单道多层电弧增材制造成形控制理论分析

文中采用冷金属过渡(CMT)技术,围绕船用高强钢的电弧增材制造(WAAM)开展研究.分析不同比例的保护气体对单道单层形貌尺寸的影响.结果表明,单道单层的润湿铺展能力随着保护气中CO2含量的增加而提高,并建立了能够准确预测80%Ar+20%CO2混合气体保护下单道单层截面轮廓的全周期余弦函数模型.依据单道多层电弧增材的成形特点,利用面积关系并根据几何形貌建立了单道多层抬升量h的预测模型,抬升量h预测值的相对误差不超过3.50%.通过建立抬升量预测模型,为单道多层的电弧增材成形控制提供了理论支撑.

单道多层焊电弧增材制造成形研究

电弧增材制造的材料使用率高、成本低,但稳定性差、成形精度低,对增材制造件形貌进行分析,有利于提高其利用率。文章利用电弧增材制造方法,在Q235基板上进行单道多层焊实验,观察不同堆焊层数下的成形件情况,重点分析了焊接层数对成形件端部流淌的影响。结果表明:由于端部液态金属凝固过程中受多种力作用,随着焊接层数的增加,成形件两端出现流淌现象且逐渐加剧;成形件高度表现为中间高两端低,起弧端高于熄弧端;因下一层焊道对上一层焊道有重熔作用,随着焊接层数的增加,每一层焊道的高度也会增加,基板将会产生明显的焊接变形,当单道多层焊层数为20层时,其最大变形量可达3 mm。

单道多层LMD成形过程沉积尺寸波动分析与预测

激光熔化沉积技术(LMD)可快速制造高性能的复杂结构零件,但是在零件成形过程中存在沉积尺寸不稳定的工艺现象。面向激光熔化单道多层沉积过程,开展实验研究分析了关键工艺参数对沉积尺寸的影响规律。结果表明:同一沉积层内的沉积尺寸整体趋于稳定;由于热累积效应等因素,在接近基板的区域内的不同层间的沉积尺寸整体波动较大,而在堆积到一定层数后尺寸波动减小;进一步分析了不同沉积区域内激光功率和扫描速度与沉积宽度及高度之间的关系,并建立了基于工艺参数的多层沉积尺寸预测模型,模型预测误差在5%以内。该研究为后续激光熔化沉积过程的尺寸稳定控制及工艺参数优化提供了依据。

S32101双相不锈钢单道多层激光填丝熔覆层研究

目的针对新型核电站乏燃料水池双相不锈钢厚板缺陷的修复,进行激光单道多层熔覆基础实验。方法采用ER–2209焊丝在S32101双相不锈钢覆面制备出熔覆层,通过宏观形貌、微观组织、力学检测和耐腐蚀检测,研究S32101双相不锈钢激光填丝熔覆层的性能。结果经过多次焊接热循环后,熔覆层中奥氏体组织以一次奥氏体与二次奥氏体的形式存在,其中熔覆层中部奥氏体含量最高为60.7%,保证了熔覆层的综合性能;显微硬度随着熔覆层数的增加先上升后下降,但均高于母材;熔覆层竖直方向拉伸件的抗拉强度最低为723 MPa,断裂方式为准解理断裂,从宏观角度保证了所制备熔覆层的力学性能;对熔覆层进行点腐蚀浸泡和电化学腐蚀分析,从宏观角度与微观角度均验证了熔覆层的耐腐蚀性能。结论基于各项检测结果,验证了用激光进行S32101双相不锈钢修复的可行性,为后续多层多道激光填丝熔覆奠定了基础。

金属涂覆堆积层间重熔过程分析与工艺实验研究

针对基于电磁感应为热源的金属涂覆成形方法,对单道多层堆积工艺进行优化。为实现层间冶金结合,建立有限元热分析模型,分析不同涂覆喷头和基板加热温度对层间重熔过程的影响,得到重熔深度随喷头和基板加热温度的变化规律,提高涂覆喷头或基板加热温度均会有效增加最大重熔深度。进行单道多层成形实验,结果表明:层间重熔深度与计算值的误差在18.7%以内,当最大重熔深度在(0.2~0.3)mm时层间结合质量较好。

