水浴PTIG微变形电弧增材制造工艺

针对TIG电弧增材制造过程中焊件与基板变形累积的问题,提出了水浴PTIG微变形电弧增材工艺.阐述了水浴PTIG电弧增材工艺的原理和系统组成,对比了水浴和空冷两种工艺条件下增材制造的熔敷速率、基板变形和成形质量.结果表明,水浴条件下的有效熔敷速率稳定在144 g/h,是空冷条件下的2.7倍.水浴条件下基板平面度为2.114,较空冷时降低24%.水浴对直壁体的高度方向成形精度影响较大,对宽度方向影响甚微,水浴时直壁成形件的高度标准差为2.6 mm,低于空冷（3.1 mm）,宽度方向均为0.3 mm.     

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.     

铝合金点阵结构电弧增材制造技术及应用

电弧增材制造技术是制备点阵结构的有效方法。研究了点阵结构电弧增材制造装备、铝基药芯焊丝设计与制备技术、激光约束电弧工艺和点阵杆件直径、角度控制方法，制备了典型点阵结构示范件。点阵结构电弧增材制造装备由增材制造单元、激光单元与监测单元组成。设计自生Al2O3相铝合金药芯丝材Al-Cu-NiO合金体系，制备出直径1.2 mm的药芯丝材，堆积杆件具有较低的热导率。激光激发大量中性粒子电离，使电弧中的带电粒子大幅度增加，对电弧存在约束和稳定作用，提高成形精度。控制电弧增材制造熔滴体积与个数，可制备直径为2.5～7.0 mm的点阵单元杆件。控制电弧增材制造电弧枪纵向与横向运动量，可制备角度为15°～90°的点阵单元杆件。利用点阵结构电弧增材制造技术实现了平面点阵结构、圆柱面点阵结构和曲母线面点阵结构的高精度成形，点阵结构的平均压缩强度为58.53 MPa，具有较高的承载性能。在点阵测试件的上表面施加均匀热源，热源温度为500℃，时间600 s，测试件下表面温度约93℃，具有较高的隔热性能。     

随弧激冷对电弧增材制造温度场及组织性能的影响

针对电弧增材制造过程中严重的热积累所导致的成形件成形质量差、尺寸精度低以及晶粒粗大等问题,提出通过随弧激冷电弧增材制造方法来改善电弧增材制造过程中的热积累.采用数值模拟与试验相结合的方法研究随弧激冷对电弧增材制造过程温度场的影响,分析施加冷源对成形件的成形质量以及组织性能的影响.结果表明,施加冷源能够有效改善电弧增材制造过程中的热积累,提高成形件的成形质量以及尺寸精度,优化成形件的显微组织以及力学性能.     

送丝速度对电弧增材熔池流动及焊道成形影响的数值模拟

通过数值模拟研究了不同送丝速度下电弧增材制造单道熔积成形过程中的传热传质及熔池流态，分析了送丝速度对焊道形貌的影响.结果表明，当送丝速度较小时，基板接受的电弧热较多，熔池的熔深较深且流动性较强，成形焊道较宽且高度较低；随着送丝速度的增大，熔融金属向上堆积，熔池体积增加，送丝速度达到一定值时，电磁力与表面张力达到动态平衡，熔深与焊道高度接近；当送丝速度较大时，液态金属对流减弱，熔深较浅，在表面张力的作用下，熔池边缘收缩导致焊道隆起.模拟与试验结果吻合较好，研究结果可以为GTAW电弧增材技术的工艺参数调控提供理论依据.     

熔积电流对镁合金CMT熔丝增材成形特征的影响

针对AZ80镁合金CMT熔丝增材制造工艺,开展不同熔积电流对镁合金直壁试样成形特性的影响规律研究.结果表明,CMT熔丝增材熔积速度为10?mm/s时,熔积电流在85～125 A范围内可获得成形良好的单道镁合金直壁试样,稳定成形直壁高度比起弧、熄弧位置略高,高度偏差控制在2.6?mm以内;随着熔积电流从85 A增至125 A,熔积层层间层高从2.39?mm减小到2.16?mm,而熔积层层宽则从8.61?mm增至14.23?mm;熔积电流过大或过小均会影响直壁试样的表面粗糙度,熔积电流为105 A时表面粗糙度最小,粗糙度为0.16?mm.     

