不同工艺参数对金属熔滴沉积成形影响

采用数值计算与试验分析相结合的方法,深入研究了不同工艺参数(沉积距离、扫描速度、熔体温度、基板温度、喷嘴直径等),单颗金属熔滴的沉积、铺展变化,验证了当前模型的正确性.通过对单颗金属熔滴沉积行为的研究,建立了单道/多道水平搭接成形数值计算模型,探索了金属熔滴在小空间、大温度梯度环境下沉积成形中熔体流动、铺展、凝固成形机理,结果表明,在典型特征截面上搭接成形时,通过优化工艺参数,可以获得熔滴沉积中的主要特征因素与成形形貌、内部质量之间的影响规律,为后续复杂金属件的熔滴液流沉积成形提供了技术支持和参考依据.     

金属3D打印成形工艺研究

采用数值计算与实验分析相结合的方法,深入研究了单颗金属熔滴的沉积、铺展变化,验证了当前模型的正确性。通过对单颗金属熔滴沉积行为的研究,建立了单道横向/多层及三维实体零件搭接成形数值计算模型,探索了金属熔滴在小空间、大温度梯度环境下沉积成形中熔体流动、铺展、凝固成形机理,揭示了典型特征截面上搭接成形时,熔滴沉积中的主要特征因素与成形形貌、内部质量之间的影响规律,获得了最优的工艺窗口,为后续电力金具金属件的熔滴液流沉积成形提供了技术支持和参考依据。     

金属熔滴连续沉积、凝固重叠工艺及实验验证

金属熔滴均匀连续沉积是一种新型的3D打印技术和快速原型(RP)技术。本文系统研究了铝熔滴连续沉积到基板表面的瞬态传热传质现象,沉积机理主要包括金属熔体的毛细现象及固液界面的传热、凝固、搭接和重熔。采用VOF方法对连续沉积的金属熔滴在水平固定铝基板表面沉积进行3D建模。针对凝固传热过程中不同参数下熔滴在铝基板表面沉积、凝固进行了研究,通过数值计算与实验验证,各种工艺参数的影响,如喷射速度、基板温度、熔滴直径与碰撞最大铺展因子的影响,显示了很好的一致性。基于上述研究,成形形貌和内部微观结构之间的定量关系进一步验证了金属熔滴连续沉积、凝固重叠工艺的可行性。此工艺为金属微沉积制造实施有效的过程控制提供指导。     

金属熔滴连续沉积、凝固重叠工艺及实验验证（英文）

系统研究了铝熔滴连续沉积到基板表面的瞬态传热传质现象,采用流体体积法(VOF)对连续沉积的金属熔滴在水平固定铝基板表面沉积进行3D建模。针对凝固传热过程中不同参数下熔滴在铝基板表面沉积、凝固进行了研究,通过数值计算与实验验证,各种工艺参数的影响,如喷射速度、基板温度、熔滴直径与碰撞最大铺展因子的影响,显示了很好的一致性。基于上述研究,成形形貌和内部微观结构之间的定量关系进一步验证了金属熔滴连续沉积、凝固重叠工艺的可行性。此工艺为金属微沉积制造实施有效的过程控制提供指导。     

金属熔滴碰撞、铺张数值分析（英文）

基于金属熔滴沉积成形的3D打印技术,金属熔滴沉积成形质量与金属熔滴及基板参数有很大关系。对金属铝熔滴在不同参数下(比如:熔滴直径、滴落速度、比热、导热系数、潜热以及基板温度等)凝固过程中的最大铺展因子关系进行了研究。采用VOF对自由表面进行追踪的方法,建立包括对流和相变的计算方程和能量方程的仿真模型,耦合水平集函数,跟踪熔融粒子与周围空气之间的接口,获得的最大传播因子之间的关系,与在文献中出现的实验数据吻合。     

金属微喷熔滴沉积成型工艺数值模拟

采用半隐式压力关联算法,通过引进VOF函数和分段线性界面结构（PLIC）构建自由曲面,建立了微喷金属熔滴流动和传热数值模型,模拟了7075铝合金熔滴成形过程中撞击速度、熔滴间距、基板温度和熔滴尺寸等工艺参数对成形形貌的影响规律,并对模拟结果进行了实验验证。结果表明：确定合理的撞击速度和熔滴间距是获得好成形精度和质量的关键,熔滴直径为100μm,间距为200μm的7075铝合金熔滴在初始温度为350K的不锈钢基板上以1.5m/s的初速度沉积成形时,可获得较好的成形效果。模拟结果与试验结果基本吻合,较好反映了实际成形过程中熔滴撞击、铺展和固化行为,为该工艺的实际应用提供了参考依据。     

