多向钢节点电弧增材制造药芯丝材开发及应用

开发了一种用于多向钢节点电弧增材制造的金属粉芯型药芯丝材,研究了其在不同工艺规范与摆动条件下的工艺性能、显微组织与力学性能。结果表明:开发的药芯丝材在不同工艺规范与摆动条件下堆积金属两侧平直,表面平整,未出现裂纹、气孔等缺陷,具有良好的成型性;堆积过程中电流波动幅度不超过±3.5%(±7.5 A),电压波动幅度不超过±4.0%(±0.9 V),波动较小,电弧稳定,飞溅率低于2.5%;堆积金属的显微组织为铁素体和珠光体,其拉伸强度、延伸率和20℃冲击功,沿堆积方向分别为512 MPa、25%和127 J,沿垂直于堆积方向分别为519 MPa、24%和134 J。利用开发的药芯丝材电弧增材制造六向钢节点,制造的构件尺寸偏差在±1.3 mm以内,成型精度较高;其显微组织也为铁素体和珠光体,力学性能满足使用要求,开发的药芯丝材可用于多向钢节点电弧增材制造。     

电弧熔丝增材制造460 MPa级建筑钢十向节点用药芯丝材的开发及应用

基于Q460钢的名义成分设计了电弧熔丝增材制造建筑钢十向节点专用药芯丝材的成分,制备了药芯丝材并研究了其工艺性能;利用该药芯丝材,采用电弧熔丝增材制造技术制备建筑钢十向节点,研究了其尺寸精度、组织和力学性能。结果表明:试验制备药芯丝材在电弧熔丝增材制造过程中的电弧稳定、飞溅小,堆积金属无裂纹、气孔等缺陷;采用该药芯丝材电弧熔丝增材制造建筑钢十向节点的成形精度符合要求,组织主要由细小铁素体和少量珠光体组成,其拉伸性能、室温和-40℃冲击性能均满足传统Q460钢十向节点的力学性能要求。     

冷金属过渡电弧增材制造多道搭接工艺研究

基于冷金属过渡(CMT)电弧增材制造技术,以2319铝合金为堆积材料,恒定送丝速度与不同焊接速度得到6组单层焊道,分别采用标准曲线对单层焊道截面轮廓进行拟合,结果表明抛物线和圆弧曲线的拟合效果均较好。在损失较小模型精度的情况下简化搭接模型,基于抛物线曲线建立单层多道斜顶搭接模型,理论推导最优搭接间距为0.715倍单道宽度。为了验证模型的正确性,采用不同搭接间距成形单层两道进行试验验证,并将其与传统的平顶搭接模型进行对比。试验结果表明斜顶模型更加符合CMT电弧增材制造工艺过程。当搭接间距确定后,研究表明当单层焊道成形高度降低时,搭接表面不平度随之减小,有利于后续多层多道堆积成形。基于优化后的搭接参数,成形多层多道样件,成形形貌良好,三个方向的拉伸力学性能表现出各向异性。     

CMT电弧增材制造过程电弧特性对熔滴过渡行为的影响机理研究

冷金属过渡(CMT)电弧增材制造技术具有沉积效率高、制造成本低等优势，在航空用大尺寸构件的快速成型领域应用前景广阔。对于电弧增材制造大型构件需采用大电流来进一步提高沉积效率，但在此高电流模式下电弧放电过程对熔滴过渡行为的影响机理尚不明确。因此，本研究采用高速摄像仪观察了电弧增材制造过程中电弧形态及熔滴过渡行为，同时通过建立电弧模型及熔滴过渡模型，分析了在不同电流波段及工艺参数下熔滴过渡频率及熔滴尺寸变化规律，最终揭示了电弧放电过程中电流密度、洛伦兹力等物理因素对熔滴过渡的作用机理。结果表明，电弧宽度与洛伦兹力决定熔滴在电弧放电过程中的受力大小，进而决定熔滴尺寸及其过渡频率。随着送丝速度从5.5 m/min增大至7.0 m/min时，电流峰值持续时间增加了1倍左右，同时电弧宽度与电流密度的随之增加，使得熔滴过渡过程中电磁力上升，熔滴尺寸下降14%且射滴过渡频率增加了3～4倍。当瞬时电流进入熄弧阶段时，熔滴过渡形式转变为短路过渡。随着送丝速度的增加，短路过渡频率从29 Hz减少至20 Hz。     

