Wire + Arc Additive Manufacturing

Depositing large components (>10?kg) in titanium, aluminium, steel and other metals is possible using Wire + Arc Additive Manufacturing. This technology adopts arc welding tools and wire as feedstock for additive manufacturing purposes. High deposition rates, low material and equipment costs, and good structural integrity make Wire+Arc Additive Manufacturing a suitable candidate for replacing the current method of manufacturing from solid billets or large forgings, especially with regards to low and medium complexity parts. A variety of components have been successfully manufactured with this process, including Ti–6Al–4V spars and landing gear assemblies, aluminium wing ribs, steel wind tunnel models and cones. Strategies on how to manage residual stress, improve mechanical properties and eliminate defects such as porosity are suggested. Finally, the benefits of non-destructive testing, online monitoring and in situ machining are discussed.     

热锻模药芯焊丝电弧增材制造熔覆层摩擦磨损性能

目的 研究工艺参数、搭接区域对熔覆层组织和性能的影响以及磨损性能的各向异性。方法 在H13基板上分别制备单道多层和多道多层熔覆层。对熔覆试样进行2次高温回火,分别对单道多层和多道多层试样的搭接区与非搭接区进行往复磨损实验。研究多道多层试样平行和垂直于扫描方向熔覆层的磨损性能,结合金相组织,讨论磨损性能与组织的关系。结果 熔覆层的组织为回火马氏体+残余奥氏体+粒状碳化物。与扫描速度8 mm/s相比,扫描速度10 mm/s时熔覆层的残余奥氏体含量更高、硬度更低、磨损轮廓更大。与非搭接区相比,搭接区组织更为粗大、摩擦因数表现更不稳定、磨损轮廓更大。与平行扫描方向相比,垂直于扫描方向的试样摩擦因数更稳定、磨损轮廓尺寸更小。结论 扫描速度8 mm/s时的单道多层熔覆层的磨损性能优于扫描速度10 mm/s时的;多道多层熔覆层搭接区的磨损性能比非搭接区的磨损性能差,与平行扫描方向相比,垂直扫描方向的熔覆层磨损性能表现较佳。     

电弧增材制造技术及其应用的研究进展

电弧增材制造是近年来发展最为迅速的增材制造技术之一,其以电弧为热源,通过熔化金属丝材,在规划的路径上层层堆积成形三维实体金属构件,具有制造成本低、制造自由度与成形效率高等优点,尤其适用于大型尺寸及中低结构复杂度金属构件的形性一体化成形.近年来,电弧增材制造技术在国内外得到了广泛研究与长足发展,在电弧增材制造装备、过程控...     

工艺参数对机器人电弧增材制造成形的影响研究

目的 提高电弧增材制造质量,获得更好的参数匹配。方法 研究机器人焊接速度和层间冷却时间变化对增材件形貌、熔宽、余高的影响规律。选取焊接速度为30 cm/min和40 cm/min,层间冷却时间为30 s和40 s,进行两变量两个水平的全面实验。利用机器人电弧增材制造技术在5 mm厚的316L不锈钢板上进行20层的堆积;在焊道上均匀选取6个点,测得总高、熔宽和余高数据。在此基础上,分析增材件总体形貌及熔宽、余高的变化规律。结果 发现当层间冷却时间达到一定值后,熔池已凝固且温度较低,熔宽、余高变化不大。随着焊接速度提升,熔池单位时间内熔化的金属量锐减,引起增材件熔宽、余高缩小。结论 改变焊接速度对增材件形貌的影响更为明显,层间冷却时间达到一定值后,层间温度不再发生变化,形貌变化不大。     

电弧增材制造路径工艺规划的研究现状与发展

路径工艺的合理规划对电弧增材制造成形过程的顺利进行,以及获取更高精度的成形件和提高成形效率等均有重要意义。先从成形效率、成形精度以及组织性能等方面,对常见的几种填充路径进行综述,然后经过分析总结并且结合实际情况,发现把自适应路径间距和复合式填充路径结合起来更能满足实际生活中的电弧增材制造生产要求,最后结合当前电弧增材制造技术路径规划的研究现状、研究重难点以及相关国家政策指出,电弧增材制造技术的未来发展趋势是实现复杂构件的自动化、智能化和绿色化制造。     

