热锻模具自动化电弧增材再制造工艺

为解决采用人工堆焊修复曲轴锻模时,精确尺寸难以控制、加工余量大造成的焊材浪费和热锻模具组织性能的稳定性差等问题,提出了采用自动化电弧增材再制造技术代替传统的人工堆焊,充分发挥了失效热锻模具作为再制造基体的低成本优势和自动化电弧增材再制造的精确性优势。首先,制定了曲轴锻模自动化电弧增材再制造的流程,进而对待修复曲轴锻模进行了三坐标扫描及后续模型处理,获得了电弧增材填充部分的目标模型,并在自主研发的路径规划软件中进行了逐层的填充轨迹规划;然后,将填充轨迹转换为机器人指令文件;最后,对失效的曲轴锻模进行了电弧增材再制造试验,验证了整套方案的可行性。

高强钢冷金属过渡电弧增材制造单焊道形貌研究

通过试验系统性研究了冷金属过渡电弧增材制造时焊接速度与送丝速度对高强钢焊道几何轮廓的影响规律,利用光学显微镜表征不同工艺条件时焊道几何尺寸及截面轮廓特征。建立焊接速度、送丝速度与焊道轮廓间的关联关系,确定合适的工艺参数窗口。基于MATLAB软件平台编写包含图像处理、轮廓提取与曲线拟合等功能在内的成套程序,将焊道轮廓测量结果与抛物线、椭圆、圆与余弦函数等拟合模型进行比较。结果表明,相比焊接速度,送丝速度对焊道轮廓的影响更大。随着送丝速度的增加,焊道轮廓由窄高状变为扁平状。抛物线对于窄高状焊道拟合效果最佳,而当焊道截面呈扁平状时,椭圆模型与试验数据吻合程度最高,为后续电弧增材制造部件控形提供支持。

基于机器学习与多目标优化算法的电弧增材制造过程优化研究

在电弧增材制造中,工艺参数之间存在复杂相互作用,难以寻找最优参数组合以获得最佳的成形质量与预期的几何结构。为了加速工艺参数优化过程,在3因素3水平全因素实验的基础上,明确了电流、送丝速度和扫描速度对熔道熔宽、熔高和稀释率的影响规律,建立了神经网络、支持向量机和高斯回归分析模型来预测熔宽、熔高和稀释率。对比分析表明,高斯过程回归模型对熔宽的预测性能最好,神经网络模型对熔高的预测性能最好,支持向量回归对稀释率的预测性能最好。基于这3种机器学习模型,采用多目标遗传算法(NSGA-II),实现了以熔宽和熔高最大、稀释率最小为目标的电弧增材制造多目标优化,最后对优化结果进行了实验验证。

辅助水冷对熔丝电弧增材制造IN718镍基合金组织及性能的影响

熔丝电弧增材制造技术(Wire arc additive manufacturing,WAAM)凭借着低成本和高效率成为了一种具有潜力的增材制造方式。然而由于增材过程中为了避免热量累积需要在每一层材料沉积后进行冷却,这不仅降低了增材的效率,高温也会影响材料本身和样品的成形。本试验采用冷金属过渡技术(Cold Metal Transfer,CMT)技术进行IN718镍基高温合金薄墙试样的制备。研究不同冷却工艺(常规空冷和辅助水冷)对制备样品的显微组织与力学性能的影响。结果表明,采用辅助水冷制备IN718合金不仅具有更高的增材效率,并且凭借着稳定且快速的散热,使其成形质量好于常规的空冷。由于辅助水冷具有较高的冷却速度和较低的样品温度,抑制其内部的Laves相的生长,使合金内部析出细小的Laves相,而空冷由于散热条件差,高温导致Laves析出并相长大。这导致水冷试样的塑性优于空冷试样。同时由于Laves相产生的第二相强化,水冷试样的强度更高,但伴随着其塑性的降低。本研究不仅能为电弧增材制造IN718合金提高增材效率,且提升了材料的综合力学性能,为后续高效高质量增材制造IN718零部件提供重要指导意义。