异质辅助填丝熔化极电弧增材制造熔敷金属成分与性能调节

为了实现高效、稳定的金属异质材料零件的增材制造,提出了异质辅助填丝熔化极电弧增材制造方法.向熔池中同时输送H08Mn2Si低碳钢焊丝与H06MnNi3CrMoA高强钢焊丝,开展了熔敷金属成分、组织、性能调节试验.结果表明,随着高强钢质量分数增大,熔敷金属组织中粒状贝氏体和针状铁素体的数量增加,提高了熔敷金属的抗拉强度与...     

浅析CMT技术在铝合金电弧增材制造中的应用

随着近些年科学技术不断进步,越来越多的先进制造工艺与技术在轻合金材料制造领域得到应用。铝合金材料及技术目前已经取得较好发展成果,相应的增材制造技术也备受关注。CMT是一种新型焊接工艺,具有弧长控制精确、飞溅少以及热输入量小等特点,非常适合低熔点金属,特别是铝合金增材制造,是近些年国内外研究的焦点之一。基于此,从当前国内外研究方向着手,对CMT工艺、送丝速度以及焊接速度等参数对成形件的影响进行分析,概述CMT电弧铝合金增材制造时的气孔缺陷、组织性能及尺寸控制等内容。最终可知,CMT技术在铝合金电弧增材制造方面仍然有待进一步研究,从而实现在现代制造业领域的加速发展。     

舰船艉轴架电弧熔丝3D打印用金属型药芯丝材的研制

通过合金化体系设计舰船艉轴架电弧熔丝3D打印用金属型药芯丝材,研究了其在堆积电流155～250A、堆积电压23～29V下的工艺性能及堆积金属的显微组织和力学性能;用该药芯丝材打印出舰船艉轴架模拟件,分析了该模拟件的尺寸精度。结果表明:药芯丝材的成形性能良好,电弧稳定,飞溅率小于2.5%;堆积金属的显微组织由珠光体、块状铁素体和板条贝氏体组成,贝氏体板条最大宽度约为0.80μm,板条内部有高密度位错和碳化物;沿堆积方向堆积金属的屈服强度为550MPa,抗拉强度为651MPa,-20℃冲击吸收功为58J,垂直于堆积方向的屈服强度为538MPa,抗拉强度为642MPa,-20℃冲击吸收功为60J;与ZG510钢相比,堆积金属具有更好的强韧性;舰船艉轴架模拟件没有出现裂纹、气孔等缺陷,尺寸偏差在1mm以内。     

电弧熔丝增材制造铝合金零件中气孔的研究现状

电弧熔丝增材制造铝合金中的气孔会产生应力集中,导致初始裂纹萌生和扩展,造成力学性能变差.介绍了电弧熔丝增材制造铝合金零件中气孔缺陷形成的原因,阐述了保护气体、焊接速度、送丝速度、金属丝材、热输入、轧制和热处理等工艺条件对气孔率的影响,并对降低电弧熔丝增材制造铝合金零件中气孔率的今后研究方向进行了展望.     

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。     

PCA-TOPSIS法在不锈钢电弧增材工艺参数优化中的应用

为了提高不锈钢电弧增材工艺的增材效率,利用308不锈钢丝材在304不锈钢基体上进行电孤增材.利用正交试验法设计工艺参数,运用光学显微镜分析增材组织的形貌,通过显微硬度计测试增材组织的显微硬度分布.依据熔覆层的熔池尺寸,采用PCA-TOPSIS法作为评价方法.以熔宽、余高最大,熔深最小为优化目标,通过MATLAB计算得出最佳工艺参数为电弧电流I=200 A,焊接速度Vs=42 cm/min,送丝速度Vf=180 cm/min.结果 表明,该工艺参数下的熔覆层与基体呈现良好的冶金结合,无气孔和裂纹等缺陷.     