316L不锈钢电弧增材制造工艺研究

目的 研究电弧增材制造过程中焊接速度和层间冷却时间对成形件精度和力学性能的影响。方法 使用316L不锈钢焊丝在钢板上进行20层往复式堆积试验,设置了不同的焊枪运行速度和层间冷却时间,完成了4个金属薄壁墙体的制备,对沉积样品的形貌外观、显微组织、硬度和拉伸性能进行了研究。结果 4组试样的制备过程都比较稳定,表面成形良好,层与层结合较为平滑,层间分明,无裂纹、塌陷等缺陷出现。当层间冷却时间达到一定值时,熔池凝固,样品的成形精度和高度较为稳定。单位时间内加入熔池的金属质量和热输入均随着焊接速度的增大而减小,不同焊接速度下沉积样品的层高和层宽不同。由于焊接速度增大、热输入减小,试样的硬度略微增大,拉伸性能增强。沿薄壁件的构建方向,4组试样的维氏硬度曲线呈波浪形,从每个熔合层的底部到顶部逐渐降低。结论 增材制造工艺参数对产品的成形质量、显微组织和力学性能都有影响,在保证成形过程稳定的前提下,提高焊枪堆积速度能提高产品的力学性能。     

基于逆向成形的电弧增材制造表面质量评价

目的 建立一种基于逆向成形的电弧增材制造表面质量评价方法,研究工艺参数对电弧增材表面质量的影响。方法 依据最小误差原则选用合适的函数建立理想模型,逆向成形各电弧增材试样并得到提取模型,比较提取模型与理想模型的差异,定量描述电弧增材试样表面的成形质量,分析电弧增材试样中缺陷出现的原因,评估各工艺参数对电弧增材试样表面质量的影响。结果 随着工艺参数的改变,电弧增材试样的宽度减小,高度增加,试样的标准偏差值在1.95～2.15之间,均平方根值在2.4～2.9之间。工艺参数经优化后,试样的标准偏差值和均方根值分别减小到1.738和1.878。结论 送丝速度和成形速度的匹配程度对电弧增材表面质量有较大影响,实际成形中出现的非理想情况在此方法的计算结果中均可得到反映,与实际成形情况较吻合。     

基于 CMT 电弧增材的焊缝成形尺寸规律研究

目的研究焊接参数对焊缝成形尺寸的影响规律。方法基于冷金属过渡技术,采用正交试验方法得到在不同参数组合下焊缝熔宽、余高和第2层增高,通过多元线性回归拟合,建立了焊缝熔宽、余高和第2层增高与焊接参数之间的回归模型。结果影响焊缝熔宽和余高的主要焊接参数是焊接速度,影响焊缝第2层增高的主要焊接参数是送丝速度,而层间温度的变化对熔宽会有显著影响,但是对余高和第2层增高的影响不大,而且焊缝第2层的增高与余高在数值上存在较大的差异,对比预测值和试验值验证了回归模型的准确性。结论通过改变焊接速度可以引起熔宽和余高的显著变化,层间温度对余高和第2层增高不会造成很大影响。     

5A06铝合金TIG丝材-电弧增材制造工艺

选用Φ1.2mm的5A06铝焊丝为成形材料,研究TIG丝材-电弧增材制造工艺。以TIG焊机为电源(交流模式),以四轴联动数控机床为运动机构,研究单层和多层成形时预热温度和电流对成形形貌的影响,观察成形件微观组织,并测试其力学性能。建立了单层单道基板预热温度和电弧峰值电流工艺规范带判据,以保证良好成形。结果表明:成形件的高度从第一层的3.4mm急剧下降,直到第8层后高度稳定在1.7mm。层间组织为细小的树枝晶和等轴晶;层间结合处组织最粗大,为柱状树枝晶;顶部组织最细小,由细小的树枝晶转变为等轴晶。成形件的力学性能各向同性,抗拉强度为295MPa,伸长率为36%。     

间隙填充电弧增材制造成形质量及组织性能研究

目的 传统多道焊缝搭接模型存在沉积环境不对称、热量累积严重及最终成形质量差的问题,针对以上情况,提出了间隙填充模型,并研究了该模型对成形质量及组织性能的影响。方法 以4043铝合金为填充材料,探究了沉积顺序、沉积方向、道间冷却时间及CMT电弧模式对搭接质量的影响。确定了多层多道沉积策略,分别基于间隙填充模型和传统搭接模型进行了长方体式试样的沉积,对比分析了所成形试样的成形质量、微观组织及力学性能。结果 当送丝速度为5 m/min、焊接速度为0.6 m/min时,在CMT+P的电弧模式下,采用由内而外的沉积顺序、道间反向的沉积方向及无道间冷却时间的工艺组合所成形试样的搭接质量最佳,所沉积试样的表面不平度低于0.004mm²。结论 由间隙填充模型和传统搭接模型所成形试样的微观组织和力学性能并无明显差异,但基于间隙填充模型的沉积策略所成形的试样的成形质量更好。其顶部微观组织主要由柱状晶组成,底部微观组织以细小的等轴晶为主,中部的热影响区主要为粗大的柱状晶,且晶粒尺寸分布不均匀,而焊缝区主要由细小的等轴晶和柱状晶组成。     

