关键词： GH4169D合金   超声冲击   电弧增材制造   微观组织   力学性能  

摘要： 航空发动机中的高温合金零部件存在如凸台和环形加强筋等结构,在采用锻造等传统成形工艺时存在加工余量大、材料利用率低等问题。电弧增材制造技术因其低成本、高效率等特点被广泛应用于金属材料零部件的成形制造中,但由于热输入大、极易导致成形组织不均匀等工艺缺陷。通过引入超声冲击,它使材料发生塑性变形,可细化晶粒,有效改善成形件的组织与性能。GH4169D合金作为应用于航空航天领域的新型时效强化型材料,通常需要通过热处理工艺才能达到最优性能。因此,本文以GH4169D合金为对象,深入研究了电弧增材、超声-电弧及热处理成形工艺,得出了以下结论:首先,探究了电弧增材GH4169D合金组织和性能之间的关系。随着沉积高度的增加,沉积层冷却速率逐渐降低,一次枝晶间距逐渐增加,C元素偏析越严重,碳化物的尺寸越大,γ′相的平均直径越小。由于γ′相能够通过阻碍位错运动来提升合金强度,在含量不变的情况下,其尺寸越小,提升效果越好。其次,研究了热处理工艺对电弧增材GH4169D合金组织与性能的影响。均质化后合金微观组织中粗大柱状晶溶解,晶粒大小均匀,碳化物等有害相基本溶解。在固溶与时效处理后,合金中γ′相均匀分布,其含量和平均直径显著增加。γ′相含量上升在合金拉伸过程中会诱发空洞产生,导致热处理后电弧增材GH4169D合金抗拉强度、显微硬度上升,塑性下降。最后,探究了超声冲击及热处理工艺对于电弧增材GH4169D合金的组织与性能的影响。在超声冲击作用下,合金沉积层发生塑性变形,内部位错大量增殖,并在晶界上发生塞积,原始粗大晶粒细化成等轴晶,γ′相变得更加细小均匀,合金屈服、抗拉强度和平均显微硬度均有所上升。在热处理后,超声-电弧增材GH4169D合金中晶粒和γ′相发生长大,γ′相均匀弥散分布,削弱了超声冲击带来的细晶强化作用,导致其了性能与组织相较于热处理态电弧增材GH4169D合金无明显变化。