17-4PH板增材再制造温度场及残余应力研究

为了探究预制槽长度(L_(c))、再制造路径对熔池热循环曲线、冷却速率以及残余应力峰值的影响规律,基于热-弹塑性理论和有限元法,利用Simufact welding软件建立了17-4PH板再制造的热力耦合有限元模型,分析了再制造件的温度场和残余应力的分布规律。结果表明,相同路径与交叉路径再制造温度循环曲线变化趋势相同;除预制槽长度为12W外,随着焊缝数量的增大,冷却速率逐渐增大。交叉路径的残余应力峰值略小于相同路径的残余应力峰值,垂直焊缝方向上的残余应力值小于沿焊缝方向的值;沿焊缝方向上的残余拉应力最大值在最后一道焊缝的熄弧端及邻近的母材区,垂直焊缝方向上残余应力的峰值发生在在第一道焊缝中间位置及其邻近母材区域上。为避免高的残余拉应力,预制槽的长度应不小于16W,预制槽长度为4W时的残余应力值均大于其他预制槽长度的值,因此,再制造时预制槽的长度不应过短。研究结果能够为17-4PH零件再制造的预制槽设计、再制造路径的优选、残余应力调控提供参考。

电弧熔丝增材制造控形技术研究现状与展望

金属增材制造是制造强国战略下推动我国高端装备制造业转型升级的重点发展方向。电弧增材制造以其高沉积效率、低成本、可进行复杂结构直接成形等优势受到了广泛的关注。但增材过程中涉及的物理过程复杂,成形质量与精度面临很大挑战。针对电弧增材制造技术短流程、长周期的制造特征,讨论如何从热源上降低成形偏差、从过程上降低制造误差、从结果上改善成形精度,介绍了一系列创新的热源调制、过程控制与结果优化的方法策略,总结了现有技术存在的问题与面临的挑战,为如何进一步提升电弧增材过程的成形控制效果提出了几点思考。

冷金属过渡电弧增材制造5183铝合金温度场的数值模拟

利用有限元分析软件ABAQUS使用生死单元法建立冷金属过渡(CMT)电弧增材制造单道10层5183铝合金模型,模拟分析了增材制造过程中温度场的分布和变化规律,并进行试验验证;采用该模拟方法研究了增材制造路径(单向和交叉路径)、层间冷却时间(20,40,60 s)和焊接速度(400,450,500 mm·min^(-1))对温度场的影响。结果表明:模拟得到在CMT电弧增材制造过程中基板某点的热循环曲线的变化趋势与试验结果基本一致,且峰值温度和波谷温度与试验结果的相对误差均不大于8.93%,验证了模型的准确性。随着堆焊层数的增加,熔池峰值温度升高,熔池区域变大;单向路径增材制造会在试样收弧端产生较严重的热积累,而交叉路径可以减弱热积累效应;层间冷却时间越长,焊道中点的峰值温度越低,且降低幅度随冷却时间的延长而逐渐减弱;焊道的峰值温度和波谷温度随焊接速度的增加而降低。

冷金属过渡电弧增材制造高强钢过程中温度场的数值模拟

基于冷金属过渡(CMT)高频熄弧的特性,在双椭球热源模型的基础上建立了动态热源模型,采用ABAQUS软件建立了高强钢CMT电弧增材制造单道十层成形件的有限元模型,对成形过程中的温度场进行模拟,并与试验结果进行对比;采用模拟方法研究了层间冷却时间(30,60,90 s)和基板预热温度(20,200,300℃)对温度场的影响规律。结果表明:模拟得到基板表面距焊道中心20.5 mm处的热循环曲线的变化趋势与试验结果基本一致,波峰和波谷温度的相对误差均在10%以内,证明了模型的准确性。沉积下一层时仅对前一层起到重熔作用;在沉积过程中,熄弧端的峰值温度高于起弧端,而在冷却过程中,两端温度差逐渐降低。随着层间冷却时间的延长,熔池最高温度降低且熔池存在的时间变短,在冷却阶段的冷却速率增大但其增大的程度降低,成形件两端温度差降低,最佳层间冷却时间为90 s;随着基板预热温度的升高,熔池的最高温度和熔池尺寸均增加,最大波谷温度差先减小后增大,在基板预热200℃条件下,成形件的最大波谷温度差最小,温度分布更加均匀。

