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.

SUS304奥氏体不锈钢TIG焊电弧增材制造工艺优化

为探索SUS304奥氏体不锈钢TIG焊电弧增材制造的最佳工艺窗口,采用不同沉积工艺参数对SUS304不锈钢进行单道多层墙体成形试验,试验通过改变电弧移动速度、送丝速度和层间冷却时间,研究其对墙体平均宽度和高度的影响,并考察墙体的金相显微组织和力学性能。结果表明,当热输入保持不变时,电弧移动速度和送丝速度相匹配,才能保证沉积过程的稳定;在保持热输入不变的情况下,随着电弧行走速度的增加,沉积层平均宽度从10.54 mm减小到7.5 mm,平均高度从6.75 mm减小到4.16 mm;随着送丝速度的增加,沉积层的平均宽度和高度均增加,其高度增加大约1 mm;随着层间冷却时间的增加,沉积层平均宽度明显增加,从层间冷却时间为2 min的10.54 mm增加到5 min的11.6 mm,高度变化不大,均在6.5 mm左右;沉积墙体的显微组织出现明显的方向性,主要由大量奥氏体和少量铁素体组成;相比于SUS304母材而言,x和z方向的抗拉强度均有所下降,约为母材的82.5%,且x方向的断后伸长率大于z方向。

960高强钢脉冲TIG电弧增材制造热过程及组织与力学性能研究

采用直流和脉冲直流钨极惰性气体保护焊(Tungsten Inert Gas Welding,TIG焊)电弧沉积工艺来制造960高强钢薄壁构件。通过对比分析两种沉积方法,系统研究了不同工艺因素对沉积热过程中熔滴过渡和熔池稳定性的影响,探讨了沉积与结合层微观组织和力学性能的演化规律,为脉冲TIG(Pulsed-TIG)技术的工程应用提供有益参考。结果表明,直流TIG-WAAM(Wire arc additive manufacturing)和脉冲直流TIG-WAAM(Pulsed-TIG-WAAM)工艺下,构件整体成形过程相对稳定,脉冲直流沉积构件的焊道高宽比相对较低,加入脉冲后沉积层变得更为扁平,有利于沉积过程中熔池保持稳定,提高成形精度。沉积层自下而上的微观组织分布较不均匀,底层为细小奥氏体晶粒,中层为粗大等轴晶,顶层为奥氏体组织。脉冲的引入有效改善了组织均匀性,回火马氏体组织的形成提高了材料的塑性和韧性。直流TIG-WAAM和脉冲直流TIG-WAAM熔滴过渡模式分别为大滴过渡和细滴过渡,过渡频率分别为5.24 Hz和9.17 Hz。脉冲条件下的细滴过渡模式更有利于保证整个沉积过程的热稳定性、构件成形精度和工艺稳定性。

双钨极TIG电弧增材熔敷道成形特性研究

双钨极TIG电弧具有低电弧压力特性,能够在大电流下避免驼峰、咬边等缺陷,提高熔敷效率。为将其应用于增材制造,采用单丝输送和双丝输送两种模式,针对200 A以上的大电流双钨极TIG电弧,研究熔敷电流、送丝速度、行走速度对熔敷成形的影响。结果表明,在单丝输送模式下,200~350 A电流范围内,送丝速度过快会导致熔敷道铺展不良,而在350 A以上,送丝速度过快会导致插丝缺陷;采用双丝输送模式,能提高电弧熔丝热效率,有效降低插丝倾向,提高熔敷效率。最终得出200~650 A电流下的最大许用送丝速度和行走速度范围,为双钨极TIG电弧增材制造提供了成形良好的工艺窗口。双钨极TIG电弧增材在650 A熔敷电流下依然能够成形良好,熔敷效率达到5.36 kg/h。