轴类零件电弧熔丝轧制复合增材修复工艺研究

目的 针对电弧熔丝增材修复轴类零件时修复层出现柱状晶粒、修复质量不佳等问题,进行电弧熔丝和轧制复合的增材修复工艺研究。方法 研究了电弧熔丝和轧制复合的轴类零件修复工艺,即在焊枪后紧邻一个轧辊,对沉积层进行轧制,使材料在高温下发生塑性变形。开发、制造和测试了一种新型设备,并在316L不锈钢轴上进行了修复实验。研究了轧制对修复件拉伸性能、硬度和微观结构的影响,并对沉积层和结合界面进行了电子背散射衍射(EBSD)表征。结果 轧制导致了动态再结晶(DRX)形核从而细化了微观组织。与基体金属相比,修复层的硬度提高了20%~30%,屈服强度从220 MPa提高到432 MPa,极限抗拉强度从540 MPa提高到595 MPa。结论 采用电弧熔丝和轧制复合的修复工艺可以细化修复层微观组织,提高修复层的力学性能,该工艺可以有效解决轴类零件的修复问题。     

电弧增材制造TC4钛合金宏观晶粒演化规律

由于电弧增材制造是目前众多增材制造方法中的研究热点之一,且TC4是研究最广泛的钛合金,因此本工作研究了电弧增材制造TC4直壁墙的宏观组织演变。首先通过单道单层实验修正双椭球热源模型的形状参数,应用修正后的模型模拟四组直壁墙成形过程中的温度场及温度变化速率,通过模拟结果分析组织的演变规律。直壁墙底部为等轴晶组织,上部为柱状晶组织。低焊接电流有助于等轴晶的形成,但等轴晶区的尺寸及等轴晶的大小与线能量密度无关。     

电弧增材制造TC4微观组织调控及力学性能研究

目的 研究固溶时效处理对电弧增材制造TC4钛合金微观组织和力学性能的影响规律。方法 设置了1组时效处理(AT,600 ℃/2 h/空冷)和2组固溶+时效处理(SA1,800 ℃/1 h/炉冷+600 ℃/2 h/空冷;SA2,870 ℃/1 h/炉冷+600 ℃/2 h/空冷)策略,对电弧增材制造TC4钛合金进行了热处理试验。通过扫描电镜(SEM)进行微观组织形貌和断口形貌观察,通过拉伸试验机进行室温力学性能测试。结果 沉积态试样的微观组织均匀性较差,主要由马氏体α¢相、网篮组织、不连续的晶界α相(α Grain Boundary,αGB)和集束组织构成。AT并未完全消除马氏体α¢相,但提高了其延展性。经固溶+时效处理后,马氏体α¢相消失,晶粒内部主要由网篮组织和αGB组成。平均抗拉强度由沉积态的999.67 MPa降低到SA2的936.46 MPa,而平均延伸率从6.23%提高到12.48%,且SA2样品显示出更低的力学性能各向异性。其中沉积态试样抗拉强度、屈服强度和延伸率的各向异性值(IPA)分别为4.82、0.96和28.7。SA2试样抗拉强度、屈服强度和延伸率的IPA分别为0.3、0.42和5.56。结论 固溶时效处理有助于提高电弧增材制造TC4钛合金微观组织均匀性,并显著降低力学性能的各向异性。     

Fabrication of Titanium Aluminides via Powder-Cored Wire Arc Additive Manufacturing: Microstructural and Mechanical Characterization

Herein, an innovative powder-cored wire arc additive manufacturing (PC-WAAM) process is proposed to fabricate γ-TiAl thin-walled intermetallic alloy. The metallography, phase composition, and mechanical properties at different thin-wall locations are characterized. The results show that the alternatively distributed layer-like microstructure composed of α₂ (Ti₃Al) and γ (TiAl) phases is obtained along the building direction. The content of α₂ phase exhibits the tendency of decreasing from the bottom to top region. This unique microstructure characteristic is closely related to the typical thermal cycling history during deposition. Moreover, the tensile strength and microhardness of the top region are lower than the middle and bottom region. In general, the current PC-WAAM technique shows promising capability of fabricating γ-TiAl intermetallic alloy with low cost. This work becomes a valuable reference for understanding the evolution mechanism of microstructure and paves the way for the flexible and customized additive manufacturing of γ-TiAl alloy.     