基板厚度对电弧熔积成形应力场及基板翘曲变形的影响

使用ANSYS有限元软件模拟研究了不同厚度基板下电弧熔积成形过程中的温度场、应力分布和基板的残余翘曲变形。计算结果表明:随着基板厚度的增加,成形件第一主应力的大应力区域面积逐渐缩小,成形件纵向残余应力最大值略有波动但相对稳定,基板翘曲变形减小,基板厚度对成形件变形和精度的影响也越来越小。模拟结果与试验测量结果具有良好的一致性,研究结论对电弧熔积增材成形工艺合理选择基板厚度具有理论和实际的指导意义。     

基于电弧的多能场复合增材制造技术研究现状

增材制造主要分为激光增材制造技术、电子束增材制造技术和电弧增材制造技术。相较于其他增材制造技术和传统加工方式,电弧增材制造技术具有成形速度快、成本低、材料利用率高,以及成形件化学成分均匀且性能优良等优势,被广泛应用于大型金属零件制造。电弧增材制造因具有多样化的应用方向,可以满足不同标准零部件的加工制造,已经逐步成为当下主流的零部件加工技术。主要介绍了单一热源(如钨极)气体保护增材制造技术、等离子弧增材制造技术、熔化极气体保护增材制造技术、冷金属过渡增材制造技术和多能场辅助电弧复合增材制造技术,包括磁场–电弧、激光–电弧和电场–电弧等复合增材制造技术等。从宏观形貌、微观组织和力学性能3个角度出发,分析了工艺参数或工艺自身特性对增材制造成形件宏观形貌的影响,讨论了成形件显微组织演变机制及其力学性能,同时提出了单一热源与多能场辅助电弧增材制造技术在现阶段存在的问题,并给出了建议。     

不锈钢电弧增材制造成形

采用316L不锈钢在Q235A基板上进行TIG填丝增材制造成形试验,研究不锈钢增材制造成形工艺,分析不锈钢增材制造成形件的显微组织。结果表明:通过调整焊接电流、打印速度、送丝速度等工艺参数,可以实现不锈钢电弧增材制造成形,成形件具有致密度高、尺寸精度和表面质量较好等优点,其显微组织为柱状枝晶形态的奥氏体,顶部枝晶尺寸相对较小。     

丝材电弧增材制造技术研究现状及展望

丝材电弧增材制造技术因其成形速度快、成形件尺寸灵活等优点受到越来越多的关注,尤其是大尺寸、复杂形状构件的高效快速成形,丝材电弧增材制造有着其独特的优势。介绍了丝材电弧增材制造技术的工艺过程,从丝材电弧增材制造成形件的成形工艺及表面质量研究、成形件组织性能研究以及成形件残余应力研究三个方面综述国内外丝材电弧增材制造技术的研究现状,总结该技术现阶段在航空航天领域的应用情况,指出研究人员对丝材电弧增材制造技术的相关研究工作聚焦于工艺优化和过程控制两个方向,怎样才能通过熔滴的平稳过渡获得高质量的成形件,如何有效控制逐层堆积过程中晶粒及显微组织变化,以抑制零件内部不良组织的产生是需要继续研究的问题。     

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。     

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.     

高能脉冲精密冷焊的电弧特性和增材制造成形能力

进行了高能脉冲精密冷焊的电弧特性试验和各类零件的增材制造试验,根据脉冲电流和电压波形分析了脉冲电弧的特性,根据堆焊零件的成形情况分析了其增材制造成形能力。结果表明,高能脉冲精密冷焊的输出电流为脉冲方波,产生断续的脉冲电弧;其脉冲时间短,电弧能量密度高,冷却时间长,热输入小,零件变形小;在堆焊成形过程中,工件处于冷态,熔池存在时间短,不会出现焊缝熔池流淌现象,堆焊零件的成形精度高,具有复杂零件的增材制造成形能力;该方法可用于较小的几何形状复杂零件的增材制造,也可用于精密零件的增材制造成形修复。     

ER5356铝合金双脉冲电弧增材制造成型工艺及组织研究

采用双脉冲MIG电弧增材制造工艺制备了ER5356铝合金直壁和斜壁试件。通过多组单道单层试验,探索了双脉冲铝合金电弧增材的最佳工艺。结果表明,采用130 A电流,20 V电弧电压,7 mm/s焊接速度,4 Hz低频频率进行ER5356铝合金直壁件增材制造,成型质量良好,其晶粒在高度方向呈现等轴晶与柱状晶交替分布,硬度也呈周期性变化;当以15°的焊枪角度,1 mm的横向偏移量进行斜壁件增材制造时,可以获得倾斜角度为45°的斜壁试件,其晶粒在高度及厚度方向的分布都不均匀。通过EDS能谱分析发现成型试样晶粒内Mg、Si元素有明显偏析。     