基于TIG焊的电弧增材制造工艺研究现状及展望

电弧增材制造(wire arc additive manufacturing,WAAM)是近年来发展较快的一种净成型的金属构件制造工艺,其中基于TIG焊的电弧增材制造由于沉积过程稳定无飞溅,沉积速率快,材料利用率高、柔性化程度高等特点被应用于航空航天、军工等领域。总结了不同工艺参数对材料组织和力学性能的影响,包括电流、焊速、保护气种类以及送丝角度;介绍了热积累和焊道的偏移量对成形质量的影响,提出相应的解决措施;最后介绍了不同沉积前处理和辅助制造工艺来优化构件性能,并对TIG焊WAAM的发展趋势及研究方向进行了展望。

TIG电弧增材制造308L不锈钢的显微组织与力学性能分析

采用TIG电弧增材制造的方法成形了308L不锈钢的直壁件,研究了其显微组织和力学性能。利用奥氏体不锈钢的凝固模式预测显微组织,通过SEM和EDS能谱分析成形件的显微组织。结果表明:预测组织和实际组织一致,为奥氏体和少量铁素体。直壁件的底部和顶部位置显微硬度高于中部组织的,底部最高,顶部次之。从成形件上取水平方向的试样进行拉伸试验,断裂形式为韧性断裂,成形件的抗拉强度最小值达到520.19 MPa,伸长率最小值达到41.7%。

TIG增材成形5356铝合金温度场数值模拟分析

用Abaqus软件结合单元生死法,建立钨极惰性气体(tungsten inert gas,TIG)增材成形5356铝合金有限元模型,探讨层间冷却时间、增材方向及预热对温度场的影响规律,并通过实测温度验证仿真结果。结果表明:随层间冷却时间递增,第1层表面中点温度循环曲线的峰值与谷值下降;随层数增加,峰值温度先快速下降,后缓慢下降;谷值温度先快速增加,后缓慢增加。往复式增材成形可有效改善同向增材在熄弧端因热量积累导致的成形缺陷,有利于提升表面平整度。在合理温度范围内的基板预热可使温度分布更均匀。

TIG电弧复合熔滴沉积增材制造45钢/铅合金双金属结构工艺研究

传统钢/铅粘接结构在使用或长期贮存过程中存在粘接层局部脱粘、老化或强度退化等问题,严重影响复合结构的完整性和长期稳定性。本工作提出采用钨极惰性气体(Tungsten inert gas,TIG)电弧复合熔滴沉积成形新方法实现45钢/铅合金双金属结构的直接冶金复合增材制造,利用金相显微镜、扫描电镜、能谱仪、硬度实验以及拉伸实验等方法对钢/铅双金属结构成形试样的界面组织特征与力学性能进行分析。结果表明,铅合金沉积层特征尺寸随TIG电弧热输入的改变呈现出明显的非线性依赖特征;45钢/铅合金双金属结构界面未被发现明显孔隙、裂纹等冶金缺陷;界面化合物(Intermetallic compounds,IMCs)层的厚度约为30~70μm;钢/铅双金属成形试样的界面剪切强度平均值为28.4 MPa,远高于文献报道的强度(4.2 MPa),试件剪切拉伸断裂均发生在铅合金沉积层侧而非结合界面。

TIG电弧增材316L不锈钢中的热行为对其组织演变的影响

以钨极氩弧焊(TIG焊)为热源,采用φ1.0 mm的316L不锈钢焊丝获得了单道多层的直壁构件,通过光学显微镜分析沉积层的微观组织形貌。结果表明,热累积非平衡状态的单层沉积层顶部组织多为骨架状枝晶和等轴晶,底部多为短枝晶;热累积平衡状态的单层沉积层顶部组织多为树枝晶和等轴晶,底部组织以短枝晶为主,存在少量长枝晶。单层沉积层在电弧的反复热作用下,发生微观组织的演变,从而形成最终的构件组织。在热累积非平衡状态的组织演变过程中,热累积增多使得凝固过程中过冷度改变,下层沉积层组织逐渐由骨架状铁素体转变为树枝晶;在热累积平衡状态的组织演变过程则以树枝晶转变为板条铁素体为主。

