铝合金电弧增材制造研究现状

电弧增材制造技术（Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM）具有沉积速率高,成形速度快以及适合各种成形环境的优点,吸引了越来越多的高校及科研机构投入其中,如何进一步发挥电弧增材制造的优势是当下的研究热点。阐述了铝合金电弧增材过程中热输入、电流方式和外加能场对成形件表面形貌、微观组织以及力学性能的影响。当焊接电流较小或焊接速度较快时,热输入较低,熔融金属冷却速度快,形核率高,成形件为晶粒细小的等轴晶粒,提供给气孔的形成、聚集和长大的时间短,即热输入越低,成形件等轴晶区越宽,晶粒越细小,气孔缺陷越少,成形件机械性能越优异。对比分析了不同电流方式的电弧增材制造成形件性能差异,发现脉冲和变极性电流方式的热输入比无脉冲电流方式低,成形件晶粒更精细、缺陷更少、机械性能更优异;脉冲和变极性电流方式都可以清理成形件表面氧化膜,获得平整的表面。分析了电弧增材制造系统的优化方案,发现施加磁场、激光可以使得电弧更加集中,调控熔池流动,避免熔敷金属铺展不均匀;施加原位轧制、层间锤击以及超声喷丸可使得沉积层发生变形,在晶粒内产生大量位错;利用水箱或者添加保护气喷嘴可以降低电弧增材...     

层间冷却时间及起弧方式对堆焊成型质量的影响

针对金属熔焊环形堆焊件,利用数值模拟与试验相结合的方式研究了焊道间冷却时间对环形堆焊件成型质量的影响,并通过试验研究了不同起弧方式对堆焊成形质量的影响。结果表明,随着堆焊层数的增多,热量逐层积累,逐层增加焊道间的冷却时间,焊件成型质量较好;采用旋转起弧点的焊接方式可以大大减少堆焊件在弧根和弧稍处的焊接缺陷。     

5B06铝合金电弧增材制造工艺参数对成形质量的影响

以5B06变形铝合金为研究对象,重点开展了成形模式、成形电流、成形速度、冷却时间等工艺参数对5B06变形铝合金电弧增材制造成形的影响。结果表明:成形电流、成形速度是多层单道电弧增材制造的重要影响因素。根据多层单道试验效果推荐选用工艺参数为:C+P成形模式,成形电流90~120 A,成形速度6~9 mm/s,每层提升高度1.5 mm,气体保护流量20 L/min。多层单道成形时层间停留可以有效地避免各层之间的热积累效应,适当的层间停留时间可以改善金属表面氧化,避免出现金属流淌,可有效提高成形表面精度。     

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。     

丝材微束等离子弧增材制造工艺研究

为了提高等离子弧增材制造零件尺寸精度,采用控制变量法研究了焊接电流、焊接速度2个主要工艺参数对焊道成形尺寸及质量的影响,其他参数均设定在一个固定合适的水平。结果表明:不锈钢丝材等离子弧单层单道堆焊中,存在一个4区成形参数窗口;焊接速度在1～5.5 mm/s范围内变化时,堆积层宽度与堆积层高度均逐渐减小,但曲线斜率变化两者表现出相反的敏感性;定送丝速度堆积,每个电流水平下的堆积层宽度与堆积层高度之积近似相等,且堆积层宽度与堆积层髙度之间存在反比关系。     

厚壁结构件电弧增材制造成形方法及工艺

采用弧焊机器人进行电弧增材制造，对厚壁结构件的增材制造焊接工艺进行研究. 基于传统分层理论，进行算法优化实现对厚壁结构件成形尺寸预测并加以分析，并在此算法基础上引入单焊道成形尺寸神经网络预测模型，提高预制件模型分层精度及实际焊接参数的最优选择；针对带有内孔等特征的厚壁结构件在成形过程中焊缝边缘下塌现象，提出了“边界约束”焊接方式并对层间焊接轨迹进行规划，提高了预制件表面成形质量.最后焊制具有说明性的实体件验证预测算法及轨迹规划的准确性. 结果表明，结构件成形良好，尺寸误差小于1 mm.     

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。     

电弧增材制造过程的外形控制优化

电弧增材制造由于其高堆积速率、高材料利用率、低设备费用及可制造大型构件的能力而广受关注,但由于电弧增材制造在同向堆积时存在起弧处堆积高、熄弧处堆积低的问题,影响了电弧增材构件的外形精度。基于现有设备,通过优化电弧增材制造过程中的堆积策略,从而显著改善堆积件的外形精度。相较于未优化,优化后的堆积件起弧处相较于正常段高度降低20.5%,熄弧处相较于正常段高度增加44.5%,起弧处与熄弧处的高度差减少36.4%。     

水蒸气保护堆焊技术与堆焊层质量控制

对水蒸气保护堆焊电弧及熔滴过渡的特点进行了分析和研究,若使送丝速度、焊接电流、焊接电压三者参数很好匹配,可使焊接过程呈“燃弧-熄弧-短路”形式,熄弧时间最短时,短路过渡频率最高,在这种情况下,焊道成形好、飞溅小、焊接过程稳定.结合生产实际,提出了水蒸气保护下常用堆焊工艺参数,以及焊接过程中的堆焊层质量控制方法.     