2Cr13不锈钢电弧增材制造成形件的组织和力学性能

选用准0.8 mm的2Cr13不锈钢焊丝为成形材料,在低碳钢基板上进行TIG电弧填丝增材制造成形,分析了不锈钢成形件的显微组织和力学性能。结果表明:电弧增材制造成形件满足2Cr13不锈钢的化学成分要求,组织主要为细小的针状马氏体,硬度分布均匀,综合力学性能良好,抗拉强度为651 MPa,伸长率为30%,冲击功为85.18 J。     

电弧增材制造控形改性技术研究进展

以电弧作为热源的电弧填丝增材制造技术(WAAM),使用金属焊丝作为熔覆材料,以层间堆焊的方式,可生产出焊接缺陷少、力学性能好的构件,在航空航天、船舶制造、生物医学等领域有重要应用前景。针对电弧增材制造过程中,表面成形精度及组织性能难以准确调控的难点,文中从控制电弧增材表面成形和组织性能两方面综述了国内外研究进展。按照在增材制造时调控手段的介入阶段不同,将调控手段分为在增材过程中的调控、在增材过程后的调控两大类,分别阐述各改善调控工艺技术的原理特点和存在问题及电弧增材制造形性调控未来发展方向。     

基于层宽控制的AZ91镁合金TIG电弧增材工艺优化

针对镁合金电弧增材制造表面成形质量控制的难题,通过Design-Expert软件对AZ91镁合金TIG电弧增材的电流、送丝速度、增材速度等工艺参数和熔覆层层宽之间进行建模,探索了各工艺参数对增材层宽的影响规律,并利用增材主要工艺参数和尺寸的数学模型优化了增材电流,根据电流优化值来控制直壁构件层宽。结果表明,对层宽影响最大的是增材电流,其次是增材速度,影响最小的是送丝速度;采用优化后的工艺增材制备的单道多层构件自上至下的层宽波动起伏小,层宽偏差值由4.54 mm减小到0.94 mm,提高了AZ91镁合金增材成形质量。     

基于开源切片路径规划的机器人电弧增材制造系统

为提高电弧增材制造的灵活性和路径规划可靠性,使用ABB IRB1410工业机器人和Fronius CMT TPS3200焊接电源,通过Python自主编程利用开源切片软件Cura,成功搭建了电弧增材制造系统,自主开发了电弧增材制造软件,并进行了4043铝合金电弧增材成形. 结果表明,自主开发的电弧增材软件能够读取开源切片软件Cura输出的二维路径数据,并进行转换和输入工业机器人,控制焊枪运行路径和焊接电源运行参数,有效实现电弧增材制造. 使用直径1.2 mm的4043铝合金焊丝,在送丝速度为3.2 m/min、焊接速度8 mm/s、层高1.65 mm、氩气保护气体流量15 L/min条件下,分别成功制备71层单道多层试样和58层单道多层壳体零件. 试样微观组织分析结果表明,成形件凝固组织为典型柱状晶,层与层之间搭接良好. 壳体零件形状完整、表面质量良好.     

不同层间停留时间下电弧增材制造2Cr13薄壁件热力学行为

在电弧增材制造过程中，沉积件内部的热-力演变对成形件质量具有重要影响. 文中通过电弧增材制造三维有限元模型的建立，对层间停留时间分别为30，120，210，300 s的2Cr13沉积件温度场和应力场进行了模拟，模拟结果与测量结果基本一致. 结果表明，层间停留时间为30 s时构件的纵向残余应力分布显著差异于其它构件. 层间停留时间大于210 s时，再延长层间停留时间起不到明显降低应力的效果.电弧增材制造单道25层2Cr13薄壁件的层间停留时间在120~210 s之间较为合适.     

电弧增材制造成形控制技术的研究现状与展望

电弧增材制造是低成本金属零件直接成形的重要研究方向之一。金属零件形貌的成形精度是评判成形质量的一个重要指标。从成形工艺特性、尺寸数学建模、过程控制等角度阐述了电弧增材制造成形控制技术的国内外研究现状;重点总结了基于视觉传感的电弧增材制造闭环控制技术的研究现状;分析了电弧增材制造成形控制技术研究存在的关键问题;提出了未来电弧增材制造成形控制技术的研究内容和发展方向。