脉冲TIG增材制造技术研究进展

脉冲TIG (pulsed tungsten inert gas,PTIG)增材制造技术属于电弧增材制造技术的分支,其最显著的优势是成本低、沉积率和材料利用率高,适用于大尺寸结构件的制造。本工作从实验研究和数值模拟的角度,着重介绍了PTIG增材制造成形件成形质量控制、微观组织及性能控制方面的研究成果,总结了当前研究存在的不足。基于对成形件成形质量、微观组织及性能的准确预测和主动控制,提出了PTIG增材制造技术有待深入的研究方向,即:工艺因素对成形质量的影响机理研究、缺陷形成机制及其抑制措施研究、熔池微观组织演变数值模拟研究、成形件内应力和变形的调控机制研究、微观组织与力学性能关系模型的建立。

TIG电弧增材熔池行为的数值模拟研究现状

TIG(钨极惰性气体保护焊)电弧增材制造由于其材料利用率高、成形效果好等显著优势,已成为制造业研究的热点。本文从数值模拟的角度,着重总结了TIG增材熔滴过渡、热累积和熔池行为3个方面的重要结果。成形工艺参数决定熔滴过渡形式和频率,而熔滴的过渡形式和过渡频率直接影响沉积层的成形质量;热累积影响着成形件的微观组织和应力,可通过控制层间冷却时间来减少热累积;在进行TIG增材熔池数值模拟时,多选择高斯热源和双椭球热源模型。基于以上对TIG电弧增材制造的分析研究,对TIG电弧增材制造的研究方向进行了展望,主要包括建立熔滴与熔池的物理耦合模型和改进电弧热源模型两方面。

316L不锈钢TIG焊增材电弧物理特性分析

在TIG焊增材制造过程中,电弧的往复加热不仅改变了增材构件的成形质量、组织性能,对电弧等离子体的辐射强度、温度也有很大影响。采用φ1.0 mm的316L不锈钢焊丝进行单道多层堆积,研究316L不锈钢TIG焊增材电弧物理特性。根据电弧增材成形系统的特点,建立TIG焊增材电弧光学采集试验系统,获取增材电弧的光谱信息及电弧图像。采用相对强度法计算不同层的电弧温度,分析堆积的前4层成形不稳定的现象,得出了增材层数对电弧形态及电弧温度的影响规律。加深了对TIG焊电弧对增材成形的影响机理的理解,为实现电弧增材制造过程质量自动控制奠定了基础。

典型TC4框类结构TIG电弧增材制造工艺研究

电弧增材制造技术以其成形效率高、成本低的优势为钛合金薄壁框类结构件提供了新的成形方法。采用TIG电弧增材制造技术,研究典型TC4框类结构件的成形。首先,通过控制变量法研究工艺参数对单道宏观形貌的影响规律,获得了单道稳定成形的工艺参数范围。在此基础上,成形方框结构时,将焊枪和送丝杆整体旋转10°,实现了各向同性的稳定成形。之后,对典型“田”字形框类结构进行了路径规划,十字交叉位置采用圆弧搭接的路径,获得了表面质量良好的框类零件。

