关键词： 复杂型腔锻模   电弧增材再制造   数据结构   分层切片   模拟与试制  

摘要： 为解决复杂型腔热锻模具自动化电弧增材再制造过程中分层切片过程效率低和效果差等问题,提出了一种改进的切片方法.首先,针对STL模型的结构特点,设计了Point,Triangle和STLModel三个类对模型的数据进行存储,在类中定义了处理和操作数据的方法;从提高操作效率的角度出发,提出了一种先求三角形与切平面交点并通过法向量判断交点的起始顺序,进而通过遍历起点和终点数组来创建轮廓多边形环的复杂型腔锻模分层切片算法.然后,引入了提高轮廓多边形精度的插值拟合修复算法,推导了轮廓顺逆判据的一般公式并构建了离散多边形的计算式.最后,以失效的曲轴热锻模具为例,进行了分层切片处理和增材制造过程模拟仿真和实验,验证了分层切片算法的可行性.

关键词： 电弧增材制造   构件成形   Al-Zn-Mg-Cu   三丝共熔  

摘要： 采用基于TIG三丝电弧增材制造系统,通过提前对增材构件进行成分设计,选择增材目标成分为7050铝合金,确定了三丝的送丝速率。系统探究了平均脉冲电流与沉积速度在3 mm厚5A06薄板下单层单道成形的影响规律,并找到了成形较好的工艺区间。在该工艺区间内进一步探究了不同脉冲电流与沉积速度对多层单道成形的影响规律。结果表明,随着脉冲电流逐渐增加,沉积构件宽度随之增加,层高减小;而随着沉积速度逐渐增加,沉积构件宽度与层高都随之减小。

关键词： 电弧增材制造   曲面分层   路径规划   姿态设计  

摘要： 针对曲率较大的链窝表面的增材制造,提出了曲面分层的方案。对即将增材的区域进行分层设计和施焊路径规划,得到的路径点平滑连续,能够很好地适应链窝曲面。结果表明,施焊时机器人各轴运动平缓,焊枪行走平稳,不存在速度突变。堆敷层表面均匀平整,与链窝曲面吻合度高,边缘焊道与周围轮廓相适应好,未出现缺肉及超出轮廓边缘的情况,表明路径规划算法能较好地适用于链窝曲面增材制造过程。

关键词： 磁控摆动电弧   等离子电弧增材制造   形貌尺寸检测   BP神经网络  

摘要： 通过高能量密度的等离子电弧对焊丝或粉末进行加热熔化,然后将熔化的焊材层层堆敷进而熔敷出所设计的构件的方法被称为等离子电弧增材制造技术。该方法现阶段主要应用于尺寸大、形貌复杂的构件。由于等离子电弧的能量密度高且集中,其熔敷过程容易导致熔池溢流现象的出现,因此,如何减少熔滴溢流进而减小熔敷层坍塌的几率是等离子电弧增材制造是一个急需解决的问题。在熔滴溢流后导致增材制造层形貌可能导致后续的堆积过程与原本计划相差较大,得到的工件形貌尺寸与原本设计的模型差异较大,因此,提高增材制造熔敷层的精度是本文解决的另一个问题。本文首先设计磁控等离子电弧传感器来减少熔敷层热量累积导致的熔池溢流的现象,然后建立了磁控等离子电弧增材制造系统,对单道多层等离子电弧增材制造成型信息进行检测及自适应控制展开了研究。(1)本文通过对摆动等离子电弧及熔池的受力分析,并综合磁控摆动电弧方法与等离子电弧增材制造方法设计了磁控等离子电弧焊枪,在此基础上搭建磁控等离子电弧增材制造平台;通过磁控控制电弧在增材制造熔敷层上摆动,有效的减少了沉积层表面累积的热量,减少了熔池中液态金属的凝固时间。从而减少了等离子电弧增材制造过程中由于热量累积导致熔池溢流现象。(2)本文对磁控等离子电弧增材制造层形貌检测方法进行设计与研究,通过建立弧长与各参数的数学模型分析得到了检测熔敷层形貌尺寸的参数,主要以增材制造时的熔敷电流、熔敷电压、励磁电流频率以及焊枪高度检测的输入量,然后进行了大量的工艺实验,获取了焊接电流、焊接电压、励磁电流频率、焊枪高度以及增材制造层形貌尺寸数据。(3)接下来对实验数据实施归一化计算,成功构建BP神经网络熔敷层高度及层宽预测模型,针对这一模型进行训练及验证处理,进而确定了4-13-2的BP神经网络结构,并建立了神经网络预测模型;通过对神经网络模型的训练,实现了增材制造过程中熔敷层形貌尺寸的预测。(4)针对磁控等离子电弧增材制造技术的特点,设计了磁控等离子电弧增材制造熔敷尺寸控制器,通过该控制器对增材制造熔敷层形貌尺寸进行实时调控,进而实现等离子电弧增材制造熔敷层的精确成形。(5)最后,在本文所搭建的平台上通过本文所述的方法制造相关构件,实验结果表明,需制作的构件的形貌规则、成形精度高,无明显缺陷发生。因此采用本文所设计的磁控摆动等离子电弧增材制造形貌检测及自适应控制系统,可以提高等离子电弧增材制造的成形精度。