关键词： 增材制造   旋转电弧   电弧熔池物理特性   晶粒细化   性能优化  

摘要： 增材制造技术相比于铣削及铸造等常规制造技术具有材料利用率高、生产流程简化、适合制造复杂成形件的优点,其中电弧增材制造技术由于具备熔敷效率高、设备简单、成本较低的特点,因此在制备大型零件时具有更大的优势。以GTA(Gas TungstenArc,钨极惰性气体保护电弧)为热源的增材制造技术具有熔敷过程稳定、无飞溅、精度高等优点,但是存在电弧热量集中不均、电流较大时热输入较大导致的组织粗化与性能降低、电弧压力过大导致过多的重熔及驼峰缺陷等问题,因此GTA增材制造电流通常被限制在200A以内,这很大程度上限制了该技术的生产效率及应用范围。针对上述问题,本课题组提出了一种新颖的非熔化极旋转电弧增材制造技术(GTRA-AM),旋转电弧能够能够有效分散电弧压力及热量,使熔敷过程受热更加均匀,降低作用于增材成形件上的电弧压力及热输入;同时能够有效地搅拌熔池,使得成形件晶粒细化、性能提高、工艺参数范围扩大。研究结果对提高GTA增材制造效率及质量具有重要意义。搭建了旋转电弧增材制造实验平台,利用304L不锈钢焊丝进行增材制造。经计算旋转电弧较常规电弧覆盖面积更大,使得电弧压力更加分散,钨极尖端为45°斜面为较佳的增材钨极尖端形状。电弧旋转到堆积层墙体两侧时会出现电弧暴露在墙体之外的现象,有效降低热输入;旋转到熔池前侧时,电弧熔化焊丝形成熔滴过渡。对电信号及热循环检测表明旋转电弧在制造过程中具有更低的峰值温度,反映出旋转电弧热输入较低。旋转电弧在堆积层熔敷时电压呈现“M”形,当电弧旋转到墙体两侧时电弧拉长,弧压升高形成波峰;当电弧旋转到熔池后侧及熔池前侧时,弧长变短,弧压降低形成波谷,电弧在两侧路径较长导致在波峰时会形成“m”形平台。随着钨极抬高,弧压同步升高,电弧对熔池中间与两侧的高度差不敏感,此时平台消失,呈现出规则“M”形。通过预埋示踪粒子,利用高速摄像观察熔池流动行为,发现示踪粒子在熔池中随着电弧的旋转做不规则的圆周运动,对比常规电弧,在旋转电弧不断变化的电弧力的影响下示踪粒子运动更加剧烈,电弧对熔池存在明显的搅拌作用。成形件底部组织主要为细小柱状晶及胞状晶;中部熔化区(熔合线以下)主要为粗大的柱状晶及树枝晶,在中部重熔区(熔合线以上)主要为柱状晶及胞状晶;在顶部为无晶粒取向的等轴晶及树枝晶,相成分主要为奥氏体及少量的残余δ铁素体。相比常规GTA增材制造,旋转电弧增材制造成形件晶粒更加细小,硬度更均匀,抗拉强度、塑性、冲击韧性以及耐蚀性均较好。旋转电弧成形件随着热输入的降低强度升高、塑性降低、耐蚀性升高,同时由于成形件不同部位在敏化区间停留时间不同,试样的耐晶间腐蚀性能在顶部较底部及中部好。

关键词： 电弧增材制造   超声振动   微观组织   有限元分析  

摘要： 增材制造(Additive Manufacturing,AM)是一种将金属熔化后再逐层堆积成目标零件的新型制造工艺,具有材料利用率高、复杂结构直接成型等优点,已被应用于航天航空及军工等领域。CMT(Cold Metal Transfer)冷金属过渡焊作为一种新型焊接工艺,具有热输入量低、飞溅少等工艺特点,适用于低熔点合金的增材制造。然而,在CMT电弧增材制造铝合金过程中会出现气孔、裂纹以及晶粒粗大等缺陷。因此如何减少气孔、细化晶粒以提高力学性能成为了迫切需要解决的问题。 本文以CMT电弧增材制造工艺作为基础,ER4043铝硅焊丝作为试验对象,在增材过程中施加超声振动,研究了超声振动对试样成型以及组织性能的影响。针对增材制造过程进行热流数值模拟,分析了有无超声振动对焊接温度场及应力场的变化。通过改变焊接速度、送丝速度以及振幅,阐述了焊接参数对单道单层焊缝成型规律的影响。基于对超声振幅的改变,揭示了超声振动降低孔隙率以及细化晶粒组织的机理。同时建立焊接参数与平均晶粒大小之间的数学模型,优化了焊接工艺。具体研究内容如下: (1)超声振动辅助增材制造热循环特征的有限元分析 根据实际增材制造过程,建立有限元模型,对单道多层薄壁件增材制造过程中的温度场及应力、应变场进行数值模拟分析。对不同超声振幅下的增材试样的温度场及应力场进行计算,分析了超声振动对增材过程中热流影响范围以及焊后残余应力及应变的影响,为改善增材质量提供理论支撑。 (2)超声振动辅助对单道单层试样成型规律的研究 采用单一因素控制变量法研究焊接参数对单道单层焊缝成型规律的影响,其主要焊接参数有:送丝速度、焊接速度以及超声振幅。通过分析各参数对于焊缝熔宽、熔深以及焊缝表面质量的影响,探究了超声振动对金属熔池流动以及焊缝成型规律的影响。 (3)超声振动辅助对单道多层试样组织及性能的分析 使用超声振动辅助CMT来堆积单道多层的薄壁件试样,通过改变振幅来研究超声振动能量对于焊缝微观组织、孔隙率以及力学性能的影响。结合熔合线附近晶粒的分布情况,揭示了超声振动减少熔池内气泡以及焊缝内部的粗大柱状晶粒的机理。并基于响应面法,建立了工艺参数与平均晶粒大小之间的数学模型。 本文主要研究了超声振动辅助CMT电弧增材制造铝合金的焊接工艺并分析了其组织性能,为改善电弧增材制造铝合金显微组织调控及力学性能提升提供理论支撑。

