铝合金熔丝增材制造表面平整度研究

聚焦基于变极性冷金属过渡技术(CMT)的铝合金熔丝增材制造成形表面平整度,以一元化焊接送丝速度和横向相邻焊缝中心间距为变量,进行单层多道增材,通过结构光三维重构精确测量增材样品表面形状并使用平面拟合处理重构数据,定量计算增材表面高度方向上的极差和标准差。结果表明,在一定范围内增大送丝速度可以减少堆焊鱼鳞纹造成的偏差,但会引起焊道相对不稳定,致使增材样品表面总体平整度较差;而相邻焊缝中心间距与单道焊缝宽度的最佳比值与实际焊接工艺有关,仅靠曲线拟合单道焊缝形状和建立重叠模型不能计算预判所有焊接工艺条件下增材制造的成形质量。     

电弧增材制造多层单道堆积的焊道轮廓模型函数

焊道截面轮廓的建模和分析为电弧增材制造过程中的切片、路径规划和工艺自动化提供必要的形貌数据. 采用MATLAB开发基于图像处理和曲线拟合的自适应拟合程序，可以在半椭圆函数、圆弧函数、余弦函数和抛物线函数之间自适应选择合适的拟合模型函数. 基于该程序，研究分析在焊接参数可行域内单层单道焊道截面轮廓最佳数学模型函数的分布情况，以及多层单道堆积过程中不同层数上焊道轮廓的最佳模型函数. 结果表明，自适应拟合程序对焊道截面的轮廓曲线拟合具有较好的精度；在堆焊焊接参数可行域中，单层单道焊道截面轮廓可以用半椭圆函数或余弦函数模型表示；而对于多层单道堆积，半椭圆函数模型对焊道最上层轮廓的拟合精度最高.     

电弧热丝变极性等离子弧增材制造成型尺寸预测

电弧热丝变极性等离子弧(arcing-VPPA)对传热与传质的可靠控制使其在电弧增材制造方面拥有独特的优点。针对单道多层铝合金堆砌试样,利用二次通用旋转组合方法针对性地设计了单壁墙试验样本,通过多次回归方程建立了单壁墙成型尺寸与工艺参数之间关系的数学模型。结果表明,模型能够较好地预测单壁墙的熔敷尺寸,真实值与拟合值基本一致。同时发现,等离子电流、行走速度、送丝速度对层高的影响较为明显,且等离子电流与焊接速度对层高的影响存在交互作用;而对熔宽影响较明显的是等离子电流、变极性脉冲MIG电流以及焊接速度。同时分析了增材成型熔宽尺寸稳定性控制策略,发现等离子电流以等差数列排序的控制方案在增材宽度的稳定性控制上具有明显优势。     

基于MATLAB电弧增材焊道模型的建立与验证

电弧增材技术能够快速低成本地制造复杂零件,因此在航空航天等工业领域的应用日益广泛。由于电弧增材逐层沉积成形的特性,焊道尺寸形状和焊道重叠是其研究的重点,能够影响成形质量和性能。运用曲线拟合得到新的单焊道模型并与传统的抛物线模型进行对比分析,结果表明,新拟合得到的4次多项式焊道模型更能准确表示焊道轮廓。在得到的新模型基础上讨论现有的平顶重叠模型和切线重叠模型,分别计算出了相应的最优中心距为0.645 w和0.703 w(w为焊道熔宽),并通过实验对比发现,切线模型更符合实际焊接情况,推荐焊接时采用0.703 w作为焊道偏移量。     

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.     

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。     

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.     

熔焊成型路径间距对成型影响的研究

熔焊成型中多道焊缝路径间距是影响零件成型精度的原因。本文采用TIG焊作为热源，在焊接工艺参数固定不变的条件下，研究了单层多道熔焊成型过程中路径间距对零件成型中层厚、重合率、平面高度变化最大值等方面的影响。结果表明，选择路径间距为单道焊缝熔宽的6／9时最佳。     

TIG丝材电弧增材制造铝合金薄壁件层宽层高预测

基于TIG电弧增材铝合金多层单道薄壁件成形过程,采用二次回归通用旋转组合设计建立了焊道宽度、层高与主要工艺参数(焊接线能量、送丝速度、层间温度)的预测模型。研究结果表明:焊道层高与层宽预测值与实验测量值相差较小,焊道宽度的最大误差为3.25%,层高的最大误差为4.76%,均在合理范围内,预测精度较高。在成形过程中,影响焊道宽度的主要因素有焊接线能量和层间温度,且影响程度存在交叉;影响层高的主要因素为送丝速度。     

超音频MIG辅助三丝电弧增材制造工艺研究

多丝多弧的增材技术具有更高的成形效率,但是较大的热输入会影响形貌和性能,因而引入超音频电弧以达到细化晶粒并提高熔深的目的。以316L不锈钢作为试验材料,采用MIG焊工艺,自主搭建超音频三丝电弧增材制造平台,基于单丝单道模型,进行了三丝单道单层以及三丝单道多层增材工艺试验研究。结果表明,30 kHz超音频电弧可显著细化熔敷道组织并破坏树枝状结构,横向和水平平均抗拉强度分别提高了81 MPa和23 MPa,水平平均断裂延伸率从18.5%提升到39.3%,且整体提高试件的显微硬度。但若频率过高,超声波带来的能量会过高,从而减缓冷却速度,导致晶粒粗化。     