关键词： 增材制造   商用药芯丝材   脉冲TIG电弧   微观组织   力学性能   温度场  

摘要： 丝材电弧增材制造(WAAM)具有成形效率高、材料利用率高、零件尺寸限制小等优点,在大型复杂零件的制造中得到了广泛应用。本文选取工艺性能和冶金性能良好的商用药芯丝材YJ507-1为填充丝材,脉冲TIG电弧为热源,设计搭建WAAM平台进行增材制造实验。设计低、中和高三组不同热输入参数在WAAM平台进行增材制造,并研究了热输入对宏观形貌、微观组织和力学性能的影响。采用数值模拟的方法对增材制造的热过程进行了分析研究。工艺实验表明,热输入可通过影响层间温度来改变成形件宏观形貌和尺寸。高热输入条件下的成形件层宽为5.09 mm,层高为1.73 mm,而低热输入成形件层宽和层高变化为6.49 mm和1.14 mm。成形件表面波纹度控制在2.41 mm～2.62mm,热输入越高,沉积层的润湿性更好,表面波纹度越低。三种热输入条件下增材制造成形件的宏观形貌质量都较好。微观组织分析表明,成形件微观组织为不同形貌的铁素体和珠光体,微观组织的变化是因为不同层经历的热循环存在差异。低热输入和中热输入成形件底层的微观组织为针状铁素体、先共析铁素体和珠光体;而高热输入成形件底层微观组织由于热循环的作用转变为细晶铁素体和珠光体。中间区域的热循环会使微观组织发生充分的固态相变,转变为细晶铁素体和珠光体。顶层未经历热循环作用,微观组织为针状铁素体、先共析铁素体和珠光体。热输入越大,越有利于显微组织的长大。力学性能分析表明,微观组织的变化导致了显微硬度在纵截面上从底部到顶部呈现出降低再升高的趋势。低热输入和中热输入试样在底部最高硬度均超过了270HV,高热输入的试样仅达到210HV;三个试样中间区域的显微硬度在155HV～210HV;顶部区域的显微硬度相比较于中间区域有所上升。不同热输入条件下试样的剪切强度均高于260 MPa,相同热输入条件下XY截面方向的剪切强度较XZ截面提高了10%左右。随着热输入的增大,显微硬度和剪切强度都会降低,但是总体来说增材制造成形件在力学性能方面的表现是较好的。增材制造数值模拟可知:不同热输入条件下熔池最高温度都稳定在2000℃～2500℃范围内,层间温度不超过320℃。热输入的增大,会导致熔池最高温度和层间温度的升高。不同层热循环相差较大,随着层数的增高,奥氏体化温度以上停留时间增大,且冷却速度减小,固态相变更加充分。