激光增材制造过程低碳建模与工艺参数优化

激光增材制造是基于高能激光束快速熔覆金属粉末成形的工艺,其工艺过程时间长、能耗大会导致产生大量碳排放,基于此,系统分析激光增材制造过程的碳排放特性,建立激光增材制造过程碳排放模型;在此基础上,以碳排放、粉末利用率及熔覆质量为优化目标,建立激光增材制造过程工艺参数多目标优化模型,提出一种结合改进非支配排序与人工鱼步长人工鱼群求解算法,解决模型求解后期寻找参数解集盲目性大、目标函数解集均匀性差问题,通过熵权-灰色关联分析综合Pareto最优解集法获取最优工艺参数组合。最后,以LDM4030激光增材制造装备为试验平台进行激光熔覆试验,试验结果表明：该模型及算法可有效降低激光增材制造过程碳排放,提高粉末利用率,保证熔覆质量,为我国激光增材制造装备产业实现碳达峰、碳中和提供一条有效途径。     

焊接速度对电弧增材熔池流动及焊道形貌影响的数值模拟研究

焊接速度对电弧增材成形过程中传热传质以及焊道成形有重要影响，为探究其影响机理，建立TIG电弧增材成形过程的三维瞬态数值模型，采用VOF方法追踪熔池自由界面，研究不同焊接速度下单道熔积成形过程中的传热及熔池流态，并分析焊接速度对单道焊道形貌的影响。数值模拟结果表明，随着焊接速度减小，熔池的热积累增强，体积增大，熔池表面峰值温度提高，弧坑深度也加深；同时，在电磁力和熔池表面力的共同作用下，熔池表面流速峰值随焊接速度减小而减小，熔池内部流速增大，对流更充分。此外，随着焊接速度减小，成形焊道的宽度和高度均有不同程度的增加。相同条件下的试验与数值模拟的焊道轮廓对比验证了数值模拟结果的有效性，研究结论可为电弧增材技术的工艺参数调控提供理论支撑和依据。     

航空发动机导管弯头增减结合制造技术研究

针对典型航空发动机钛合金导管弯头零件形状复杂、薄壁、切削加工性差的问题,基于3D打印技术和数控车削技术各自优势,设计了增材制造和减材制造相结合的制造工艺流程,即钛合金导管弯头毛坯制备采用3D打印增材制造技术,解决了复杂异型结构成形难题;导管弯头精加工采用数控切削(减材)加工技术解决了加工精度问题,并优化了该零件3D打印工艺参数和数控车床工装夹具,确保了制造精度和效率,为解决航空发动机钛合金导管弯头工艺难点提供了新的技术思路。     

德玛吉森精机

正LASERTEC 65增材制造(AdditiveManfacturing)增材制造(3D打印)技术是一项全新的高度复杂和个性化的生产方式,德马吉森精机(DMG MORI)凭借LASERTEC 65增材制造工艺,推出了一台复合机床,该机床将创成式激光堆焊技术集成到一台全功能的5轴铣床中,实现激光堆焊和铣削加工质量的增材生产方式。该台机床通过粉末喷嘴进行激光堆焊与铣削加工共同构成独特的复合技术,为用户提供全新的应用。其在生产中通过粉末喷嘴进行金属堆焊,速度比粉床方式快近20倍。     

ER120S-G高强钢电弧增材制造的工艺优化

针对ER120S-G高强钢电弧增材制造搭接间距的工艺优化问题,采用脉冲熔化极气体保护焊(GMAW-P)工艺,对5组单层焊道进行Canny边缘提取和高斯平滑滤波,并选用不同函数对单道形貌进行拟合。比较了常规搭接模型和优化的斜顶搭接模型,并计算出它们的最优搭接间距。研究结果表明,对于高强钢GMAW-P工艺,采用正弦函数拟合焊道边缘的效果最佳,并且采用优化的斜顶搭接模型得到的最优搭接间距为0.66倍的单道宽度。基于上述优化结果试验成形了多层多道块体样件,成形表面质量良好无缺陷,块体组织主要为针状铁素体、粒状贝氏体以及M-A组元等,抗拉强度呈现一定的各向异性。     