双TIG活性电弧增材制造方法与工艺

为了进一步发挥电弧-丝材增材制造方法高熔敷效率的优势,提出了一种采用双TIG活性电弧作为热源的增材制造方法,利用双TIG电弧并在保护气体中加入少量活性气体氧气,采用直径1.2 mm的SUS304奥氏体不锈钢焊丝进行薄壁件堆积试验,研究了氧的引入、沉积电流分配、电弧移动速度和送丝速度等工艺参数对熔敷层平均宽度和高度的影响,并考察熔敷金属的显微组织和力学性能.结果表明,与普通TIG电弧相比,双TIG活性电弧增材制造工艺不仅能够改善焊缝成形并提高熔敷效率,而且降低熔敷金属和熔池的表面张力,增强其润湿铺展特性,进一步改善沉积层成形;在电流相当的条件下,与普通TIG电弧沉积相比,沉积效率明显提高,达到2.7 kg/h.随着后置焊枪沉积电流的增大(前置焊枪沉积电流的减小),墙体宽度先增加后减小,墙体高度的变化与之相反;随着电弧移动速度增加,墙体宽度和高度均下降;当送丝速度增加时,墙体高度明显增加,宽度变化不大.氧气对墙体熔敷金属微观组织无明显影响,组织形态均为垂直于沉积方向的柱状树枝晶.沉积墙体的抗拉强度和断后伸长率随着氧气的引入略有下降.

超音频脉冲电流叠加对高氮钢GMA增材制造组织性能的影响

针对高氮钢增材过程中氮损失及力学性能降低等问题,采用常规脉冲熔化极气保电弧(Pulsed Gas Metal Arc,P-GMA)及在脉冲电流峰值阶段叠加超音频脉冲电流的P-GMA对高氮钢进行电弧增材制造实验,分别制备不同工艺参数下的单道多层高氮钢直壁体,研究超音频脉冲电流叠加对高氮钢电弧增材制造凝固方式、显微组织演变及力学性能的影响规律。研究结果表明:由于高氮钢在电弧增材过程中存在氮损失现象,不同增材模式下高氮钢金属熔池的凝固模式均由单相奥氏体凝固(A模式)转变为铁素体为先析出相、奥氏体依附铁素体界面析出(FA模式);相比于常规P-GMA,叠加超音频脉冲电流后P-GMA产生的高频超声效应能够提高氮元素的扩散,促进奥氏体相变,限制铁素体枝晶生长;经过对比分析,超音频脉冲电流对铁素体树枝晶Y轴方向的影响大于Z轴方向,对Y轴方向力学性能的影响也大于Z轴方向,当频率为60 kHz时Y轴方向抗拉强度提高了9.9%,屈服强度提高了15.9%。

层间温度对CMT电弧增材制造2Cr13不锈钢薄壁件成形及组织和性能影响

该文利用冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)技术,使用电弧丝材增材制造系统制造2Cr13马氏体不锈钢单道多层薄壁试样,并研究了不同层间温度(100℃,150℃和200℃)对薄壁试样表面成形,微观组织和力学性能的影响。研究结果表明,较高的层间温度会使得薄壁成形件整体温度升高,散热状况变差,熔池高温存在时间增长,熔融金属流动性增强,最终导致成形件表面变差甚至塌陷。成形件中部组织在经历反复加热和冷却过程后,主要由极为细长的板条马氏体组成,并伴有少量铁素体以及沿铁素体晶界析出的碳化物。靠近重熔区位置由于熔池的热作用会导致马氏体组织过热而发生相变,形成密集的铁素体。随着层间温度减小,成形件晶粒尺寸和分布更为细小均匀;另外,弥散分布在铁素体晶界上的碳化物阻碍位错运动,两者的共同作用使得显微硬度和抗拉强度随层间温度降低而升高,同时拉伸试样的断后伸长率也随之增大。拉伸断裂形式均为韧性断裂,随着层间温度的减小,同取样方向上拉伸试样断口尺寸越来越大,韧窝也越来越深。