关键词： 高氮钢   熔滴过渡   成形特性   波形调控   飞溅  

摘要： 针对高氮钢CMT电弧增材过程中熔滴过渡不稳定问题,本课题开展了高氮钢CMT电弧增材工艺研究。分别研究了高氮钢单丝、双丝CMT电弧增材熔滴过渡行为,分析不同工艺参数对高氮钢CMT熔滴过渡行为和成形的影响规律,包括送丝速度和双丝角度等。然后,通过调节电流波形参数使其熔滴过渡行为稳定,以获得适用于高氮钢CMT电弧增材的工艺范围。首先,对高氮钢单丝CMT电弧增材熔滴过渡行为进行研究。结果表明:熔滴爆炸主要发生在燃弧峰值阶段,短路阶段熔滴过渡比较稳定;当送丝速度小于4m/min时,熔滴基本不发生爆炸,熔滴过渡过程稳定;然后通过调节电流波形扩大工艺区间,发现峰值阶段熔滴过渡行为的稳定性主要受峰值电流和峰值持续时间影响,当峰值电流I为133A～193A,峰值持续时间t为3ms～6ms,峰值送丝速度V为32～40m/min,基值电流I为40A～80A时,熔滴过渡过程较稳定;并且经波形优化后单丝CMT熔滴过渡稳定的工艺区间由70A～85A扩展到70A～100A,而且飞溅率明显降低。由于小电流下高氮钢单丝CMT电弧增材熔滴过渡稳定但成形较差,现将单丝稳定熔滴过渡工艺应用到双丝CMT电弧增材过程中,提高热输入,实现小电流下大热输入熔敷效果。结果表明:采用不同双丝角度时熔池重合区域大小不同,重合区域较大的熔池振荡更剧烈,导致双丝间电弧干扰严重,熔滴过渡稳定性更差;而双丝电弧干扰可以通过调节峰值持续时间t进行改善,当双丝峰值持续时间之和越小且差值也越小时,电弧间干扰较小,熔滴过渡行为也更稳定,并且当双丝匹配电流不同时,右丝电流大于左丝电流,熔滴过渡过程也更加稳定。最后对高氮钢双丝CMT成形特征及氮气孔进行研究,结果表明:随着双丝角度的增大,双丝共熔池所需的最小总送丝速度也随之增大,且双丝角度小于45°时,熔敷金属铺展性较差;当双丝角度为45°,左右送丝速度之和大于8.7m/min时,熔敷金属普遍达到II级焊缝;经电流波形优化后熔敷金属边缘飞溅明显减少,并且气孔率基本不变;随后选择优化后成形良好的电流波形参数(3.5ms-223A/3.5ms-223A)进行搭接实验,发现中心间距为8mm时熔敷金属层表面平整度较好。

