单道多层电弧增材制造成形控制理论分析

传统轮廓偏置路径规划方法具有较高几何还原度,适合电弧增材制造中等尺寸的复杂零件,但轮廓连续偏置过程中的退化现象易形成欠填充区域,进而导致缺陷,形成待优化区. 针对上述问题,提出了基于布尔运算的待优化区域精确识别方法. 将原始多边形与经过正反两次等距偏置的回溯多边形进行布尔差运算,可获得需要优化的缺陷区域,将待优化区域过滤与合并,重新构建为骨架填充区. 结合最小矩形框确定每个骨架填充区的最优填充方向并生成往复直线路径,最后将轮廓偏置路径重新分类分区连接为连续成形路径,并按照骨架填充区成形路径优先打印原则输出为机器代码. 后续成形试验采用机器人电弧增材制造系统打印了螺旋桨零件,结果表明,零件成形尺寸达到预期,且表面不存在传统轮廓偏置法中的成形缺陷,证明文中方法具有较高的可行性与适用性.     

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.     

不锈钢电弧增材制造成形

采用316L不锈钢在Q235A基板上进行TIG填丝增材制造成形试验,研究不锈钢增材制造成形工艺,分析不锈钢增材制造成形件的显微组织。结果表明:通过调整焊接电流、打印速度、送丝速度等工艺参数,可以实现不锈钢电弧增材制造成形,成形件具有致密度高、尺寸精度和表面质量较好等优点,其显微组织为柱状枝晶形态的奥氏体,顶部枝晶尺寸相对较小。     

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。     

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。     

旁路耦合三丝间接电弧增材制造成形特性

采用旁路耦合三丝间接电弧焊( bypass coupling triple-wire gas indirect arc welding,BCTW-GIA焊)进行Q345低碳钢增材制造. 利用高速成像设备研究了旁路电流变化对电弧特性的影响,并观察了对应的焊缝成形特性. 结果表明,随着旁路电流的增加,间接电弧占比逐渐减少,而直接电弧占比逐渐增加,焊接热输入逐步提升,焊缝的接触角逐渐减小. 当旁路电流为155 A时,可在表面成形良好的前提下得到铺展性最优的单道焊缝. 采用此参数进行单道多层增材得到了直壁墙体,沉积速率高达13.3 kg/h. 该增材制造方法具有较高的熔敷效率和较低的热输入,有利于改善增材试样的显微组织,并提高试样的平均硬度. 试样底部、中部及顶部区域的平均硬度分别为 186.80,172.44,176.04 HV.     

双钨极TIG电弧增材熔敷道成形特性研究

双钨极TIG电弧具有低电弧压力特性,能够在大电流下避免驼峰、咬边等缺陷,提高熔敷效率。为将其应用于增材制造,采用单丝输送和双丝输送两种模式,针对200 A以上的大电流双钨极TIG电弧,研究熔敷电流、送丝速度、行走速度对熔敷成形的影响。结果表明,在单丝输送模式下,200～350 A电流范围内,送丝速度过快会导致熔敷道铺展不良,而在350 A以上,送丝速度过快会导致插丝缺陷;采用双丝输送模式,能提高电弧熔丝热效率,有效降低插丝倾向,提高熔敷效率。最终得出200～650 A电流下的最大许用送丝速度和行走速度范围,为双钨极TIG电弧增材制造提供了成形良好的工艺窗口。双钨极TIG电弧增材在650 A熔敷电流下依然能够成形良好,熔敷效率达到5.36 kg/h。     

316不锈钢TIG电弧增材制造成形规律研究

为探求316不锈钢TIG电弧增材制造最佳成形参数,采用不同焊接工艺参数对316不锈钢焊丝进行单道多层墙体成形,试验通过改变焊接电流和焊接速度,考查不同最佳成形参数下316不锈钢墙体的显微组织和硬度。结果表明,焊接电流和焊接速度为正相关关系,随着焊接电流的增大,焊接速度也应相应提高,才能保证稳定的焊接成形。在试验参数变化情况下,焊接速度对墙体高度的变化起主要作用,焊接电流和焊接速度均对墙体的宽度有较大影响。相比焊接速度的提高,焊接电流的减小可以更为有效降低墙体的热量集中,减少有益元素烧损。墙体的微观组织主要是柱状树枝晶,热影响导致晶粒不同程度粗化,冷却速度的不同使奥氏体组织中分布不同含量的铁素体,微观组织中可以观察到明显的重熔区域和非重熔区域,非重熔区域的组织出现明显方向性。     

