双面堆积对电弧增材制造直壁件变形及应力的影响

针对传统电弧增材制造单面堆积所导致单向热累积问题,文中提出采用双面堆积的策略,即在基板的两面交替堆积相同的材料来平衡传统单面堆积的单向热输入产生的围绕成形件中性轴的较大的弯矩,从而减小单面堆积成形件的单向翘曲变形,并通过单道4层直壁零件的单面堆积和双面堆积的热力耦合数值仿真和对应的试验进行验证。研究结果表明,双面堆积策略可有效减小基板和直壁件的翘曲变形,改善成形件残余应力分布,从而验证了所提出策略的有效性。文中的研究结论可以为电弧增材“形、性”并行的调控提供理论依据和参考。     

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。     

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.     

金属件熔融堆积3D打印过程热应力场数值模拟

针对熔融堆积3D打印过程中由于热应力场变化导致成形金属件出现翘曲变形的问题,建立了单层铋锡合金件熔融堆积3D打印成形过程的数值分析模型,研究了不同成形路径和堆积速度下热应力场的分布和变化规律,及其对制件翘曲变形的影响。研究结果表明:采用沿短边的成形路径以及提高堆积速度,可以显著降低成形过程中的热应力及其波动性变化,从而减小制件翘曲变形量。在与模拟过程相同的参数条件下,利用自行搭建的金属件熔融堆积3D打印成形实验平台进行了单层铋锡合金试样成形试验对比研究,试验结果与模拟结果基本吻合。     

金属直壁筒形件数控增量成形工艺研究

分析了金属板料数控增量成形中板料变形的原理,探讨了不使用专用支撑而成形直壁筒形件的可行性和方法.基于增量成形过程中各区域材料变形不均匀的特征,提出了通过扩大主要变形区范围来提高变形效率和变形质量.优化了直壁筒形件的多道次数控增量成形工艺路径.通过实验验证了所优化设计的工艺方案.     

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.     

熔融沉积成形试件翘曲成因的分析与优化

以熔融沉积成形过程中成形件的翘曲变形为研究对象,分析变形产生的原因及其作用机理,建立了成形过程中成形件翘曲变形的理论模型,分析了堆积层数、成形室温度、试件尺寸和扫描速度对成形件变形的影响。针对以上因素设计试件进行正交试验,研究各因素对翘曲变形的影响程度,得出最大程度减小成形件翘曲变形的最优因素组合,提出了减小成形件翘曲变形的相应措施。     

铝合金电弧增材制造成形工艺与性能研究

采用ER5356铝合金焊丝,在AA6061铝合金基板上进行TIG电弧增材制造成形试验,研究焊接电流和预热温度对增材制造成形的影响,分析增材制造成形件的显微组织,并测试其力学性能。结果表明:热输入对铝合金的增材制造成形影响较大,以熔宽作为成形件热输入量指标进行相应电流调节,可实现铝合金的增材制造成形。成形件与基板结合良好,结合处和沉积层层间均为柱状树枝晶,沉积层为等轴晶,顶层由于良好的散热环境,呈现出细小树枝晶向等轴晶转变趋势。成形件的硬度分布较为均匀,平均硬度为71.3 HV。成形件的屈服强度为112 MPa,抗拉强度为255 MPa,伸长率为28.3%,拉伸断裂为典型的韧性断裂。     

基板厚度对薄壁件GMA增材制造温度场的影响

对环形薄壁件GMA增材制造温度场进行数值模拟,采用热循环试验对计算结果进行验证,并研究基板厚度对堆积过程温度场的影响. 结果表明,基板厚度增加,熔池最高温度降低且长度减小,“拖尾”状况改善明显. 第一层中点热循环曲线上的波峰和波谷随基板厚度增加而降低,波峰差值先增大后趋于稳定,波谷差值先保持稳定再减小. 熔池轴向最大温度梯度随基板厚度增加而增大,但增量逐渐减少. 熄弧时刻,基板厚度增加,各层中点的轴向温度梯度增大,但随堆积高度增加,轴向温度梯度上升趋势明显减弱.     

