冷金属过渡电弧增材制造多道搭接工艺研究

基于冷金属过渡(CMT)电弧增材制造技术,以2319铝合金为堆积材料,恒定送丝速度与不同焊接速度得到6组单层焊道,分别采用标准曲线对单层焊道截面轮廓进行拟合,结果表明抛物线和圆弧曲线的拟合效果均较好。在损失较小模型精度的情况下简化搭接模型,基于抛物线曲线建立单层多道斜顶搭接模型,理论推导最优搭接间距为0.715倍单道宽度。为了验证模型的正确性,采用不同搭接间距成形单层两道进行试验验证,并将其与传统的平顶搭接模型进行对比。试验结果表明斜顶模型更加符合CMT电弧增材制造工艺过程。当搭接间距确定后,研究表明当单层焊道成形高度降低时,搭接表面不平度随之减小,有利于后续多层多道堆积成形。基于优化后的搭接参数,成形多层多道样件,成形形貌良好,三个方向的拉伸力学性能表现出各向异性。     

纵向稳态磁场对电弧增材成形零件表面质量和性能影响的研究

外加磁场作用是影响电弧增材成形过程与成形零件性能的有效方式之一。为了研究外加纵向稳态磁场对低碳钢电弧增材成形零件表面质量和力学性能的影响,搭建基于GMAW的纵向稳态磁场辅助电弧增材成形装置,采用形貌分析、金相观测、性能测试的方法对比分析有/无外加磁场作用下成形试样表面质量、微观组织及力学性能差异。结果表明:相比普通熔积,外加磁场作用下,单焊道宽高比增大,形成宽而平的焊道横截面形貌,从而有效地改善搭接精度并提高熔积层表面质量,电磁搅拌作用还能够细化晶粒,减少熔积缺陷以及多道搭接区域的晶粒分布的不均匀性。此外,外加磁场作用还改变了铁素体和珠光体的占比和分布形态。力学性能测试显示,磁场作用使得成形样件在熔积方向和搭接方向的力学性能有一定的提升,力学性能的各向异性减小。     

高氮钢-不锈钢电弧增材制造表面形貌研究

为了对异质材料电弧增材成型的结构机理进行研究,采用机器人电弧增材成型技术,对高氮钢多方式(普通单道、单道多层、多道单层)沉积表面进行分析,筛选最佳工艺参数、焊道间间距,进行电弧交织结构的增材成型。试验结果表明:高氮钢单道焊缝随着沉积速度增大,表面气孔减少;高氮钢多层多道沉积时,送丝速度增大,表面气孔增多;通过最佳焊道间距的预测,得到的过渡层表面平整,表面成形精度达到亚毫米级。     

ER120S-G高强钢电弧增材制造的工艺优化

针对ER120S-G高强钢电弧增材制造搭接间距的工艺优化问题,采用脉冲熔化极气体保护焊(GMAW-P)工艺,对5组单层焊道进行Canny边缘提取和高斯平滑滤波,并选用不同函数对单道形貌进行拟合。比较了常规搭接模型和优化的斜顶搭接模型,并计算出它们的最优搭接间距。研究结果表明,对于高强钢GMAW-P工艺,采用正弦函数拟合焊道边缘的效果最佳,并且采用优化的斜顶搭接模型得到的最优搭接间距为0.66倍的单道宽度。基于上述优化结果试验成形了多层多道块体样件,成形表面质量良好无缺陷,块体组织主要为针状铁素体、粒状贝氏体以及M-A组元等,抗拉强度呈现一定的各向异性。     

搅拌摩擦处理对镁合金电弧增材修复层缺陷调控

镁合金电弧增材冷金属过渡焊(Cold metal transition, CMT)电弧增材过程中存在导热快、结晶不规则等问题,易在搭接处形成明显孔洞缺陷,且零件表面粗糙,研究修复层缺陷调控对镁合金增材制造修复的发展和实际应用具有重要意义。研究表明,镁合金CMT快速增材制造实现了多焊道的搭接,并获得细小的晶粒(约10.5μm),平均显微硬度达0.89 GPa,具备较高的力学性能;经过搅拌摩擦处理,不仅改善了表面质量,还消除了焊道搭接与基板的界面处孔洞,晶粒得到进一步细化(约9.7μm),降低材料服役过程中的断裂风险。重点验证了镁合金电弧熔覆与搅拌摩擦处理复合制造的可行性,为高性能镁合金增材制造方法提供了新的思路。     