金属微喷熔滴沉积成形工艺数值模拟与验证

采用半隐式压力关联算法,通过引进VOF函数和分段线性界面结构(PLIC)构建自由曲面,建立了微喷金属熔滴流动和传热数值模型,模拟了7075铝合金熔滴成形过程中撞击速度、熔滴间距、基板温度和熔滴尺寸等工艺参数对成形形貌的影响规律,并对模拟结果进行了实验验证。结果表明:确定合理的撞击速度和熔滴间距是获得好成形精度和质量的关键,熔滴直径为100μm,间距为200μm的7075铝合金熔滴在初始温度为350 K的不锈钢基板上以1.5 m/s的初速度沉积成形时,可获得较好的成形效果。模拟结果与试验结果基本吻合,较好反映了实际成形过程中熔滴撞击、铺展和固化行为,为该工艺的实际应用提供了参考依据。     

金属熔滴碰撞、铺张数值分析

基于金属熔滴沉积成形的3D打印技术,其成形质量与金属熔滴及基板参数有很大关系。本文对金属铝熔滴在不同参数下,比如：熔滴直径、滴落速度、比热、导热系数、潜热以及基板温度等,其凝固过程中的最大铺展因子关系进行了研究。采用VOF对自由表面进行追踪的方法,建立包括对流和相变的计算方程和能量方程的仿真模型,耦合水平集函数,跟踪熔融粒子与周围空气之间的接口,获得的最大传播因子之间的关系,与在文献中出现的实验数据吻合。     

基于金属液滴水平重叠沉积工艺对表面形貌和内部质量优化研究

在铝熔滴在铝基板上沉积、凝固过程中,研究了不同工艺参数下的对成形表面形貌和内部质量的影响规律。通过对单一金属液滴沉积行为研究,建立了横向搭接沉积数值模型,并对两个,三个,四个熔融液滴重叠形态的进化和温度变化过程进行分析和实验验证。实验表明：数值模拟与实验结果有良好的一致性,从而得到了最优参数。该研究对实现金属微液滴重叠沉积生产的有效过程控制至关重要,为液滴水平重叠沉积复杂金属提供了技术支持和参考。     

基于单元生死技术的微熔滴沉积成形温度场模拟与试验研究

采用有限单元法和单元生死技术,建立了气动按需熔滴沉积成形温度场计算模型,模拟了7075铝合金薄壁件微熔滴沉积过程温度场的演变规律。结果表明:薄壁件成形温度场随熔滴沉积位置的移动而呈现周向动态变化,不同位置熔滴单元节点的热循环曲线存在不同个数的温度峰值和谷值;随着沉积层高度的增加,1～10层相邻搭接层间熔滴的冷却速率降低,熔滴所在沉积层中的高温区域逐渐扩大,使零件在成形方向上呈现变化的温度梯度,并导致1～10层相邻层间熔滴结合处的晶粒尺寸发生变化。模拟结果与7075铝合金薄壁件微熔滴沉积试验结果基本吻合,较好反映了实际成形过程中零件的温度场变化规律。     

金属液滴垂直搭接成形工艺研究

通过研究铝合金熔滴的垂直搭接过程中不同工艺参数下的对成形表面形貌和内部质量的影响规律。通过对单一金属液滴沉积行为研究,建立了垂直搭接沉积数值模型,并对多个熔融液滴垂直重叠形态的进化和温度变化过程进行分析和实验验证。实验表明：数值模拟与实验结果有良好的一致性,从而得到了最优参数。该研究对实现金属微液滴垂直搭接生产的有效过程控制至关重要,为制造复杂金属提供了技术支持和参考。     

Metal droplet deposition: review of innovative joining technique

Abstract

With pulsed gas metal arc (GMA) welding, many metal droplets per second are pinched off from the welding wire. The resultant continuous flow of metal droplets forms the weldment together with the parts to be joined. Each droplet has a certain heat content that it passes on to its surroundings. The droplet deposition welding process, instead of forming many droplets per second, is able to form only one droplet at any desired moment. This single metal droplet can then be used to make a welded joint. The relatively new welding process of droplet deposition welding can be applied, for example, as a replacement joining technique for brazing and lead-tin soldering. The present paper reviews the history of this welding process and its industrial application.     