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.     

金属桁架结构成形工艺分析

针对电弧增材制造过程中桁架结构难以制造的问题，提出一种基于冷金属过渡（CMT）点焊工艺的逐点添加空间桁架结构增材制造技术.通过工艺成形试验获得最优的工艺参数，并对桁架结构焊接过程进行受力分析，建立桁架结构制造过程受力数学模型，有效地解决了成型过程中立柱的下榻、熔滴在立柱上的下淌以及焊枪轮廓与构件的碰撞问题.通过受力分析数学模型得出，焊枪以垂直于基板的方向对桁架结构进行堆积时，桁架立柱出现下塌现象的临界角为50°.将数学模型与桁架结构成型路径策略相结合，可以对复杂立体特征桁架构件进行增材制造.最后通过改变单个立柱弯曲角度的桁架结构增材试验，得到满足成型精度要求的桁架结构件，验证了数学模型的正确性及桁架焊成形方法的可行性.     

摆动参数对铝合金电弧增材制造薄壁成形形貌及尺寸的影响

电弧增材制造成形普遍存在结构件的形貌误差较大和精度控制难的问题,针对摆动钨极惰性气体保护焊(Weaving-gas tungsten arc welding, W-GTAW)热源铝合金增材制造过程,研究了不同摆动角度及摆动左右停止时间条件下增材制造薄壁的尺寸和成形形貌特点。对比常规GTAW电弧增材制造,W-GTAW薄壁成形件可以获得更小的基板熔透量,并且摆动速度和摆动左右停止时间越小,薄壁高度越高,当摆动速度为3.0×10^-2 rad/s、摆动左右停止时间为0.15 s时,薄壁熔覆高度为15.91 mm,仅次于常规GTAW薄壁成形件;对于薄壁壁厚,在电弧摆动左右停止时间为0.25 s条件下的W-GTAW成形件壁厚为13.83 mm,相较于常规GTAW壁厚增加了2.67 mm,并且此条件下基板两端翘起角度仅为0.2°;对比常规GTAW增材制造技术,W-GTAW得到了最大精度为0.92的薄壁,而在试验条件下,适当增大摆动角度和摆动左右停止时间,薄壁尺寸精度可以得到进一步提升。     

选择性激光烧结的翘曲变形与扫描方式的研究

在研究选择性激光烧结工艺(Selective Laser Sintcfing,简称SLS)成形误差的基础上,分析造成SLS成形件翘曲的原因,构建了一种新的翘曲变形模型.并以此模型作为基础,提出一种新的光栅扫描方式.通过试验验证,此扫描方式可以有效地降低SLS成形件的翘曲变形,提SLS成形件精度.     

扫描方式对中空环形激光熔覆层残余应力及基板变形的影响研究

目的 揭示激光熔覆过程基材变形演变机理,同时研究不同扫描方式对中空环形激光熔覆层残余应力分布及基材变形的影响规律,以期减小熔覆层残余应力,控制基材形变量.方法 利用有限元分析软件ANSYS APDL编程语言,首先建立单道模型,探究了熔覆过程基板变形演变机理;其次建立单层多道有限元模型,模拟了6种不同扫描方式对激光熔覆层残余应力分布及基材翘曲变形的影响.基于"光束中空、光内送粉"熔覆工艺,开展了基板翘曲变形量实验研究.结果 数值模拟结果表明,基板在激光熔覆起始阶段产生了背向光源的弯曲变形,随着冷却的进行,开始转变为面向光源的翘曲变形.以减小熔覆层残余应力为评价指标,获得不同扫描方式的优越性排序为:沿长边往复扫描方式>沿短边往复扫描,外螺旋式扫描>分块式扫描>内螺旋式扫描>往复扫描.从降低基板翘曲变形程度来看,不同扫描方式的优越性排列为:沿长边往复扫描方式>沿短边往复扫描,分块式扫描>内螺旋式扫描>外螺旋式扫描>往复扫描.实验测量结果表明,基板变形程度的趋势与数值模拟结果一致,验证了数值模拟的正确性.不同扫描方式下,熔覆层残余应力水平与基材翘曲变形程度基本呈正相关趋势.结论 采用分块扫描方式可以显著降低熔覆层残余应力分布,改善基材翘曲变形程度,为提高中空环形激光熔覆成形质量路径规划选择提供参考.     