CeO_(2)添加量对电弧增材制造铁基形状记忆合金组织和性能的影响

采用粉芯丝材+电弧增材制造技术制备了含不同质量分数(0,1%,2%,3%)CeO_(2)的Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni铁基形状记忆合金,研究了CeO_(2)添加量对试验合金显微组织和形状记忆性能的影响。结果表明:添加质量分数1%的CeO_(2)后,合金晶内析出相减少,晶界处析出较大尺寸的稀土化合物,组织均匀,弯曲变形后未出现ε马氏体跨晶生长现象,且马氏体交叉状态较少;当CeO_(2)质量分数增加至2%和3%时,晶内析出相增多,分布均匀性变差,且在弯曲变形后ε马氏体跨晶生长和交叉特征增多;随着CeO_(2)添加量增加,试验合金的晶粒尺寸减小,层错概率增大,形状回复率先增大后减小,当CeO_(2)质量分数为1%时晶粒尺寸较小,层错概率较大,形状回复率最大,形状记忆性能最好。

机械振动对电弧增材制造2319铝合金微观组织与机械性能的影响

为了解决电弧增材制造试样晶粒粗大、机械性能较差等问题,在电弧增材制造2319铝合金过程中施加机械振动,分析了机械振动频率和幅度对试样微观组织和机械性能的影响。结果显示:机械振动使熔池流动性提高,熔池更加铺展,层宽增加,层高降低;振动破碎了生长过程中的枝晶,使INZ晶粒尺寸减小14.49μm,ITZ晶粒尺寸减小4.68μm;枝晶间隙处的溶质元素含量降低,晶界析出相变得断续且细小,PLC效应间隔增加,材料延伸率显著提高;机械振动频率和机械振动幅度改变时纵向和横向延伸率分别提升了38.2%,15.7%和29.3%,52.5%,而强度变化并不显著。采用机械振动辅助电弧增材制造能够在不影响强度的前提下显著提高试样的塑性,可为机械振动在增材制造领域的广泛应用提供技术参考。

工艺参数对电弧增材制造工件的影响

电弧增材制造具有高沉积速率、高质量、无尺寸限制的特点,能够满足具有高机械性能要求的中大型部件的制作需求。电弧增材制造AlMg合金过程中制备工艺参数对工件的宏观形貌、微观组织及力学性能均会产生重要影响。本文通过研究焊丝盘松紧度、焊接速度、焊接电流和层间等待时间对电弧增材制造AlMg合金成形的影响,确定了最佳制备工艺参数。研究表明,焊丝盘松紧度为2时,增材设备送丝顺畅,焊道成形效果好;焊道成形与热输入有关,焊接速度越小,增材过程产生的热输入值越大,当焊接速度为36 cm/min时,单道焊缝的成形缺陷最少,成形效果良好;焊接电流越大,增材过程产生的热输入值就越大,当焊接电流为65 A时,焊道形貌均匀;层间等待时间增加到150 s时,合金晶粒为均匀细小的等轴晶,平均晶粒尺寸降至52.9μm。

高强铝合金电弧增材制造的研究进展

高强铝合金因具有高强度、低密度、优异的延展性和抗腐蚀性,成为了航空航天和汽车应用零件最常用的金属材料之一。电弧增材制造技术具有快速原位成形制造复杂结构零部件的能力,非常适用于中型或大型高强铝合金铝部件的制造。本文综合分析了高强铝合金电弧增材制造工艺和设备研发现状、高强铝合金电弧增材的固有属性和缺陷以及主要的性能优化手段,讨论了组织和性能的固有特征和复合增材制造技术对组织和性能的影响。针对电弧增材制造高强铝合金不可忽略的本质冶金缺陷、特征性能需求和多种优化工艺的优劣等问题,提出了电弧增材制造高强铝合金综合评价体系、成分设计和丝材开发、专用热处理制度和复合增材制造技术的协同性等发展方向,以期为电弧增材制造高强铝合金的性能提升和应用推广提供重要参考。