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。     

TC4钛合金电弧增材制造叠层组织特征

采用CMT电弧增材制造技术制造了TC4钛合金薄壁墙构件,并对其组织特征进行了研究. 结果表明,在电弧增材制造过程中,受其热输入、多次热循环及冷却速度的影响,在其构件中产生了从高温保留下来的贯穿数个堆积层的原始β柱状晶晶界、水平层带条纹、马氏体组织和网篮组织等. 显微硬度显示,中下部区域硬度相对较高,平均硬度为336HV 0.1,上部显微硬度有明显降低,平均硬度为323.3HV 0.1.     

电弧增材制造成形控制技术的研究现状与展望

电弧增材制造是低成本金属零件直接成形的重要研究方向之一。金属零件形貌的成形精度是评判成形质量的一个重要指标。从成形工艺特性、尺寸数学建模、过程控制等角度阐述了电弧增材制造成形控制技术的国内外研究现状;重点总结了基于视觉传感的电弧增材制造闭环控制技术的研究现状;分析了电弧增材制造成形控制技术研究存在的关键问题;提出了未来电弧增材制造成形控制技术的研究内容和发展方向。     

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.     

高能脉冲精密冷焊的电弧特性和增材制造成形能力

进行了高能脉冲精密冷焊的电弧特性试验和各类零件的增材制造试验,根据脉冲电流和电压波形分析了脉冲电弧的特性,根据堆焊零件的成形情况分析了其增材制造成形能力。结果表明,高能脉冲精密冷焊的输出电流为脉冲方波,产生断续的脉冲电弧;其脉冲时间短,电弧能量密度高,冷却时间长,热输入小,零件变形小;在堆焊成形过程中,工件处于冷态,熔池存在时间短,不会出现焊缝熔池流淌现象,堆焊零件的成形精度高,具有复杂零件的增材制造成形能力;该方法可用于较小的几何形状复杂零件的增材制造,也可用于精密零件的增材制造成形修复。     

铝合金电弧熔积成形机器人增材制造系统

基于KUKA机器人搭建铝合金CMT增材制造系统,在Robotmaster离线编程软件中建立虚拟机器人工作场景,对成形零件进行分层、轨迹规划、模拟仿真及程序生成,使用CMT冷金属过渡焊接工艺进行铝合金零件增材制造试验,利用二次回归通用旋转组合方法设计试验,对熔敷工艺参数(送丝速度、喷嘴高度、焊接速度)与熔敷层宽度、高度的成形规律进行研究,建立熔敷层尺寸的预测模型。通过铝合金零件成形试验对模型精度进行验证,发现该模型预测效果好,成形铝合金零件精度高。     

电弧增材制造钛合金界面处残余应力及其影响研究

采用电弧增材制造方法制备了含增材/基材界面钛合金板,采用轮廓法测量了其残余应力分布。建立了模拟紧凑拉伸(C(T))试样加工和裂纹扩展过程中残余应力发展的有限元模型,缺口状态C(T)试样内残余应力分布与轮廓法测试结果吻合良好。采用该模型讨论了试样内残余应力随裂纹扩展的变化规律及对裂纹扩展的影响。试验和数值分析结果表明:2种类型试样缺口状态的残余应力分布有很大差别,A类试样(缺口位于基材)残余压应力区域靠近缺口根部,C类试样(缺口位于增材)残余压应力区域远离缺口根部;A类试样内残余应力随裂纹扩展迅速释放,残余应力引起的应力强度因子较小;C类试样内残余应力随裂纹扩展变化较小,残余应力引起的应力强度因子较高,降低了疲劳裂纹扩展寿命。     