不同沉积路径冷金属过渡电弧增材制造H13钢成形件的显微组织和硬度

在不同沉积路径下采用冷金属过渡电弧增材制造技术制备了H13钢成形件,基于热-弹塑性有限元法对成形件的热历程进行了分析,并通过试验研究了成形件的显微组织和硬度。结果表明：同向和双向路径沉积得到5层单道和单层5道成形件的热历程基本一致,双向沉积5层单道成形件第3层中间点的峰值温度远高于双向沉积单层5道成形件第3道中间点,5层单道成形件的热累积效应更明显;5层单道成形件的板条状马氏体组织比单层5道成形件的粗大;同向沉积5层单道成形件在同一高度上的硬度略高于双向沉积成形件,同向沉积和双向沉积单层5道成形件在水平方向的硬度分布基本相同,5层单道成形件的平均硬度略低于单层5道成形件。     

基于Workbench的316L不锈钢增材制造温度场数值模拟研究

利用Workbench有限元分析软件，采用生死单元与移动热源结合的方法对电弧增材过程温度场进行研究，实现了不同工艺参数下增材制造过程温度场数值模型的建立与求解。结果表明：固定输入条件下成形件多层累积增材过程中热量积累效应逐层增强；相同热输入下，增材第1层至第10层，增材过程中焊道中点温度由2 354.9℃升高到2 879.7℃；控制层间冷却时间、改变逐层热输入均可减少热量的累积，通过控制层间冷却时间使得层间温度低于600℃，同时改变逐层热输入参数使增材过程最高温度降低了约10%。     

电弧増材制造厚壁结构焊道间距计算策略

对单层多道电弧増材制造结构的形貌特征进行研究。发现单条焊道形貌、焊道间距和焊道数目共同决定单层多道结构的最终几何形貌。因此,当焊接参数确定后,焊道间距将在最大程度上影响着单层多道结构的表面平整度。为获得较为合理的焊道间距,总结其他学者在该问题上所用的计算模型。借助于试验手段,阐述传统模型在铝合金电弧增材制造应用中的不足,包括在模型推导过程中采用焊道轮廓近似而产生的误差和模型在使用过程中的局限性。通过对传统模型进行修正,建立一种基于焊接速度、送丝速度和余高的新型焊道间距计算模型。采用试验的方法,对该模型的实用性进行验证。试验结果显示,该模型能够在较为宽泛的参数范围内计算单层多道结构的最佳焊道间距。     

电弧增材成形轨迹曲率对熔积层形貌的影响

在高效低成本电弧增材熔积成形过程中,熔积成形轨迹对熔积层形貌有重要影响。为了掌握成形轨迹对熔积层形貌的影响机理,借助于机器人MIG焊技术,以ER316L不锈钢为成形材料,研究了成形轨迹不同曲率半径对圆弧焊道焊宽及余高的影响。结果表明,电弧增材成形圆弧轨迹对电弧形态及熔滴过渡的影响主要来源于磁偏吹效应;在成形速度不变的情况下,随着轨迹曲率的增加,焊宽逐渐变宽,余高整体升高。     

高能密度聚焦光束粉末堆焊质量的研究

研究了堆焊材料组成和堆焊工艺参数对光束粉末堆焊质量的影响规律。单道单层堆焊时,预涂粉末厚度过大将导致堆焊层与母材结合不良,反之,因过高的稀释率堆焊层宏观硬度则显著下降。多层堆焊时,易产生堆焊层横向裂纹、焊道边缘气孔及层间结合不良等堆焊缺陷。多道搭接堆焊时,易产生相邻焊道搭接部位的未熔合。在镍基合金中加入与其相互润湿的金属陶瓷相（镍包WC）,并控制其加入量是获得优质复合堆焊层的关键。合理控制堆焊热输入、对焊道焊趾部位的清理,以及堆焊过程中对熔池采取合理的保护,可获得无缺陷的大厚度、大面积堆焊层。     

焊接速度对电弧增材熔池流动及焊道形貌影响的数值模拟研究

焊接速度对电弧增材成形过程中传热传质以及焊道成形有重要影响，为探究其影响机理，建立TIG电弧增材成形过程的三维瞬态数值模型，采用VOF方法追踪熔池自由界面，研究不同焊接速度下单道熔积成形过程中的传热及熔池流态，并分析焊接速度对单道焊道形貌的影响。数值模拟结果表明，随着焊接速度减小，熔池的热积累增强，体积增大，熔池表面峰值温度提高，弧坑深度也加深；同时，在电磁力和熔池表面力的共同作用下，熔池表面流速峰值随焊接速度减小而减小，熔池内部流速增大，对流更充分。此外，随着焊接速度减小，成形焊道的宽度和高度均有不同程度的增加。相同条件下的试验与数值模拟的焊道轮廓对比验证了数值模拟结果的有效性，研究结论可为电弧增材技术的工艺参数调控提供理论支撑和依据。     