关键词： 电弧增材制造   热处理   变温轧制   多向锻造  

摘要： 铝锂合金因其典型的低密度、高强度和比刚度而广泛应用于航空航天工业。但是,目前传统铝锂结构件生产制造方法（铸造等）存在生产周期长,材料利用率低等局限性增加了其制造成本。作为一种具有高沉积速率的新技术,电弧增材制造（WAAM）广泛应用于金属合金的制备。然而,铝锂合金增材制造时面临着严重的形性控制难题。由于电弧增材制造过程中涉及金属丝材的熔化,以及铝锂合金高凝固收缩率、高热导率和易吸氢的材料特性,不可避免的产生气孔、晶粒粗大和脆性相团聚等问题,导致构件强度下降。为解决以上问题,本文开展了WAAM制造Al-Zn-Mg-Li合金变形（热轧、多向热锻和多道次变温轧制）和热处理实验研究,分析Al-Zn-Mg-Li合金中富Al-Fe-Cu相、T（Al Zn Cu Mg）相和富Mg-Zn相的微观结构演变,通过EBSD分析了变形过程中的动态回复和动态再结晶行为引起的晶粒细化机制,通过SEM研究了变形和热处理对基体中脆性组织的作用机理及脆性组织特征对合金力学性能的影响。揭示了变形和热处理对富Mg-Zn相演变规律的影响,旨在改善材料内部的气孔、粗大晶粒和脆性相团聚,最大程度地提高合金的力学性能。本文的主要工作和结论如下:1、系统研究了WAAM制造Al-Zn-Mg-Li合金在热轧和热处理过程中微观组织的形貌特征以及其对力学性能的影响规律:由于强烈的挤压,试样中会发生明显的动态回复和动态再结晶,柱状晶粒得到改善,平均晶粒尺寸为16.7μm;基体中粗大的Al7Cu2Fe相和Al Fe Cu相会发生严重破碎,脆性相聚集得到改善;热轧处理期间T相颗粒从饱和固溶体中析出,降低了固溶体的过饱和度;这些脆性相在变形过程中容易造成应力集中,恶化合金的力学性能;固溶过程中,基体中的大量T相和η相回溶到基体中,提高了后续时效过程中强化相η′的析出驱动力,合金的力学性能得到提升。2、开展了Al-Zn-Mg-Li合金多向锻造和形变热处理工艺实验,研究了合金在多向热锻过程中微观组织的演变规律以及其对力学性能的影响,揭示了多向锻造过程中的晶粒细化行为和孔隙消除过程。分析了多向热锻中脆性T相在时效和固溶时效后的演变规律及对力学性能的影响:在多向锻造过程中,基体中粗大的脆性相会发生严重破碎,锻压量越大,脆性相越破碎分散,面积分数最低降至0.7%;由于高的位错密度和亚结构,锻造过程中T相和S相的析出更为明显;强烈的热变形使合金基体内部大量初始条带形式分散分布的孔隙发生愈合,孔隙率显著降低;严重的挤压变形使合金发生明显的动态回复和动态再结晶,产生大量的细小晶粒,随着锻造压下量从30%增加到50%,平均晶粒尺寸从23.1μm明显减小至16.9μm;随锻压量、时效温度和时间的增加,η′相明显粗化,球形T相颗粒尺寸变小;锻件在固溶过程中大量的S相和T相会回溶到基体中,固溶体的饱和度大幅度提高。合金经50%多向锻造后固溶时效强度得到了显著提升。3、开展了多道次变温轧制和低温时效处理实验,研究了超低温轧制与中温轧制对合金脆性相的作用机理,探索了超低温轧制与中温轧制合金的低温时效行为,并揭示了合金塑性和强度提升的机理:冷变形抑制了动态回复的发生,同时合金中引入了高密度位错,导致脆性颗粒周围的位错密度和应力集中急剧增加,加速其破碎;超低温轧制+中温轧制试样经时效处理后,基体中析出了高密度纳米尺寸的η′相和原子团簇GP区。它们对合金强度和塑性的提升起着关键作用。通过调控多道次变温轧制和低温时效工艺,在100°C/30h时效时,获得了最高的抗拉强度732 MPa,比普通轧制时效样品高55.4%,同时样品的延伸率为9.45%。样品在120°C/5h时效时获得最大延伸率13%,合金的力学性能满足使用需求。图55幅,表12个,参考文献117篇

