电弧增材成形中熔积层表面形貌对电弧形态影响的仿真

电弧增材成形常采用单道多层或多道搭接的熔积方式,不同的熔积方式下对应的熔积层表面形貌不同,从而影响电弧的形态及其传热传质过程.本文建立了纯氩保护电弧增材成形的电弧磁流体动力学三维数值模型,以及不同表面形貌的熔积层模型,并在保持阳极与阴极之间距离和熔积电流不变的条件下,通过模拟计算获得增材成形特有的单道和多道搭接熔积条件下的不同表面形貌对应的电弧形态以及相应的温度场、流场、电流密度、电磁力、电弧压力分布.数值模拟结果表明:平面基板上起弧情况下电弧中心具有较高的温度、速度、电流密度以及压强;单道多层熔积情况下熔积层数对电弧的各个参量影响较小;多道搭接熔积情况下电弧呈非对称分布,电弧中心温度较前两者低,电流密度、电磁力和电弧压强的分布偏向熔积层一侧.

基于线结构光的电弧增材制造熔积层三维测量

针对电弧增材制造过程中熔积层形貌信息的实时检测问题,开发了基于线结构光的熔积层形貌三维测量系统。建立了测量系统的数学模型,利用MATLAB标定工具箱并采用锯齿靶标法,得到测量系统的内外参数;将自适应阈值法与灰度重心法相结合,优化激光线条纹中心提取算法;通过数控机床的运动实现对熔积层形貌的三维测量。试验结果表明,熔积层形貌三维测量系统高度方向测量误差小于量程的0.4%,配套的三维测量软件能实时将熔积层形貌信息反馈给路径规划软件,为堆铣复合成形提供有效的数据支持。

电弧增材成形轨迹曲率对熔积层形貌的影响

在高效低成本电弧增材熔积成形过程中,熔积成形轨迹对熔积层形貌有重要影响。为了掌握成形轨迹对熔积层形貌的影响机理,借助于机器人MIG焊技术,以ER316L不锈钢为成形材料,研究了成形轨迹不同曲率半径对圆弧焊道焊宽及余高的影响。结果表明,电弧增材成形圆弧轨迹对电弧形态及熔滴过渡的影响主要来源于磁偏吹效应;在成形速度不变的情况下,随着轨迹曲率的增加,焊宽逐渐变宽,余高整体升高。

电弧增材制造等离子体对熔积层热力作用的研究

采用COMSOL multiphysics软件建立了电弧增材制造电弧对熔积层的热力作用模型。选择基板和焊丝材料均为304不锈钢,保护气体为纯氩气,研究了熔积层总高度对熔积层表面热通量密度、压力分布、电流密度和电磁力分布的影响。结果表明,热通量峰值随着层高增大而增大,与无熔积层相比,20 mm层高下熔积层表面热流密度峰值增幅达136%。熔积层边缘处等离子体流速增大,产生低压区,最低压强随着高度增大而减小。由于熔积层的电导率高于电离氩气,电流优先经过熔积层,熔积层顶面电流密度显著增大。熔积层中的径向电流较小,而轴向电流在自感应磁场下产生了指向中心的电磁力。并且热流密度、压力分布,电流和磁场在熔积层高达到20 mm后保持稳定。

搭接中心距对电弧增材熔池流动及熔积层形貌影响的数值模拟

搭接中心距对电弧增材搭接熔积的熔池流动及熔积层形貌有重要影响,为探究其影响机理,建立了钨极气体保护焊(Tungsten inert gas welding, TIG)电弧增材成形过程的三维数值模型,研究了不同搭接中心距对熔池流动及熔积层形貌的影响。结果表明:不同搭接中心距下熔池表面温度峰值相近,约为1900 K,表面流速呈非对称的双峰式分布。当搭接中心距小时,由于第一道焊道的支撑作用,使得第二道焊道横截面熔池流动和形貌不对称,熔池深而窄,熔池流动为单向的顺时针环流,左侧流速普遍大于右侧;随着搭接中心距的增大,第一道焊道的支撑作用逐步减弱,使得搭接焊道横截面熔池流动逐渐变为以第二道焊枪中心线为对称轴,左侧顺时针、右侧逆时针的两个环流,两侧流动逐渐对称,搭接熔池宽度逐渐增大、深度逐渐减小,两焊道逐渐分离并出现波谷,当搭接中心距为6 mm时熔积层形貌最平整。模拟与试验结果基本吻合,本研究结果可为电弧增材工艺参数调控提供理论支撑。

电弧增材成形单道两层熔积过程中的晶粒生长模拟

晶粒生长的数值模拟是研究复杂微观组织演变的重要手段,现有的研究较少涉及电弧增材成形中晶粒生长的数值模拟。采用有限元和元胞自动机方法建立了碳钢电弧增材成形过程的宏观传热和微观组织演变的耦合模型,模拟单道第两层熔积的熔池凝固过程中晶粒动态演变过程。模拟结果显示,单道第一层熔积熔池凝固过程中晶粒从熔合线位置形核后向熔池中心生长,在温度梯度方向与枝晶臂优先生长方向的共同作用下,枝晶呈现竞争生长,晶粒优先生长方向与温度梯度方向一致的晶粒生长更快,部分晶粒生长被抑制,最终形成交错、完全粗大的柱状晶组织,枝晶之间出现溶质富集的现象;单道第二层熔积的晶粒在上一层粗大柱状晶基础上形核并生长,随后的生长过程与第一层类似,第二层熔积时熔池温度梯度方向的改变导致晶粒的主要生长方向与第一层之间有一定夹角。与模拟相同成形工艺的成形试样金相照片验证了模拟结果。研究结果可为电弧增材成形微观组织控制以及后续工艺规划提供依据和参考。

基于红外温度场的电弧增材制造缺陷在线检测方法

根据增材制造逐层累积的特殊性,分层实施的在线检测思想能避免加工完成后出现不可修复的废品。采用基于实时采集分析熔积层红外温度场的无损检测方法,将多帧温度场数据堆叠获取熔积层红外轮廓,根据提取的红外轮廓特征对当前熔积层成形质量进行判断,利用残差网络ResNet18对红外轮廓图像进行分类识别。通过在线验证,检测分类的准确率可达97.16%,单张红外轮廓图像检测分类时间仅1.35 ms。该方法能在增材制造过程中在线检测成形质量,便于后续铣削、补焊及工艺参数的优化处理,具有实际工程意义。

基于一维线结构光测量焊道高度的方法研究

为了获取精度高的成形零件,对熔积成形过程进行实时监控,获取熔积层焊道高度信息。采用一维线结构光主动视觉的测量方法对熔积层进行检测,通过开发的图像采集软件对CCD采集的原始焊道图像进行图像处理,采用细化法提取光条中心线,并基于三角测量原理计算出熔积层上任意点的累积焊道高度。