冷金属过渡电弧增材制造H13钢块体的显微组织与力学性能

采用机器人辅助冷金属过渡电弧增材制造技术制备五层十五道结构的H13钢块体,研究了沉积块体的表面质量、显微组织和力学性能。结果表明:H13钢块体表面无宏观裂纹;块体主体区组织为晶粒取向均匀的针状马氏体,搭接区组织由晶粒取向杂乱的针状马氏体和不规则铁素体组成;块体主体区的平均显微硬度为479HV,远高于退火态H13钢的(254HV),而搭接区因存在铁素体,其硬度明显降低,平均值仅为381HV;冷金属过渡电弧增材制造H13钢块体的整体拉伸性能优于退火态H13钢的。     

冷金属过渡电弧增材制造5183铝合金温度场的数值模拟

利用有限元分析软件ABAQUS使用生死单元法建立冷金属过渡(CMT)电弧增材制造单道10层5183铝合金模型,模拟分析了增材制造过程中温度场的分布和变化规律,并进行试验验证;采用该模拟方法研究了增材制造路径(单向和交叉路径)、层间冷却时间(20,40,60 s)和焊接速度(400,450,500 mm·min^-1)对温度场的影响。结果表明：模拟得到在CMT电弧增材制造过程中基板某点的热循环曲线的变化趋势与试验结果基本一致,且峰值温度和波谷温度与试验结果的相对误差均不大于8.93%,验证了模型的准确性。随着堆焊层数的增加,熔池峰值温度升高,熔池区域变大;单向路径增材制造会在试样收弧端产生较严重的热积累,而交叉路径可以减弱热积累效应;层间冷却时间越长,焊道中点的峰值温度越低,且降低幅度随冷却时间的延长而逐渐减弱;焊道的峰值温度和波谷温度随焊接速度的增加而降低。     

冷金属过渡加脉冲电弧增材制造4043铝合金薄壁件的组织与拉伸性能

采用冷金属过渡加脉冲(CMT+P)电弧增材制造4043铝合金薄壁件,对比了不同工艺参数下薄壁件的成形性能,研究了成形性能良好薄壁件的组织与拉伸性能,并与CMT工艺下的进行了对比。结果表明:CMT+P工艺下,当焊接速度为8 mm·s-1和送丝速度4 m·min-1时,薄壁件的成形性能最好,且其成形效果接近CMT工艺下的; CMT+P工艺下薄壁件的单层组织由焊道上层的细晶区和焊道下层的粗晶区组成,焊道间存在穿过界面生长的粗大柱状枝晶,CMT工艺下的显微组织为分布均匀的细小柱状晶; CMT+P工艺下薄壁件的拉伸性能优于CMT工艺下的; CMT+P工艺下横向和纵向拉伸试样断裂方式均为韧性断裂,横向与纵向抗拉强度各向异性百分比仅为4%,说明薄壁件的力学性能不存在各向异性。     

GH4169高温合金电弧增材制造焊道成形尺寸预测

采用GH4169高温合金焊丝进行钨极惰性气体保护焊电弧增材制造,采用二次回归通用旋转组合方案建立了焊接电流、焊接速度、送丝速度与单道多层焊道层宽、层高尺寸关系的预测模型,并对计算结果进行了试验验证。结果表明：单道多层焊道层宽和层高预测模型的最大相对误差分别为5.22%,5.82%,表明所建立的预测模型具有较高的可靠性;焊接速度、焊接电流和送丝速度对单道多层焊道成形尺寸的影响是相互耦合的,对单道多层焊道层宽影响最大的因素为焊接电流,对层高影响最大的因素为送丝速度。     