关键词： 缆式焊丝   异质双丝   电弧增材   数值模拟  

摘要： 增材制造是中国制造2025重点发展方向之一。GMAW(Gas metal arc welding)电弧熔丝增材技术是金属增材制造重要技术之一,具有设备成本低,沉积效率和丝材利用率高等优势。异质双缆式焊丝GMAW电弧增材结合了双丝焊和缆式焊丝高效优点和异质材料增材的材料性能优势,满足航天航空、船舶海洋、生物医学等领域对部件高性能、多功能化需求。本文采用试验与数值分析相结合的方式研究了异质双缆式焊丝GMAW电弧增材过程的电弧及熔池流体行为,获得了其热质传输基础数据,为高质量异质双丝GMAW电弧增材奠定了理论基础。 首先,建立了缆式焊丝GMAW和异质双缆式焊丝GMAW电弧增材电弧仿真三维模型,对缆式焊丝GMAW电弧增材和异质双缆式焊丝GMAW电弧增材进行了电弧数值模拟,获得了焊接电弧的温度场、速度场等基础数据。数值分析结果表明,电流在140A、160A、180A之间增大时,缆式焊丝GMAW电弧最高温度分别为22785.4K、23131K、23749.2K;异质双缆式焊丝GMAW电弧温度场最高温度分别为22264K、22837K、23122K。电流密度随着焊接电流增大而增大,焊丝阳极端部等离子流速和压强随着焊接电流增加而增大,焊丝端部的压强大于工件表面压强。相同电流下,前者温度场温度整体高于后者,工件表面温度略低于后者;前者电弧中心位置电流密度、等离子流速均小于后者;工件表面压强前者略小于后者。由于副丝缆式焊丝的加入,使得缆式双丝电弧在工件表面分布发生变化,双丝电弧温度场经历先由大于单丝电弧温度场到小于单丝电弧温度场的变化过程。 其次,进行了缆式焊丝GMAW电弧增材和异质双缆式焊丝GMAW电弧增材熔池流体行为的数值模拟。数值分析结果表明,随着电流(140A、160A、180A)增大,两者熔池尺寸都有不同程度增加。单丝增材第一层熔池熔深分别增加0.2mm、0.1mm,熔宽增加0.3mm、0.7mm,余高分别增加0.12mm,0.08mm;双丝增材第一层熔池熔深分别增加0.08mm、0.14mm,熔宽分别增加1mm、0.2mm,余高分别增加0.03mm、0.02mm。当电流同为180A时,双丝增材各层熔池熔深皆小于单丝增材相对应层数;双丝增材各层熔宽明显小于对应层数单丝增材熔池熔宽;两者余高变化差异较小。双丝熔池流场在双熔滴的作用下更加复杂,整体流场范围大于单丝熔池流场范围,右侧熔池流场有向中心流动趋势。熔滴滴落处,单丝熔池流场线呈四周分布,流场线到达熔池边缘向熔池内部流动,实现流场内循环,双丝增材时,液态金属向四周运动后,随着当共熔池的形成,熔池右侧流场向熔池中心流动。 最后,开展了缆式焊丝GMAW电弧增材和异质双缆式焊丝GMAW电弧增材试验。通过对比焊接试验电弧形态和焊缝形貌和仿真结果,研究结果表明:试验拍摄电弧形态与仿真电弧形态基本一致,验证了电弧仿真模型的准确性;随焊接电流的增加,单丝增材和双丝增材试样成形更加优良,增材区域塌陷现象发生减少。经过试验和仿真结果对比,增材区域金属尺寸与仿真尺寸误差分别为2.82%、3.14%和4.29%,误差总体小于5%,可以验证熔池流体行为仿真模型的准确性。在双缆式焊丝GMAW电弧增材时,改变第二缆式焊丝送丝速度发现,增材区域显微组织发生明显变化,在不同的副丝送丝速度下,试样中的奥氏体占比分别为58.53%、66.59%、72.65%,在一定程度内,随着副丝含量的提升,增材试样中奥氏体占比逐渐提升。随着不锈钢比例提升,增材区域晶界区域碳化物析出层消失。