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.     

旋转电弧GMAW堆焊短路过渡熔池动态仿真

为探究旋转电弧GMAW堆焊短路过渡时熔池的温度和对流分布规律，利用Flow-3D软件建立三维数学模型，采用球形旋转热源模型，考虑重力、熔滴拖拽力、表面张力、浮力作用，模拟了堆焊状态下，工件材料为Q235的旋转电弧GMAW短路过渡的熔池成形规律. 采用流体体积法追踪熔滴过渡和熔池表面的自由变形,并分析熔滴进入熔池时熔池内部温度场和流场的变化. 结果表明，熔池形成过程中，旋转熔滴对熔池有搅拌作用，并使熔池内部液态金属活性增强，流速变快，熔池内部液态金属体积变大，熔池的宽度变大. 模拟预测的焊缝尺寸、形状与试验吻合良好. 为优化焊接工艺参数、改善旋转电弧GMAW堆焊焊缝质量提供参考依据.     

Manufacturing of micro thin-walled metal parts by micro-droplet deposition

Metal micro-droplet deposition manufacturing technique is a novel direct metal rapid prototyping for building the miniaturized parts. In this paper, the novel direct metal rapid prototyping was proposed to fabricate micro thin-walled metal parts. A direct droplet fabrication experimental system was developed based on the forming principle of micro-droplet deposition manufacture. Several deposition experiments were conducted to investigate the influences of process parameters on the formed wall thickness and deposition accuracy of droplets. The experimental results show that the proper deposition distance Hs for obtaining high deposition accuracy of droplet ranges from 1 mm to 20 mm; the formed wall thickness W can be controlled by selecting different nozzle diameters D and formed angle of deposited droplet θ. According to the experiment results, a micro thin-walled structure with wall thickness of 400 μm was fabricated by adjusting the process parameters. The above research works show that it is feasible to fabricate the micro thin-walled metal parts by micro-droplet deposition manufacturing technique.     

外加磁场对薄壁零件堆焊层形貌的影响

针对薄壁零件在微束等离子堆焊过程中两侧的液态金属下淌导致成形不好的问题,开展薄壁零件在堆焊过程中熔池力学行为分析和熔池成形的控制策略研究. 提出了外加磁场的方法,向熔池施加指向内侧的电磁力,对向下流淌的液态金属进行干预,从而抑制液态金属的流淌. 采用有限元软件COMSOL对工件上产生的电磁场、涡流场及附加电磁力进行仿真分析. 在304不锈钢上开展单道多层堆焊试验,获得了不同磁感应强度下的堆焊层形貌. 结果表明,外加磁场能明显改变微束等离子焊的力学行为和成形规律,并能有效抑制边沿液态金属流淌.     

基于冷金属过渡的电弧增材制造钛合金螺旋桨成形机理及组织性能

通过对基于冷金属过渡(CMT)的电弧增材制造成形过程中电弧形态、电流电压同步信号和熔池形貌的同步检测分析,研究了电弧不同阶段的熔滴过渡形式和熔池金属的受力状态,探明了悬垂结构成形过程中的熔池金属的受力机制,实现了钛合金螺旋桨的成形,并分析成形后的组织性能。研究结果表明,通过对CMT电弧热输入和电弧力的精细控制,能够在无支撑条件下实现螺旋桨叶片的快速成形,同时获得良好的力学性能。在本研究条件下,钛合金CMT增材制造过程中熔滴过渡主要以短路过渡的形式进行,降低基值和短路阶段的焊接电流能够增加悬垂结构倾角,且当I基值/I峰值小于0.3时,钛合金螺旋桨最大倾角达到53.26°。基于优化后的工艺成形船用Ti6321合金,内部组织致密且无贯穿式的粗大柱状晶,力学性能达到同级别锻件标准,水平方向和竖直方向的各向异性不明显。