石化容器用2.25Cr-1Mo-0.25V钢的CMT电弧熔丝增材制造工艺及组织性能研究

为探索大型石化筒体根部止口的制造新工艺,采用新研发的2.25Cr-1Mo-0.25V合金丝材,使用CMT电弧熔丝增材制造技术首次堆积2.25Cr-1Mo-0.25V直壁墙,探索增材后的最佳热处理工艺,以改善沉积态显微组织与力学性能。实验发现：增材成形的直壁件内部微观组织主要为板条贝氏体、粒状贝氏体和部分马氏体,堆积方向组织差异明显,显微硬度浮动剧烈,拉伸强度远高于母材,但断裂延伸率较低。对增材后的直壁件施加“消氢处理+去应力处理”和“模拟最小焊后热处理”,发现后者能将其塑性提升至与母材相当。根据显微组织分析,经过“最小焊后热处理”,沉积态的板条贝氏体和部分马氏体可转变成均匀分布的粒状贝氏体,组织间的各向异性显著降低。实验证明,应用新研发的2.25Cr-1Mo-0.25V丝材在最佳的CMT电弧熔丝增材工艺参数下成形直壁件并结合“最小焊后热处理”能够最大程度地改善显微组织和力学性能,最终满足石化容器筒体根部止口的服役指标。相比浇铸-锻造成形止口的工艺,开发的CMT电弧熔丝增材新工艺有望大幅节约生产成本,提高制造效率。     

激光钎焊多层金刚石磨粒Ni-Cr合金成形工艺研究

为实现多层金刚石磨粒逐层激光钎焊成形,从单道扫描到单层扫描,再到多层扫描,系统研究了镍铬合金与金刚石磨粒的多层激光钎焊工艺。通过提取钎焊道与层的截面成形特征参量,对钎焊层截面成形质量进行参数化评价,并结合钎焊层表面形态,对钎焊层综合成形特性进行评价和讨论,研究了工艺参数对钎焊成形的影响。研究结果表明：激光功率与扫描速度是影响钎焊成形的重要因素,不仅影响着合金粉末的熔合程度、熔池宽度,还影响金刚石的分散状态和钎料对金刚石的浸润包裹性,最终影响钎焊层的平整性。当道与道之间的搭接率为30%~40%时,钎焊成形质量较好。在采用逆向扫描策略,扫描道数为10、固定激光功率为700 W、扫描速度为15 mm/s、光斑直径为1.5 mm、搭接率为30%的条件下,实现了多层磨粒的激光逐层钎焊成形,钎料对金刚石浸润包裹充分,钎焊层中间区域平整连续,整体成形质量好。     

基于视觉信息融合的熔丝成形制造路径在线识别

在能源装备制造领域大型构件多层多道电弧焊接和航空制造领域重要构件电子束熔丝沉积增材制造过程中,迫切需要路径在线识别及实时自动导引技术。然而在熔丝制造过程中,相邻焊道之间的几何差异很小,传统的结构光焊缝识别技术无法适应。为解决该问题,针对多层多道电弧焊和电子束熔丝沉积增材制造两种场景,分别设计基于双侧定向光影与结构光信息融合的视觉检测装置,并进行成形试验。试验结果表明,将双侧定向光源单独点亮时获得的焊缝灰度图像作差时,焊道边界附近呈现明显的"高灰度-低灰度-高灰度"的过渡区域。时域融合处理可以有效消除弧光、飞溅的干扰。提出的定向光影视觉信息与结构光传感信息实时融合处理方法,较之已有基于线结构光信息的焊道识别和自动跟踪系统在某些场合具有更强适应性,为保证成形质量和提高生产效率提供了新的技术途径。     

电弧增材制造NiTi形状记忆合金成形与性能

基于电弧增材制造(Wire arc additive manufacturing, WAAM)技术,以NiTi丝(Ni 50.50 at.%)为堆积材料制造形状记忆合金薄壁构件,研究其组织成分、相变特征和力学性能。结果表明,由于不同的热循环条件,沿试样高度方向上每道沉积层微观结构不同,第一沉积层为较大的等轴晶,随着热量累积,晶粒生长趋向为更细小的等轴形态,层间为柱状晶。室温下,试样是奥氏体相(Ni51.10at.%),与丝材相比,电弧增材制造的构件硬度较高且具有更宽的温度变化范围和相变滞后现象。试样拉伸强度约为611.30MPa,延伸率约为19.50%,具有较好的断裂韧性。试样在第一次加载-卸载循环时塑性应变仅为1.01%,8个循环后塑性应变趋于稳定,约为2.68%。     

神钢309LCb不锈钢药芯焊丝单层堆焊工艺试验

采用日本神钢产CO_2气体保护焊用309LCb不锈钢药芯焊丝,在不同焊道搭接量下进行单层堆焊焊接工艺试验。结果表明,焊道搭接量2～3 mm可使单层堆焊过程稳定,焊接工艺性良好,堆焊层距表面3 mm范围内化学成分和铁素体数、金相组织、硬度值、晶间腐蚀、氢剥离以及各项理化性能满足要求。