关键词： 轻量化   连续体   拓扑优化   电弧增材制造  

摘要： 拓扑优化技术做为结构轻量化的重要手段之一,能够在保持原有结构性能的基础上,通过合理的分配材料,达到节约资源,提高材料利用率,并减轻重量等目的。然而,由于拓扑优化结构往往具有十分复杂的形态,传统的加工制造方式难以成形高度复杂的结构。增材制造技术的出现为拓扑结构的制造提供了新的途径。增材制造技术通过将结构进行分层切片,然后逐层堆积来实现结构的成形,所以受到加工制造的约束很小,目前已应用于诸多领域。电弧增材制造技术做为增材制造技术的一种,相较于其它增材技术,具有成本低廉、效率高、受结构尺寸限制小等优点。本文基于电弧增材制造的技术特点,探索利用电弧增材技术制造连续体拓扑优化结构的可行性。 首先,以ER70-G实芯焊丝为原材料,电弧增材制造单道多层薄墙体,通过单轴拉伸试验测得电弧增材结构件沿电弧增材方向(横向)、垂直于电弧增材方向(纵向)与电弧增材方向呈45°三个方向的杨氏模量和泊松比等力学性能,结果显示三个方向的杨氏模量及泊松比等力学性能差异不大,可认为电弧增材所熔覆ER70-G材料为各向同性。 其次,研究了基于变密度法的拓扑优化方法,建立相关拓扑优化问题的数学模型,并在灵敏度过滤策略下对优化准则法进行推导。运用试验测得的力学性能参数对平面矩形结构在两种不同工况下进行拓扑优化,针对电弧增材制造结构件的工艺特点,详细讨论了体积分数、惩罚系数以及成员尺寸约束对整体结构最大刚度条件下拓扑优化结果的影响,得到了在一定边界条件下的具有清晰结构边界的二维拓扑优化结果图。 再次,针对拓扑结构中大量出现的悬垂结构,在不同焊枪姿态下对四种典型倾斜角度的悬垂结构进行电弧增材制造实验,并获取四种不同角度悬垂结构的最优工艺参数区间以及最佳焊枪姿态,为后续拓扑结构增材时相关参数的选取提供依据。通过调整焊枪角度,改变悬垂结构角度,解决大倾角且大夹角悬垂结构搭接时焊枪不可避免的干涉问题。 最后,以ER70-G实芯焊丝为原材料,基于由ABB机器人及福尼斯CMT焊机等组成的数字化焊接系统对拓扑结构进行电弧增材制造,验证电弧增材技术制造拓扑优化结构的可行性。