关键词： 电弧增材制造   激光电弧复合   构件尺寸   电弧尺寸   熔池尺寸   图像处理   系统设计  

摘要： 电弧增材制造(Additive manufacture,AM)作为一种新型的构件成形方法,比激光增材制造成形效率高、与铸造、锻造成形方法相比,无需模具、可成形结构复杂的大型金属构件,广泛地应用于航天、航空、船舶大型金属结构件等个性化产品的制造。电弧增材制造成形的高性能大型金属构件,不仅应该具有良好的组织结构和力学性能,而且其成形尺寸和形状均要严格地满足要求。为此,搭建了激光电弧复合增材制造系统,研究了激光对电弧的作用规律、建立工艺参数与电弧最大直径的数学模型、基于熔池尺寸建立多道多层堆积金属尺寸预测模型,从而实现了电弧增材制造过程成形构件尺寸的监测。搭建了激光电弧复合增材制造系统,系统包括硬件和软件两部分。激光电弧复合增材制造系统的硬件部分由电弧增材设备、激光设备、视觉设备组成。软件部分由激光单元、视觉单元、数据保存与回顾单元组成。软件用于初始化硬件、控制硬件工作状态,同时采集、保存成形过程激光功率、电弧图像、熔池图像、构件高度与宽度等数据。设计的电弧图像处理方法,通过去除噪点、对比度增强、全局阈值分割、轮廓提取、计算世界坐标系下电弧轮廓、电弧轮廓线拟合与重建等提取电弧最大直径,电弧图像处理得到的电弧最大直径的相对误差不超过5.97%。无激光电弧复合时,电弧最大直径与电流近似线性正相关;激光电弧复合时,在电流小于210A时,电弧最大直径与激光功率负相关、与激光光斑尺寸正相关;电流超过210A时,与激光功率、激光光斑尺寸相关性较小。通过二次回归通用旋转组合试验,建立了电弧最大直径与电弧电流、激光功率、激光光斑尺寸之间的数学模型,为D=3.7567+0.024 I-8.889×10P-8.889×10L-8.849×10IP+7.836×10PL,该模型电弧最大直径的预测误差小于6.03%。针对熔池图像特点设计熔池尺寸提取方法,包括相机标定、熔池图像筛选、去除噪点、自适应阈值分割、轮廓提取、轮廓补全、轮廓坐标与倾角计算等。将提取得到的熔池尾部固液分界点与前一堆积层的距离作为堆积金属高度,将熔池最大宽度作为堆积金属宽度,由此建立单道单层堆积金属尺寸预测模型,预测误差小于7.8%;利用半椭圆模型、圆弧模型、余弦模型、抛物线模型拟合单道单层堆积金属截面轮廓线,其中,抛物线模型拟合方差最小,均方差为3.14。基于抛物线模型计算单道单层堆积金属截面面积,并利用等体积法计算多道单层堆积金属高度;将每道堆积金属宽累加后减去搭接量得到多道单层堆积金属的宽度,由此建立了多道单层堆积、多道多层堆积金属高度与宽度预测模型,高度分别为(?)、宽度为(?),预测误差小于5.5%。激光电弧复合增材制造火箭发动机锥形壳体。基于构件高度值进行非等厚分层切片,每层切片内由外轮廓向内轮廓依偏置填充。根据构件不同部分的壁厚差异特点,设计各部分切片内的每道堆积金属宽度尺寸,并利用所建立的电弧最大直径与工艺参数之间的数学模型确定构件不同部分堆积时的工艺参数。最终成形构件的高度误差值为3.1mm、壁厚误差值为6.7mm、锥角误差值为2.4°,激光电弧复合增材成形的锥形体构件满足尺寸和形状要求。