药芯焊丝脉冲TIG电弧增材制造电弧特性研究

对药芯焊丝脉冲TIG电弧增材制造电弧特性展开研究。利用高速摄像拍摄不同熔敷层脉冲电流条件下的电弧与熔滴过渡图片,对高速摄像图片进行分析,发现焊丝熔化过程存在“滞熔”现象,导致熔滴过渡存在渣桥过渡与液桥过渡两种接触过渡方式,在脉冲峰值电流较小的50/100 A电流参数下,出现熔滴断续的渣桥过渡的频率最高。熔滴过渡影响电弧温度场与药粉成分在电弧中的分布,利用光谱诊断分析熔敷过程中在不同脉冲峰值电流与脉冲基值电流条件下电弧温度场及药粉成分在电弧中的分布。利用点阵法测量得到各点光谱数据,根据Boltzmann图法计算各点温度,将各点温度拟合得到完整电弧温度场,结果表明,焊丝从钨极轴线前(左)侧送入,吸收电弧热量并且对电弧有扰动作用,电弧前侧温度低于电弧后(右)侧,电弧前侧尺寸稍小于后侧;随着熔敷层数增加,降低峰值电流,电弧收缩,高温区面积相对减小,低温区面积相对增大。电弧最高温度区域出现在钨极下方1~2 mm的范围,大约为13000~15000 K,脉冲峰值电流越大则最高温度区域面积越大。在脉冲基值电流时期,由于电流小,电弧面积相比于峰值时期要小得多,焊丝与电弧相互作用减弱,电弧温度场基本关于钨极轴线对称分布。选择药芯焊丝中特有的Na元素的NaⅠ589.6 nm谱线对其分布点进行标记,拟合绘出不同脉冲峰值电流与基值电流下药粉元素在电弧中的分布情况,结果表明,电流越小,药粉运动高度越低,在不同的脉冲峰值电流下药粉均没有沾染到钨极上,在不同的脉冲峰值电流与脉冲基值电流下Na元素均偏电弧后侧分布,说明焊丝自电弧前侧送入熔池后,在电弧前侧的电弧中没有出现药粉强烈的喷发现象,而是进入熔池进行冶金反应。接触过渡解决了碱性焊丝工艺性差的问题,电弧较为稳定,避免药粉喷发损伤钨极,熔敷过程稳定进行。

层间超声冲击对TIG电弧增材制造2219铝合金组织和力学性能的影响

针对铝合金电弧增材构件存在的气孔等内部缺陷,开展不同层间超声冲击工艺参数下电弧增材制造2219铝合金的晶粒形貌、力学性能和气孔缺陷试验研究,分析了层间超声冲击对试件性能的强化效果。结果表明,降低冲击扫描速度和提高冲击次数,晶粒尺寸减小,顶部圆弧区的树枝晶被破碎向等轴晶转化;相比无冲击的增材制造材料,以2mm/s速度扫描冲击三次试样的抗拉强度提升了10.2%,屈服强度提升了32.4%;TIG电弧增材制造构件的气孔数量、平均直径和圆度随超声冲击增加而降低,部分直径小的气孔直接闭合。本研究对电弧增材制造应用于大型铝合金薄壁构件成形及组织性能控制有参考价值。

TIG堆焊TiB2增强铝基复合材料的工艺与性能

采用钨极氩弧焊(Tungsten Inert Gas Welding,TIG)方法在ZL102上进行TiB2/7050的堆焊研究,旨在为TiB2颗粒增强铝基复合材料的电弧增材制造提供技术探索。利用光学显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度计对不同焊接电流获得的堆焊层的焊缝成形、微观组织进行观察与分析。结果表明:TIG堆焊的TiB2/7050铝基复合材料在ZL102表面成形良好;焊接电流增大,焊道的熔宽、熔深和余高尺寸都随之增加;微观组织也随之发生较大改变;堆焊层的显微硬度与ZL102基材相比显著增加。复合材料焊材中的TiB2增强相,有助于TIG堆焊层微观组织的细化和性能的强化。

送丝方式对步进填丝双脉冲TIG电弧增材成形精度的影响

针对电弧增材制造热质传输强耦合、成形尺寸精度低等共性关键问题,提出一种步进填丝双脉冲钨极氩弧(tungsten inert gas,TIG)电弧增材制造方法.基于此方法建立增材成形试验系统,开展系列变化参数的直壁墙增材工艺试验.利用同步采集的熔滴、熔池动态变化图像数据重点研究分析了送丝方式对焊丝熔化、熔滴过渡、熔池行为和成形尺寸精度的影响规律.结果表明,前、后送丝方式下熔滴均以液桥过渡方式熔入到熔池;相比前送丝增材过程,后送丝方式下焊丝熔化效率和熔滴过渡频率明显增加,熔滴尺寸变小,熔池表面高度和宽度尺寸波动均减小;高频脉冲电弧使熔池体积略微增加,热稳定性明显增强,直壁墙沉积件成形精度明显提高.