关键词： 电弧增材制造   高熵合金   绞丝   组织和性能  

摘要： 随着科技的发展,传统合金、传统制备方法越来越难满足各种需求。高熵合金因为具有优异的力学性能、耐高温、耐腐蚀性等性能而有着非常广阔的应用前景。Al Co Cr Fe Ni系列高熵合金已经是一个非常成熟的体系,它的制备普遍采用铸造,而使用丝材+电弧增材制造技术不仅效率高,成本低,而且可生产大尺寸零件,逐渐受到人们的广泛关注。本文基于前人“绞丝电弧增材制造Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金”的启发,在高熵合金的制备方法上进行了改进,从而实现更高效调整成分和更优的性能。通过自主设计一种不含铝元素的绞丝(CoCr-Fe-Ni),辅助送丝机填充Al焊丝,提出了一种双丝电弧增材制造、可无极调控Al含量的方法制备Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金。该方法一方面解决了纯铝焊丝软的绞丝制备问题,另一方面避免了因铝含量不同而导致的Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金的成型问题,为研究绞丝电弧增材制造高熵合金提供了一种新思路。(1)首先研究了送丝速度和焊接速度对单道焊缝成型质量的影响,并从焊缝外观和焊缝尺寸进行对比评估。最终确定送丝速度为5.2 m/min,焊接速度为6 mm/s时,得到的单层单道焊缝质量相对最佳。(2)通过辅助送丝机以不同的送丝速度填充Al焊丝,研究了不同Al含量对Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金组织和力学性能的影响。结果表明:当试样不含Al元素时,合金的组织为单一的FCC相。Al含量越多,BCC相且占比越大。试样的平均显微硬度也从154.73HV增加到了309.33HV。试样的平均屈服强度和平均抗拉强度也有大幅度的提升,Al0.6试样分别增加到了662Mpa和1071Mpa,比不含Al的试样分别提升了159.61%,116.80%。(3)对Al含量最多,强度较好的Al0.6试样研究上中下层组织和性能的差异。结果表明:离基板越远,BCC相越多,因此,在力学性能上表现为:塑形是下部靠近基板的要好一些,上部的试样综合性能最佳,显微硬度和拉伸强度稍强于中部和下部。造成不同位置组织差异的原因是:随着电弧增材制造过程中焊缝的逐层叠加,使热量也逐渐积累,足够多的热量将FCC相溶解在BCC相中,使FCC相转变为BCC相。

关键词： CMT电弧增材制造   视觉传感   立体视觉   熔敷层尺寸   熔池  

摘要： 电弧增材制造技术以其材料利用率高、沉淀效率高、设备运行成本低等特点得到广泛关注,其中,冷金属过渡(Cold Metal Transfer,CMT)电弧增材是直接成形大型复杂构件的重要方法之一。在现代工业的发展下,对金属增材制造零部件质量的要求越来越高,而视觉传感技术可以通过图像处理获取熔池视觉特征与增材制造成形之间的关系,为增材制造质量的控制提供有效的方法。本文采用基于单摄像机的立体视觉系统对CMT电弧增材过程中的熔池进行拍摄,通过图像处理和算法计算获取增材中熔池三维表面形貌及熔敷层尺寸,探究工艺参数和成形缺陷对熔敷层尺寸的影响。首先设计了一套基于双棱镜的单摄像机立体视觉系统,实现了熔池虚拟立体图像对的获取;阐述了立体视觉系统的标定原理,使用张正友标定法对整个系统进行标定;为方便后续的图像对立体匹配计算,对图像对进行了极线校正。使用棋盘格标定板对单摄像机立体视觉系统进行精度测量,其二维平面上最大误差率为0.7%。首次使用变分立体匹配算法(Variational Stereo Matching Algorithm)实现了CMT电弧增材制造过程中的熔池图像对匹配计算,包含变分法能量方程构建、泛函转变及能量方程的求解计算。对比局部立体匹配算法(Sum of Absolute Differences Matching Algorithm,SAD)、半全局立体匹配算法(Semi-Global Matching Algorithm,SGM)和变分立体匹配算法计算结果发现,针对无纹理区域,变分立体匹配算法能够得到准确的熔池视差图。进而研究了不同工艺参数时CMT电弧增材制造熔敷层尺寸的变化,通过对熔池图像进行高斯滤波、反二值化、闭操作的膨胀与腐蚀、边缘轮廓的查找及宽度的提取得到熔敷层宽度尺寸,与激光扫描仪获得的熔敷层宽度尺寸进行对比,两种方法获得的尺寸变化规律一致,且宏观金相熔敷宽度与熔池宽度误差优于2.5%;将熔池视差图转换为三维点云图,通过对熔池尾部凝固区域熔敷高度最大值处的点与基板平面的距离计算得到熔敷层的高度值,与扫描熔敷层点云中的高度值进行对比计算,得到立体匹配算法重建点云熔敷层高度值与真实熔敷层的误差优于4.6%。通过对增材过程中飞溅、塌陷或驼峰、焊道不均等缺陷的视差图计算发现,当缺陷形成时,视差图可准确显示熔敷层宽度的变化。