关键词： 电弧增材制造   熔积形貌   外加变位磁场   传热传质   数值模拟  

摘要： 电弧增材制造技术是以电弧为热源，丝材为熔积材料，采用逐层累加的方式成形出金属结构件的先进制造技术。它具有投入成本低、沉积效率高、整体制造周期短等优点，同时，它也有一些不足限制了其快速发展，如成形零件的精度较低、残余应力与变形较大、组织形态较差。在电弧增材制造过程中引入外加磁场是一种有效的成形零件形、性并行控制方法，但目前磁场辅助电弧增材制造技术的研究大多局限于外加横向磁场和外加纵向磁场单独作用于电弧增材制造过程，缺乏对多向复合磁场作用电弧增材制造过程的研究，基于此，本文提出了一种兼具横向磁场分量和纵向磁场分量的外加变位磁场作用下的磁控电弧增材制造方法，采用数值模拟的方法探究了外加变位磁场作用电弧增材制造过程中电弧与熔池传热传质的变化规律。　　首先，以磁流体动力学方程组为基础，建立基于GTAW的电弧增材制造过程中常见熔积层的电弧模型，用数值模拟的方法探究了电弧增材制造过程中四种常见熔积层形貌对电弧传热传质的影响规律，模拟结果显示：不同熔积层形貌对应着不同的电弧形态，且普通熔积的电弧参量峰值均高于其它三种情形。　　其次，建立电弧增材制造过程中平面基板电弧以及搭接熔积电弧的模型，详细对比分析了无外加磁场、外加30度变位磁场、外加60度变位磁场作用时，电弧形态以及传热传质的变化规律，模拟结果显示：外加变位磁场产生一种单向电磁推力和周向搅拌电磁力复合的电磁力作用，从而使得电弧向单侧和后方偏转，特别是在搭接熔积情况下，这种复合电磁力作用能够使电弧向熔池后方以及焊道一侧偏转。　　最后，采用电弧与熔池弱耦合建模方法，建立基于GTAW的电弧增材制造过程中搭接熔积的电弧以及金属输运弱耦合的模型，详细对比分析了无外加磁场、外加30度变位磁场作用时电弧与熔池耦合的传热传质变化规律，模拟结果显示：外加30度变位磁场作用电弧增材制造过程中产生的电磁推力和周向搅拌电磁力会使得熔池内熔融金属往已成形焊道方向流动，并且会形成周向搅拌，进而推动熔融金属逐渐往熔池边缘流动，并填充搭接熔积里面两个重叠焊缝之间的“凹谷”区域，可以有效提高搭接的精度。　　总之，本文对电弧增材制造以及外加变位磁场作用电弧增材制造过程中传热传质的变化规律进行了详细的模拟分析，可为今后磁控电弧增材制造技术的发展提供理论参考。

关键词： 摆动电弧熔丝增材   轨迹优化   模糊评价   气阀表面强化  

摘要： 电弧熔丝增材是一种低成本、高效率的增材制造技术,广泛应用于复杂零部件和大体积金属构件的表层强化。在大体积构件增材时,合理的电弧熔丝增材轨迹可以降低残余应力及变形,改善组织性能,提高增材效率。本文构建了摆动电弧熔丝增材有限元分析模型,开展大量模拟,分析了摆动电弧熔丝增材参数对温度、应力及变形的影响规律,以盘形件为研究对象对比研究了不同增材轨迹、增材顺序、增材方向对各场量的分布及演变的影响规律,并利用模糊综合评价方法进行增材轨迹的多目标优化,最后通过盘形件气阀盘面的增材实验对优化得到的增材轨迹进行验证。本文的主要研究工作如下:(1)开展120 A及115 A增材电流条件下的摆动电弧熔丝增材实验,测量增材后熔敷区不同时刻不同位置的温度数据,发现焊缝温度在1 min内迅速降到110℃以下,测得120 A电流条件下焊宽为19 mm,焊高2.5 mm熔池的深度为1 mm。(2)基于熔敷区形貌尺寸确定增材热源参数,通过二次开发施加摆动热源,建立摆动电弧熔丝增材有限元模型,模拟与实验温度误差不超过10℃;研究摆动频率、摆动幅度和增材速度对增材过程温度场、应力场的影响规律。随着摆动频率的增加,熔池深度减小,随着摆动幅度增大,熔池宽度增加,随着增材速度增加,熔池深度和宽度均减小。确定较优的摆动参数为,摆动频率0.9 Hz,摆动幅度6 mm,增材速度3 mm/s。(3)分析了螺旋线、往复曲线、间隔曲线、同心圆四种增材轨迹增材及冷却过程的温度场、应力场及变形量的演变规律,不同增材轨迹在散热条件、残余应力、翘曲变形评价指标下有不同的优势;利用模糊综合评价方法对四种增材轨迹进行模糊评价,优化得出螺旋线和同心圆轨迹更适于盘形件增材。(4)基于同心圆轨迹进一步开展由内向外、由外向内、间隔成形、交替向成形等不同增材方向及顺序八种组合方案的模拟优化,利用模糊评价方法优化得出由外向内交替向间隔成形效果最佳。(5)将优化得出的由外向内交替向间隔增材轨迹应用于圆盘件气阀盘底的增材,通过目视检测、渗透检测、超声检测、微观组织观察确定气阀无裂纹、气孔和未熔合等缺陷,增材区平均显微硬度245 HV,满足各项质量要求。