AC-TIG电弧增材Al-4.2Cu-1.3Mg铝合金构件特征

以新研制的φ1.6mmER2024(Al-4.2Cu-1.3Mg)铝合金丝材为填充材料,开展AC-TIG电弧增材制造直壁构件的试验研究.结果表明,采用AC-TIG电弧热源制备Al-4.2Cu-1.3Mg铝合金直壁试样,成形稳定,通过脉冲调制电弧(AC-P-TIG)调控热输入可有效控制成形尺寸,并显著减少气孔缺陷;Al-...     

增材制造中的支撑设计

增材制造成形工件悬垂部位需要添加支撑,以避免成形过程中出现塌陷、翘曲变形,防止工件在后续处理中变形或断裂。支撑设计是增材制造工艺设计的重要内容,主要包括悬垂面的识别、支撑结构的设计、支撑的布置以及支撑和成形件接触形式等,其与成形工艺、成形材料、工件悬垂结构特征等因素有关。非金属材质的增材制造的支撑设计基本成熟,但是金属增材制造的支撑还处于研究阶段。通过分析比较各主要增材制造成形工艺的支撑设计研究进展情况,重点研究了选区激光熔化(SLM)成形金属工件的支撑设计,并展望了支撑设计未来发展方向。     

平板对接焊接变形的数值模拟

本文借助于ANSYS有限元分析软件,采用半椭球热源模型与生死单元法对厚度为8mm的低碳钢平板对接熔化极气体保护焊焊接过程进行数值模拟,分别模拟了单面双道焊和双面焊两种不同工艺条件下焊接的温度场、应力场及焊接变形并进行比较。结果表明：单面双道焊的焊缝截面积较大且沿板厚不对称,施焊后焊件所产生的横向收缩量及翘曲变形较大。通过实际施焊及检测验证了模拟结果的准确性。     

管壁异形渐进翻孔成形的力与变形特征分析

管壁渐进翻孔成形是传统渐进成形这一柔性成形工艺的重要扩展。针对圆管与方管管壁的长圆形和矩形翻孔,设定了8组渐进成形参数的加工方案,探讨了不同加工条件下管壁变形特点及其影响因素。研究发现:采用改进工具头以及"预翻+整形"方式,能够实现曲面结构的复杂翻孔加工;由于几何形状和材料流动性的差异,方管渐进翻孔的成形载荷远大于圆管渐进翻孔的成形载荷;就不同翻孔位置的减薄率而言,圆弧端最大、圆弧过渡端次之、直壁端最小。采用增加渐进翻孔的预翻量、选择直壁端进刀、减小进给量,以及采用顺-逆时针相结合的递进方式等措施,有助于消除破裂、金属堆积等缺陷,从而提高管壁渐进翻孔成形质量。     

工艺参数对侧向搅拌摩擦增材成型的影响

对铝合金单层侧向搅拌摩擦增材制造进行了研究,分析了工艺参数对侧向搅拌摩擦增材表面成形和内部宏观形貌的影响.结果表明,增材后基板区晶粒受热输入影响发生长大,增材区和结合区晶粒得到细化.增材速度过慢会因"二次增材"在增材表面形成波纹.下压量一定时,可以通过提高旋转速度和降低增材速度增加热输入,以提高材料软化程度来减弱毛刺现...     

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.