镁合金电弧增材制造研究现状及展望

电弧增材制造由于其高沉积速率、高材料利用率、低成本以及具有制造大尺寸构件的能力而得到研究人员的广泛关注,有望广泛应用于镁合金的快速成形。本文概述了电弧增材制造用镁合金丝材的种类及其对丝材的要求,总结了现今适合于镁合金电弧增材制造用丝材的制备方法,重点论述了镁合金电弧增材制造工艺的制备技术、基本原理、微观组织及力学性能,讨论了不同电弧增材制造工艺制备不同镁合金的影响因素,分析了镁合金电弧增材制造目前可用丝材种类少以及增材制造构件形性尚不可控等问题,并且在优化电弧增材制造镁合金构件性能和推进应用方面进行了展望。

激光增材再制造修复技术的现状与发展趋势

激光增材再制造技术是基于激光熔覆、激光堆焊等激光沉积技术原理实现各种金属零部件损伤部位的几何尺寸或综合性能恢复的绿色制造新技术。针对激光增材再制造技术,具体阐述了增材再制造技术的国内外现状,并详细介绍了激光增材再制造的工艺类型以及在各行业的应用,最后展望了激光增材再制造技术的发展趋势。

微量TiC粉末合金化改善电弧增材制造Ti-6Al-4V合金的组织和性能

原位合金化是调控增材制造钛合金微观组织和力学性能的有效方法,文中研究了添加微量TiC粉末对电弧增材制造Ti-6Al-4V合金微观组织和力学性能的影响.结果表明,添加微量TiC粉末后,Ti-6Al-4V合金中的柱状β晶粒尺寸减小,α-Ti相细化,微观组织为精细的网篮组织,抗拉强度和断后伸长率达到了1029 MPa和14.8%,分别提高了12.8%和26.5%,实现了电弧增材制造Ti-6Al-4V合金强度和塑性的协同改善.同时,沉积合金的显微硬度提高至362.9HV,相比Ti-6Al-4V合金提高了11.4%.通过电子背散射衍射(electron backscatter diffraction,EBSD)分析得出,TiC粉末的添加降低了沉积合金的织构强度,增加α-Ti相的取向.添加微量TiC粉末后,Ti-6Al-4V合金力学性能的提高主要归因于细晶强化和固溶强化效应,其中细晶强化是主要的强化机制.对比分析两种沉积合金的拉伸试样断口得出,Ti-6Al-4V合金的断口形貌呈现出塑性-脆性混合断裂,添加质量分数0.5%TiC粉末后,断口形貌呈现出塑性断裂.证实了TiC粉末作为电弧增材制造Ti-6Al-4V合金晶粒细化剂的潜力.

基于二次通用旋转组合设计的冷金属过渡电弧增材制造AZ31镁合金焊道截面尺寸研究

基于冷金属过渡的电弧增材制造技术制备了AZ31镁合金单道试样,测试了单道试样的焊道宽度和焊道高度。根据二次通用旋转组合试验设计与二次多项式逐步回归分析,建立了高度显著的焊道宽度和焊道高度与摆动宽度、焊接速度、送丝速度和基板温度等工艺参数间的关系式。结果表明,工艺参数对焊道宽度的影响主次顺序依次为摆动宽度、送丝速度、基板温度、焊接速度,对焊道高度的影响主次顺序依次为焊接速度、摆动宽度、基板温度、送丝速度。随摆动宽度的增大,焊道宽度逐渐增大,焊道高度逐渐减小;随焊接速度的提高,焊道宽度和焊道高度均逐渐减小;随送丝速度的提高,焊道宽度和焊道高度也随之同步增大;随基板温度升高,焊道宽度增大,焊道高度降低。

基于粒子群优化算法的电弧增材制造焊道尺寸反向传播神经网络预测模型

选取焊接电流、送丝速度、焊接速度及基板温度作为输入变量,焊道熔宽和余高作为输出变量,选择粒子群优化(PSO)算法中的最优粒子惯性权重和学习因子,构建熔化极惰性气体保护电弧增材制造316L不锈钢PSO反向传播(PSO-BP)神经网络模型。结果表明:PSO-BP神经网络模型预测的焊道熔宽与期望值的均方根误差、最大相对误差与平均相对误差分别为0.386,13.477%,2.580%,焊道余高的分别为0.152,10.372%,2.810%;相较于BP神经网络模型,PSOBP神经网络模型对焊道尺寸的预测精度更高,稳定性更强。