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.     

复杂结构薄壁件电弧增材制造离线编程技术

将增材制造技术和弧焊机器人技术相结合,对复杂薄壁件进行电弧增材制造技术研究. 首先在传统的分层方法的基础上,对成形过程中高度变化的几何模型进行预测并分析,再通过机器人的离线编程与轨迹规划技术,实现成形轨迹的自动提取. 进一步利用圆弧离散局部逼近算法,对复杂薄壁件的切片截面进行微分,计算出四元数矩阵,实现焊枪位姿自动调整;并对焊接工艺进行改良,保证成形质量. 最后通过焊制部分薄壁件进行试验验证. 结果表明,薄壁件成形质量良好,预测尺寸与实际成形尺寸误差不超过1 mm.     

碳钢旁路热丝PAW增材制造成形及组织和性能调控

为了解决电弧增材制造过程中电弧热输入过大导致成形较差、晶粒粗大等问题,以H08Mn2Si碳钢为增材材料,进行了旁路热丝等离子弧(PAW)增材制造成形及组织优化. 首先在单层单道沉积试验中,研究了主/旁路电流比对熔敷成形和热输入的影响;然后进行多层单道沉积试验,分析了不同层间温度下碳钢的成形、微观组织以及硬度;最后对成形良好的增材样件进行了拉伸性能测试. 结果表明,当主/旁路电流比较小时,可以获得表面均匀光滑的熔覆层、母材稀释率可减小至10%;当控制层间温度为较低的温度100 ℃时,增材成形表面质量较好,试样中间稳定区域处的微观组织晶粒尺寸细小,珠光体占比增加,平均硬度最高可达到294 HV;拉伸试验表明其强度性能以及塑性性能在各方向上均匀一致,断裂形式为韧性断裂.     

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。     

铝合金激光诱导MIG电弧增材制造成形尺寸规律

为了研究铝合金激光诱导MIG电弧增材制造过程中各参数对薄壁结构件成形尺寸的影响规律,利用二次通用旋转组合方法设计正交试验样本,通过二次回归方程建立了工艺参数（电弧电流I、堆积速度v、层间温度T、激光功率P）与成形墙体稳定区域的尺寸预测模型,并研究了单个工艺参数对试件成形的影响,经验证发现模型预测效果较好.结果表明,当电弧电流大于106 A时,参数对层宽的影响顺序由大到小为,电弧电流、层间温度、堆积速度、激光功率;参数对层高的影响顺序由大到小为,电弧电流、堆积速度、层间温度、激光功率.     

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CMT的钛合金电弧增材制造技术研究现状与展望

钛合金高强度、高耐热的特性决定了其在航空航天、船舶制造等领域的广泛应用,但由于钛合金的难加工性,使得传统锻造+机加的方式模具损耗严重、制造周期长。增材制造作为一种制造成本低、成形效率高的绿色化制造工艺,凭借其无需模具、直接成形的优势在钛合金制造领域受到国内外学者的广泛关注。电弧增材制造技术相较于其他增材工艺(如激光增材制造、电子束增材制造等)沉积效率更高,不受零件尺寸的限制,在大型和超大型结构件的制造中具有突出优势,其中基于冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)的电弧增材制造技术由于沉积过程更稳定、热输入量更低,已逐渐成为钛合金增材制造领域的研究热点。文中对基于冷金属过渡的钛合金电弧增材制造技术的研究现状进行综述,介绍钛合金打印件的微观组织和力学性能特征,总结分析了成形参数对打印件微观组织与力学性能的影响规律,并概述了形核条件调控、轧制和超声冲击等辅助技术对打印件微观组织与力学性能的影响机制,最后展望了钛合金CMT电弧增材制造的未来发展趋势。     

不锈钢增材制造件的激光超声表面波声速研究

利用激光超声技术对增材制造件进行无损检测具有重要的理论和应用价值。因此,针对不同激光功率下制备的316L不锈钢增材制造样品进行试验。利用激光超声在样品不同成型方向上测试,对表面波声速进行了表征。结果表明:不同激光功率下制备的316L不锈钢增材制造件的成型质量与表面波传播速度有着密切的关系,而且同一增材制造件在不同成型方向上的表面波声速也有明显的差异,具有各向异性。实验结果对研究316L不锈钢增材制造材料的表面声学特性以及金属增材制造材料的激光超声质量检测具有重要参考价值。