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。     

厚板多层焊接的焊缝位置修正

针对中厚板多层多道焊接示教繁琐且焊缝坡口会随焊接层数和道数的增加而产生变形的问题，基于激光视觉的机器人中厚板焊接系统，提出一种多层多道和多层单道焊缝位置修正方法。通过在每层焊接之后重新扫描焊缝以获取当前焊缝的三维信息，提取焊缝信息特征并对焊道位置进行修正，以重新设定下一层焊道的起点与终点位置。通过V型厚板多层单道焊接实验与焊缝三维模型焊后分析表明，对焊缝位置进行修正可有效消除由于焊接过程中变形带来的影响，厚板焊接盖面层焊缝余高可平均控制在2 mm以内，提高工业机器人对多层焊接的适应性。     

单道多层电弧增材制造成形控制理论分析

文中采用冷金属过渡（CMT）技术,围绕船用高强钢的电弧增材制造（WAAM）开展研究. 分析不同比例的保护气体对单道单层形貌尺寸的影响. 结果表明,单道单层的润湿铺展能力随着保护气中CO₂含量的增加而提高,并建立了能够准确预测80%Ar + 20%CO₂混合气体保护下单道单层截面轮廓的全周期余弦函数模型. 依据单道多层电弧增材的成形特点,利用面积关系并根据几何形貌建立了单道多层抬升量h的预测模型,抬升量h预测值的相对误差不超过3.50%. 通过建立抬升量预测模型,为单道多层的电弧增材成形控制提供了理论支撑.     

成形参数和搭接量对堆焊成形尺寸的影响

为了分析不同工艺参数对堆焊成形尺寸的影响并确定其最优参数组合,在前期研究的基础上,选取与堆焊成形质量密切相关的3个主要工艺参数,即焊接速度、送丝速度和焊接电压,通过正交试验法设计了焊接试验,并采用极差分析法对试验结果进行了分析。结果表明:焊接速度对焊道熔宽影响最大,而送丝速度对焊道余高影响最大,得到最优参数组合为焊接速度4 mm/s,送丝速度80 mm/s,焊接电压20 V。在此基础上,研究了其焊道搭接量模型,确定出两道焊道之间的最佳搭接距离,通过试验验证了搭接模型的可靠性,最后得到的多道堆焊零件表面平整度较好。     

铝合金电弧增材制造成形质量研究

基于机器人电弧填丝增材制造成形技术,进行了铝合金零件的成形表面不平整问题的分析及改善方法的试验探究。分析了CMT焊接技术的增材成形效果,以及应用在不同焊道时对成形质量产生的影响;分别探究了起弧与熄弧参数、层间轨迹方式、层间冷却时间等因素对成形质量的影响及改善方法。增材制造翼肋零件中,层间沉积中采用了焊道表面测量,再进行铣削加工的方式,作为进一步探究提高成形质量的试证。结果表明,加大起弧电流、降低熄弧电流,往复的层间轨迹方式及不同层间的冷却时间等方法可以提高零件的成形质量。     

熔焊快速成型中焊缝下塌问题的研究

介绍了熔焊快速成型的计算机控制系统，该系统能够在焊接过程中对焊接参数实时调节。应用该系统进行了堆焊试验，对试验结果进行分析得出了焊接工艺参数与成型焊缝熔宽、余高之间的关系。分析了熔焊快速成型中熄弧处焊缝容易下塌的原因，并以焊接工艺参数对焊缝成型影响的研究为依据．提出了一些解决的措施。进行了单道多层和多道多层的堆焊试验，试验证明所提出的方法有效。     

基于等离子焊接的增材再制造焊道尺寸预测模型

建立一个基于遗传算法的神经网络模型对焊道尺寸进行预测。输入层单元为电流、送粉速率、焊接速度、离子气流量;输出层单元为焊道宽度、高度、熔深。采用正交试验方法得出的25组数据作为训练样本,控制变量法得出的16组数据作为预测样本。结果表明:模型预测精度高、效率快,训练误差范围在4.1%内,预测误差范围在6.5%内。并提出将模型应用到单道多层和多道多层增材再制造工艺中的方法。     

基于GMAW焊接快速制造的控形研究新进展

GMAW焊接快速制造是低成本金属零件层制造的重要研究方向,成形精度是评判零件成形质量的重要指标。阐述了单道焊缝截面形态控制中焊接工艺、数学建模、数值模拟以及截面形态表征体系等方面的国内外研究现状,总结了单层多道成形堆积路径规划理论与方法的新进展,回顾了多层多道堆积策略及极限堆积的新实践,并对控形研究中的存在问题进行了分析,最后对未来焊接控形研究内容和发展方向提出了建议。     

镁合金电弧熔丝增材成形质量控制研究

针对镁合金CMT电弧增材制造表面成形质量控制难题,开展了AZ31镁合金电弧熔丝增材制造的沉积行为、成形特性研究,以及单道多层增材构件表面质量控制试验。结果表明:镁合金电弧增材制造的工艺参数优选范围较大,电流为120～160 A、沉积速度为10～12 mm/s时,沉积层宽度均匀一致,宽高比和接触角也较大;采用CMT工艺制备的镁合金单道多层增材试样力学性能无明显各向异性,抗拉强度为243 MPa,屈服强度为109 MPa,断后伸长率在23%左右,显微硬度平均值为57 HV。     

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.