药芯焊丝脉冲TIG增材制造倒Y形电弧光电特性分析

在药芯焊丝脉冲TIG电弧增材制造过程中,发现了电弧“骑”在成形件两侧的现象,该电弧被称为倒Y形电弧。倒Y形电弧对成形件两侧均有加热作用,其偏移导致成形件两侧受热不均,影响熔覆过程稳定性。按照点阵法测得的光谱数据利用Stark展宽方法计算了倒Y形电弧拖曳部分的电子密度,本研究试验条件下有部分区域(侧壁以外2 mm左右,Z方向0位置以下1.5 mm左右)符合局部热力学平衡条件。利用光谱诊断的Boltzmann图法来计算电子温度,将各点的数据拟合得到完整电弧温度场,分别从平行和垂直于焊枪运动方向分析了熔敷过程中倒Y形电弧的温度场。结果表明,从两个方向光谱诊断得到的倒Y形电弧钨极轴线处的温度最高值均大约为14000~16000 K,分布在钨极端部下方0.5~1.5 mm范围内,电弧拖曳部分的温度大约为5000~8000 K。在垂直于焊枪运动方向上,当钨极轴线与熔敷层中心重合时,正常倒Y形电弧及其温度场关于钨极轴线对称分布。当钨极轴线偏移熔敷层中心左侧1 mm时,倒Y形电弧向左发生偏移且温度场也向左发生了偏移,熔敷层左侧温度明显高于右侧温度。在平行于焊枪运动方向,倒Y形电弧温度场扭曲较小,熔敷过程中焊丝从钨极前(左)侧送入,扰动电弧且吸收电弧热量,导致电弧前(左)侧的尺寸和温度均小于后(右)侧,电弧拖曳部分出现了收缩现象。通过分析钨极轴线与熔敷层中心重合以及钨极轴线向左偏移熔敷层中心1 mm的电信号,发现前者的均值电压、基值均值电压、峰值均值电压均小于后者。利用电信号结合高斯热源模型进行分析,在成形件左侧壁相同位置,正常倒Y形电弧的温度和热流密度小于偏移的倒Y形电弧,在成形件右侧壁相同位置则相反,这与光谱诊断得到的温度场分布关系吻合。研究结果对于建立电弧增材制造过程中新的热源模型和过程监控具有重要意义。

TIG电弧辅助熔滴沉积增材制造中熔滴偏距对熔池形貌的影响机制研究

针对传统d属熔滴微喷沉积成形中气孔、冷叠等冶金缺陷难抑制的问题,提出一种TIG电弧辅助熔滴沉积增材制造新方法。基于计算流体力学方法,建立铝合金TIG电弧辅助熔滴沉积增材制造过程三维瞬态熔池行为数值模型,对比研究了3组不同熔滴偏距下的熔池行为,通过与堆积层特征尺寸(层高、层宽、熔深)实测值相比较,验证所建熔池行为数值模型的有效性,澄清了单层单道堆积成形中熔滴偏距对熔池热流场和堆积层形貌的影响规律。结果表明:随着熔滴偏距的增加,熔滴与TIG电弧熔池一侧基板表面的接触面积增加,熔池与基板之间的散热效率得到提高,熔池凝固前沿的对称性被打破,进而导致熔滴冲击诱导的熔池热流场与堆积层形貌呈现明显的非对称特征。研究结论可为TIG电弧辅助熔滴沉积增材制造增材技术的工艺参数调控提供理论支撑和依据。

丝材感应预热对电弧增材制造铝合金薄壁构件组织和性能的影响

铝合金电弧增材制造过程稳定性不足,精度较低,容易产生各种缺陷。为优化铝合金增材制造工艺,研究了丝材感应预热工艺对铝合金电弧增材制造的优化作用与效果,以TIG电焊机为热源,采用ER4043焊丝在纯铝基板上增材制造薄壁构件,探索感应预热焊丝工艺参数对成形件微观组织与硬度的影响。经过单道试验和增材制造薄壁试样,得出热丝工艺的堆积效率相较于冷丝工艺增加了11.1%,成形形貌更加均匀,气孔数量大幅减小,硬度增加了25%~35%。感应预热焊丝工艺对铝合金增材制造技术的优化效果显著。