410马氏体不锈钢块体材料的冷金属过渡焊电弧增材制造与性能表征

电弧增材制造具有效率高、成本低和不受成形尺寸限制等独特优势,在新型制造、修复领域拥有良好的应用前景.获得力学性能良好、显微组织均匀的电弧增材制造件是目前急需解决的问题.通过冷金属过渡焊(CMT)丝材电弧增材制造系统,制备了两种410马氏体不锈钢块体材料.光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和力学性能测试结果表明,现有工艺可制备显微组织均匀、硬度平均值为530HV、抗拉强度平均值为1 196 MPa且延伸率均匀的沉积件.本工作还探讨分析了电弧增材制造件的力学性能特点及成因,并与锻造、激光增材制造等方法制得的H13热作模具钢的力学性能进行比较,分析了电弧增材制造件的性能与其他方法制备的工件性能存在差异的原因,考察了冷金属过渡电弧增材制造410不锈钢在修复件中使用的可行性,阐述了提升电弧增材制造件力学性能的方向.     

立上电弧增材制造板件的成形精度影响与优化

目的 针对悬臂结构立焊位置成形质量差的问题,本研究旨在探究电弧增材制造工艺参数对悬臂结构多道搭接质量及组织的影响规律,以实现悬臂结构工艺参数的预测与优化,从而提高多道搭接焊道表面质量与内部组织性能。方法 采用响应面Box-Behnken方法,分析焊接电流、焊接电压和偏移量对焊接接头成形与性能的影响规律,建立了工艺参数与焊接接头响应指标的数学模型。结果 试验结果表明,表面平整度与焊接电压成正比,与搭接率成反比;偏移量的增加先使总高减小,然后有所增加,而焊接电流与总高成正比;偏心率与焊接电流成正比,与搭接率成反比。以平整度大、总高大、偏心率接近于1为优化目标,最佳工艺参数为电流85.4 A,电压22 V,偏移量为3 mm。与预测值相比较,实际值的平整度、总高和偏心率的误差率分别为0.48%、4.40%和1.89%。研究还探究了单道多层焊接接头组织性能与工艺参数的关系,发现了焊接热影响重合区组织细化的现象。结论 研究结果验证了所构建数学模型的可靠性,对改善高难度悬臂结构制造的形貌以及提高成形质量具有重要的指导意义。     

电弧增材制造技术及其在TC4钛合金中的应用研究进展

增材制造是于20世纪80年代中期发展起来的一门新兴技术,因能快速精确地制造出形状复杂的结构件而受到广泛关注。电弧增材制造是以电弧为热源,采用逐层堆焊的方式制造出致密的金属构件,具有制造成本低廉、成形效率高的突出特点,在大尺寸、复杂零件的快速成形技术中表现出明显的优势,因而在航空航天、汽车船舶等领域有广阔的应用前景。TC4的化学活性高、热导率低、强度高,具有优异的综合力学性能,是应用最广泛的钛合金。TC4并不适合采用传统的加工方法制备,因此采用电弧增材制造的方法成形TC4结构件。但成形件典型的宏观组织为外延生长的柱状晶,导致其力学性能存在各向异性。本文综述了电弧增材制造的发展历史,结合该技术的特征及国内外研究现状,介绍了电弧增材制造TC4钛合金成形件的组织及性能方面的研究进展。     

电弧增材制造技术研究现状及展望

电弧增材制造技术以其成形速度快、材料利用率高、生产成本低等优势,在航空航天、船舶制造、汽车工业等领域已取得广泛应用.本文首先介绍了电弧增材制造在质量调控方面的发展现状,包括工艺参数、基板和层间温度以及保护气体;其次,结合国内外最新研究成果,论述了沉积路径的发展情况,并对成形件的力学、疲劳、腐蚀性能进行了分析,介绍了电弧增材制造技术在大型化、整体化零部件制造中的典型应用;最后总结了电弧增材制造面临参数动态监测技术尚不成熟,成形工艺优化不够系统,标准制定不足,疲劳和腐蚀机理研究不够等主要挑战,并对其未来的发展趋势给出了相关建议,即建立参数控制数据库、开发新型材料、建立工艺流程库、完善软硬件系统等.