层间温度对H13钢丝材电弧增材制造成形质量的影响

目的为获得外观形貌好、成形质量优的单道多层成形件,研究最佳的层间温度。方法在调质处理后的H13钢基板上,根据已确定的工艺参数分别在50、100、150、200℃这4种层间温度下沉积20层。通过宏观形貌、微观组织和抗拉强度测试,分析层间温度对单道多层成形件的形貌及成形质量的影响。结果层间温度为100、150、200℃时,成形件顶层平滑,侧面成形较规则。不同层间温度下成形件平均高度的最大值与最小值之差仅为0.55 mm。层间温度为200℃时相邻2层沉积层间冷却时间最短,沉积20层总耗时最短,为44.57 min。层间温度大于100℃时,抗拉强度大于1200 MPa。结论在H13钢基板上进行丝材电弧增材制造时,控制层间温度在150~200℃能够得到外观形貌好、成形质量优良的成形件。

基于图像处理与数值仿真辅助的电弧增材成形研究

为解决Fronius CMT TPS3200焊接电源提供的焊接模式(CMT或CMT+Pulse)与增材策略(单向或往复路径)的选择问题,在相同线能量密度条件下,基于不同模式的单道单层优质焊道成形,探索了单道多层的层宽、层高变化规律,并结合图像处理与数值仿真评价单道10层的增材试验。研究发现,针对焊道成形,CMT+Pulse模式与CMT模式分别从第4层和第3层开始趋于稳定。为优选扫描策略,通过顶层焊道成形和数值仿真结果对比,确定了往复路径优于单向路径。在往复路径下,CMT模式的焊道成形均优于CMT+Pulse模式。研究结果表明,CMT模式率先达到散热稳定条件,结合优选往复路径,在焊道成形方面具有优势,为后续电弧增材奠定了基础。

焊接工艺参数对仰焊MAG堆焊成形的影响

以ER50-6碳钢焊丝作为堆焊焊丝,在Q235B基板上进行仰焊MAG堆焊试验。通过单因素法研究了送丝速度、焊接速度和焊丝伸出长度3个主要焊接工艺参数对仰焊单道焊缝熔宽和余高的影响,分析了不同焊接工艺参数下焊缝出现驼峰缺陷的原因。基于此,对仰焊单道多层堆焊提出了堆焊策略,即减小热输入、减少熔池冷却时间和熔池扰动。在此基础上,进行了仰焊单道多层连续堆焊10层成形,并进行了拉伸测试。结果表明,在送丝速度3.5 m/min、焊接速度0.25 m/min、焊丝伸出长度6 mm的焊接工艺参数下,成形质量相对稳定,抗拉强度达到518 MPa,能满足一些对精度要求不高的零件的使用要求,验证了所提出的仰焊单道多层堆焊策略的可行性,为仰焊堆焊成形零件焊接工艺参数的选择提供了参考。

金属熔融涂覆成形薄壁件表面形貌与工艺

针对现有金属增材制造设备昂贵、成形效率低等问题,提出金属熔融涂覆增材制造(MFCAM).以锡铅合金为原料,开展基础工艺实验,研究流量、成形速度和层厚对多层单道成形件表面形貌特征的影响规律.通过统计分析影响因素,提高成形件表面质量,采用显微图像观察,结合波纹度对多层单道试件层间结合状态进行评估.研究结果表明,金属熔融涂覆增材制造成形效率为50mm^3/s,成形件表面波纹度的轮廓算术平均偏差为0.944 8,证明了MFCAM新工艺的可行性及高效性.

薄壁中空环形件的电弧增材制造工艺分析

基于冷金属过渡技术,研究了全封闭薄壁中空环形件的电弧增材制造工艺.首先在单层单道熔敷层圆弧形截面轮廓的基础上推导了单道多层熔敷层的叠加数学模型;其次建立了可根据薄壁结构尺寸获取合理工艺参数的等体积电弧增材模型,最后通过试验数据验证了模型的可靠性.基于该模型,建立了工艺参数(送丝速度、电弧移动速度)与成形件尺寸之间的关系,在优化的增材工艺下成形出了外观质量良好的薄壁中空环形工件,并将成形件扫描得到的实际轮廓与理论轮廓进行对比,验证了叠加模型和等体积增材模型的准确性以及工艺的可行性.

高氮钢-不锈钢电弧增材制造表面形貌研究

为了对异质材料电弧增材成型的结构机理进行研究,采用机器人电弧增材成型技术,对高氮钢多方式(普通单道、单道多层、多道单层)沉积表面进行分析,筛选最佳工艺参数、焊道间间距,进行电弧交织结构的增材成型。试验结果表明:高氮钢单道焊缝随着沉积速度增大,表面气孔减少;高氮钢多层多道沉积时,送丝速度增大,表面气孔增多;通过最佳焊道间距的预测,得到的过渡层表面平整,表面成形精度达到亚毫米级。