CMT电弧增材制造过程传热传质数值模拟

冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)电弧增材制造技术具有熔敷效率高、热输入低、成形稳定等优点,在大尺度构件直接成形领域应用前景广阔.然而,其成形过程熔池热-流等物理场演变机理尚不明确,且很难通过试验手段获得.基于动网格技术,建立了二维CMT电弧增材制造热-流场数值模型.模型中,采用流体体积法追踪...     

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。     

石化容器用2.25Cr-1Mo-0.25V钢的CMT电弧熔丝增材制造工艺及组织性能研究

为探索大型石化筒体根部止口的制造新工艺,采用新研发的2.25Cr-1Mo-0.25V合金丝材,使用CMT电弧熔丝增材制造技术首次堆积2.25Cr-1Mo-0.25V直壁墙,探索增材后的最佳热处理工艺,以改善沉积态显微组织与力学性能。实验发现：增材成形的直壁件内部微观组织主要为板条贝氏体、粒状贝氏体和部分马氏体,堆积方向组织差异明显,显微硬度浮动剧烈,拉伸强度远高于母材,但断裂延伸率较低。对增材后的直壁件施加“消氢处理+去应力处理”和“模拟最小焊后热处理”,发现后者能将其塑性提升至与母材相当。根据显微组织分析,经过“最小焊后热处理”,沉积态的板条贝氏体和部分马氏体可转变成均匀分布的粒状贝氏体,组织间的各向异性显著降低。实验证明,应用新研发的2.25Cr-1Mo-0.25V丝材在最佳的CMT电弧熔丝增材工艺参数下成形直壁件并结合“最小焊后热处理”能够最大程度地改善显微组织和力学性能,最终满足石化容器筒体根部止口的服役指标。相比浇铸-锻造成形止口的工艺,开发的CMT电弧熔丝增材新工艺有望大幅节约生产成本,提高制造效率。     

冷金属过渡电弧增材制造H13钢块体的显微组织与力学性能

采用机器人辅助冷金属过渡电弧增材制造技术制备五层十五道结构的H13钢块体,研究了沉积块体的表面质量、显微组织和力学性能。结果表明:H13钢块体表面无宏观裂纹;块体主体区组织为晶粒取向均匀的针状马氏体,搭接区组织由晶粒取向杂乱的针状马氏体和不规则铁素体组成;块体主体区的平均显微硬度为479HV,远高于退火态H13钢的(254HV),而搭接区因存在铁素体,其硬度明显降低,平均值仅为381HV;冷金属过渡电弧增材制造H13钢块体的整体拉伸性能优于退火态H13钢的。     

高速电弧喷涂3Cr13钢雾化粒子温度和飞行速度数值模拟

用二相流流体动力学和空气动力学理论建立了高速电弧喷涂雾化粒子温度和飞行速度的数学模型,通过引入高速电弧喷涂工艺过程的送丝速度、丝材直径、喷涂电流、电压和雾化气体压力等工艺参数,与雾化微滴温度、飞行速度和粒度分布建立联系,揭示了高速电弧喷涂工艺参数对雾化过程微滴物理特性的影响。数值分析结果表明,3Cr13钢微滴速度在实际喷涂距离范围内变化不大;粒度对微滴初始温度有较大影响;不同粒度微滴的过热度在1 320～2 090 K之间,电阻项对微滴过热度的贡献最大;微滴强烈过热是电弧喷涂材料损耗的主要原因之一。所建立的模型的数值模拟结果与试验结果吻合较好。模拟计算的高速电弧喷涂技术喷涂3Cr13钢的质均粒度和实测的相吻合,但粒度分布特征不同。