关键词： 电弧增材制造   冷金属过渡   Inconel 625   微观结构   力学性能  

摘要： 镍基625合金(Inconel 625)具有良好的力学性能,较高的抗氧化、抗腐蚀性能,是制造航空航天发动机高温部件的关键材料之一。基于冷金属过渡的电弧增材制造技术,相比于其他增材制造技术具有设备成本低、效率高以及适合沉积体积较大的零件等特点,是最有希望实现低成本、高效率地制造性能优异的Inconel 625的方法之一。本文利用该技术,制备Inconel 625单道次沉积层和多道次薄壁体,研究了工艺参数对单道次沉积层成形影响,表征了多道次薄壁体组织、织构和力学性能的典型特征,探索了工艺参数对微观结构和力学性能的影响规律。主要研究结果如下:(1)明确了单道次沉积层在增材制造过程中工艺参数对沉积层成形的影响规律。首先,沉积层的熔宽、余高均与线能量密度(Linear Energy Density,LED)成线性关系,熔宽随着线能量密度的增加而增加,余高随着线能量密度的增加而增加,当175织构,熔池内部晶粒的生长轴与择优生长方向<001>以及温度梯度的方向基本重合,形成贯穿层边界的粗大柱状晶,主要是因为沉积热量沿着BD反方向通过基板散热,为粗大柱状晶的生长提供有利条件。此外,送丝速度的增加(行进速度减小),会造成线能量密度增加,沉积层冷却速度减小,因此柱状晶的尺寸逐渐增加;而且在沉积过程中,由于线能量密度的增加,导致层边界处满足再结晶条件的区域变大,层边界处再结晶小晶粒的数量增加,进而导致沿着BD方向的织构强度逐渐减弱。(4)Inconel 625多道次薄壁体从底部到顶部显微硬度呈现递减的趋势。沿着行进方向(Travel Direction,TD)拉伸实验结果表明底部屈服强度和极限抗拉强度均优于顶部,BD方向试样处于二者之间,但BD方向试样均匀延伸率明显高于TD方向。随着送丝速度的增加,BD方向的屈服强度升高,这与层边界处细小晶粒增多由关;TD方向的屈服强度缓慢降低,均匀延伸率缓慢增加,主要是因为晶粒变得粗大,TD方向晶界减少。随着行进速度的增加,BD和TD方向的屈服强度及极限抗拉均增加,均匀延伸率没有明显变化。

关键词： WAAM   缺陷检测   深度学习   目标检测  

摘要： 电弧金属增材制造技术（WAAM）是一种先进的新型工业生产技术,它被广泛应用于不同的制造业当中。为了更好的实现全自动化的生产流程,及时发现并完成对缺陷的修补以免影响最终成形件的质量,WAAM需要一个可靠的、高效的并且全自动化的缺陷检测系统对生产过程进行实时检测。最近几年,深度学习在计算机视觉领域完成了飞跃式的进步,尤其在目标检测领域突破了关键瓶颈技术并在逐步替换传统算法。但由于WAAM实际生产中出现的复杂的缺陷类型和嘈杂的检测环境,各经典算法在其缺陷检测的应用中存在准确率不足的问题。本文在目标检测算法YOLOv4的基础上针对WAAM中缺陷的特征对模型算法进行定向优化,提出了一种基于深度学习的新型WAAM表面缺陷自动检测方案YOLO-attention,实现了在WAAM生产过程中对焊道中的孔洞、咬边和凸起进行实时快速准确的缺陷检测。考虑到缺陷检测的背景噪音较多,并且缺陷的特征表现并不明显,本文主要从模型的三个方面对算法进行优化改进:在模型主干网络中采用了基于通道的注意力机制,在特征融合FPN中添加了多空间金字塔池化（multi-SPP）的结构,在训练阶段采用了平均指数移动（EMA）的策略。为了验证其有效性,本文以实验和项目中的缺陷数据为基础建立了一个包含760张相关图像的WAAM缺陷数据集作为实验依据,其中包含了8499个被标记的目标,并通过大量的实验验证得到本文的模型在每秒大约42帧（采用NVIDIA Ge Force GTX 1080Ti作为硬件加速器）的效率下获得了94.5%的平均精度（m AP）,其中模型对各种缺陷的检测准确率均在90%以上。这一结果证明了本文模型在实际工业生产中应用的可行性及其对WAAM中细小缺陷检测的准确性,并且作为一种基于视觉的优化方法论,该模型算法有可能在后续的实时缺陷检测系统的研究中得以实现和发展。