂Z轴抬升量为1.5mm,层间等待时间40s,采用往复增材路径可获得成形质量良好的增材件。WAAM-CMT增材件的组织和性能研究结果表明:逐层增材中各增材层受热和散热的程度不同导致沉积态增材件的组织分布不均匀,底部的晶粒尺寸最为细小,中部的晶粒尺寸较粗大,顶部为细小的树枝晶;增材件中的TiB2颗粒和化合物相主要分布在α-Al的晶间位置。T6热处理后,增材件内部晶粒尺寸有所增大,枝晶偏析现象明显消除,晶界上的化合物相回溶到铝基体中,晶界变窄。热处理后增材件在3.5wt%Na Cl溶液中抗腐蚀性能明显提高;显微硬度是沉积态的1.4倍,达到115.5Hv;XY方向抗拉强度达到312MPa,与沉积态相比提高了24.8%,Z方向抗拉强度达306MPa,与沉积态相比提高了33%。分析认为,WAAM-CMT成形TiB2/6056复合材料的强化机制为:TiB2增强颗粒的Orowan强化和经热处理后析出化合物相引起的弥散强化。

关键词： 电弧增材制造   过度补偿   路径规划   BP神经网络   典型结构件  

摘要： 电弧增材制造是利用电弧产生的热量把焊丝熔化后以熔滴的形式随焊枪一起移动,在基板上逐层熔敷成形,最终熔敷堆积成和模型一致的金属结构件。电弧增材制造的金属结构件力学性能优良,致密性良好。本文针对电弧增材制造路径的缺陷控制展开了研究,并完成了典型结构件的电弧成形试验。主要的研究内容有以下几点:(1)针对封闭路径闭合处在成形过程中出现的搭接不平的缺陷,采用了过度补偿的成形控制策略,有效解决了闭合处搭接不平的缺陷。同时针对过度补偿距离的确定方法进行了研究,提出了补偿前弧坑长度和过度补偿距离的数学计算公式,并验证了过度补偿距离计算公式的可靠性。(2)针对非封闭路径起弧端和熄弧端高度差距大的问题,分析了单道成形熄弧端出现塌陷的原因,在已有的平行往复熔敷方式上进行了改进,提出了在熄弧端不熄弧往回焊接一定距离的同时降低焊接电流再熄弧,层与层之间保持平行往复的成形策略。基于试验数据建立BP神经网络预测模型,并通过试验验证了模型预测结果的准确性。(3)以典型结构件中的蜂窝结构件为例,对蜂窝结构进行了结构分析,利用电弧增材的方法,结合两种路径成形控制策略进行路径规划,最终得到了成形形貌良好的308L不锈钢蜂窝结构件,验证了路径成形策略和路径规划的可行性。