铝合金电弧增材制造研究现状

电弧增材制造技术（Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM）具有沉积速率高,成形速度快以及适合各种成形环境的优点,吸引了越来越多的高校及科研机构投入其中,如何进一步发挥电弧增材制造的优势是当下的研究热点。阐述了铝合金电弧增材过程中热输入、电流方式和外加能场对成形件表面形貌、微观组织以及力学性能的影响。当焊接电流较小或焊接速度较快时,热输入较低,熔融金属冷却速度快,形核率高,成形件为晶粒细小的等轴晶粒,提供给气孔的形成、聚集和长大的时间短,即热输入越低,成形件等轴晶区越宽,晶粒越细小,气孔缺陷越少,成形件机械性能越优异。对比分析了不同电流方式的电弧增材制造成形件性能差异,发现脉冲和变极性电流方式的热输入比无脉冲电流方式低,成形件晶粒更精细、缺陷更少、机械性能更优异;脉冲和变极性电流方式都可以清理成形件表面氧化膜,获得平整的表面。分析了电弧增材制造系统的优化方案,发现施加磁场、激光可以使得电弧更加集中,调控熔池流动,避免熔敷金属铺展不均匀;施加原位轧制、层间锤击以及超声喷丸可使得沉积层发生变形,在晶粒内产生大量位错;利用水箱或者添加保护气喷嘴可以降低电弧增材...     

高氮钢CMT电弧增材制造多道搭接表面质量评价

针对电弧增材制造成形问题,提出基于三维表面粗糙度参数的零件表面质量评价方法. 以高氮钢为例,采用CMT工艺进行多道搭接试验,通过三维扫描设备提取零件表面信息,计算表面轮廓均方根偏差S_q和轮廓偏斜度S_sk,对比计算所得数据与实际表面成形情况,并利用所提出的方法研究了增材制造过程中电弧摆宽对多道搭接表面质量的影响. 结果表明,此评价方法所得数据规律与实际成形情况基本吻合,具有较好的适应性和科学性. 根据数值S_q和S_sk大小可将成形表面质量由优到差分为A,B,C,D 4个等级. 电弧增材制造的热输入和电弧摆宽对成形表面质量影响较大. 在热输入较大时,电弧摆宽为15和10 mm时,熔敷焊道余高小、宽高比大,搭接成形更好.     

电弧增材制造钛合金界面处残余应力及其影响

采用有限元分析方法对附加超声冲击下电弧增材制造2219铝合金的过程进行数值模拟,并研究了其应力场变化以及工件变形情况的变化. 结果表明,附加超声冲击能使多层多道沉积过程中沉积件边缘处以及基板中靠近沉积件的区域的应力集中程度下降. 多层多道沉积过程中附加超声冲击能有效降低沉积件内部的应力. 在附加超声冲击后道间交界处的应力范围由156.1 ~ 211.6 MPa下降至138.8 ~ 181.9 MPa,表面平均残余应力下降22.3%. 附加超声冲击下,多层多道电弧增材构件最大变形量由0.61 mm下降至0.53 mm,平均变形量由0.33 mm下降至0.27 mm. 试验实际测量所得的与有限元计算的多层多道沉积件上表面的应力分布规律相近,证明模拟结果的可靠.     

CMT电弧增材制造Inconel 718高温合金成形工艺研究

Inconel 718高温合金具有组织稳定、抗热腐蚀、高温下强度高的特点,可以应用于高温、复杂应力等苛刻环境。文中以CMT电弧增材制造技术为研究对象,以Inconel 718高温合金为成形材料,探索工艺参数影响成形形貌的内在机理,采取电流电压信号采集、高速CCD拍摄熔滴过渡行为的方法,通过控制变量法研究不同工艺参数下的熔滴过渡行为,在此基础上分析工艺参数对单层焊道成形的影响。研究发现：较大的送丝速度成形质量更好,且利于搭接,同时伴随着大量的飞溅;当焊丝伸出长为10 mm时,可获得最小的单道熔宽;对单层单道熔覆层成形影响的大小顺序为送丝速度大于焊丝伸出长。