丝材电弧增材制造技术研究现状及展望

丝材电弧增材制造技术因其成形速度快、成形件尺寸灵活等优点受到越来越多的关注,尤其是大尺寸、复杂形状构件的高效快速成形,丝材电弧增材制造有着其独特的优势。介绍了丝材电弧增材制造技术的工艺过程,从丝材电弧增材制造成形件的成形工艺及表面质量研究、成形件组织性能研究以及成形件残余应力研究三个方面综述国内外丝材电弧增材制造技术的研究现状,总结该技术现阶段在航空航天领域的应用情况,指出研究人员对丝材电弧增材制造技术的相关研究工作聚焦于工艺优化和过程控制两个方向,怎样才能通过熔滴的平稳过渡获得高质量的成形件,如何有效控制逐层堆积过程中晶粒及显微组织变化,以抑制零件内部不良组织的产生是需要继续研究的问题。     

AZ31镁合金超音频脉冲方波电弧增材成形控制

镁合金是航天装备结构件制造轻量化的重要结构材料之一,但受限于其成形性差等因素,高性能镁合金复杂构件制造困难,极大地限制了其应用范围.文中针对AZ31镁合金电弧增材成形特性开展研究,率先将自主研发的新型超音频脉冲方波电弧热源用于镁合金电弧增材制造,重点研究了增材过程参数(送丝速度、运动速度)和电流特征参数(变极性电流、变...     

基于电弧的多能场复合增材制造技术研究现状

增材制造主要分为激光增材制造技术、电子束增材制造技术和电弧增材制造技术。相较于其他增材制造技术和传统加工方式,电弧增材制造技术具有成形速度快、成本低、材料利用率高,以及成形件化学成分均匀且性能优良等优势,被广泛应用于大型金属零件制造。电弧增材制造因具有多样化的应用方向,可以满足不同标准零部件的加工制造,已经逐步成为当下主流的零部件加工技术。主要介绍了单一热源(如钨极)气体保护增材制造技术、等离子弧增材制造技术、熔化极气体保护增材制造技术、冷金属过渡增材制造技术和多能场辅助电弧复合增材制造技术,包括磁场–电弧、激光–电弧和电场–电弧等复合增材制造技术等。从宏观形貌、微观组织和力学性能3个角度出发,分析了工艺参数或工艺自身特性对增材制造成形件宏观形貌的影响,讨论了成形件显微组织演变机制及其力学性能,同时提出了单一热源与多能场辅助电弧增材制造技术在现阶段存在的问题,并给出了建议。     

电弧增材制造金属点阵结构研究进展

金属点阵结构是一种轻质多功能结构,具有高比强度、高比刚度、抗爆吸能、减振降噪等优势,在飞行器、船舶、车辆、建筑等领域具有广泛的应用前景。然而,迄今为止点阵结构件的应用规模仍然十分有限,主要原因是受到制造技术的严重制约。电弧增材制造技术因其离散堆积的成形特点有望实现点阵复杂结构的一体化高效低成本制造。综合分析了电弧增材制造金属空间杆结构与点阵结构的研究现状,从制造原理、成形工艺与方法、制造特点等方面进行论述,并归纳了现阶段各研究机构对于金属点阵电弧增材制造的研究进展。最后介绍了电弧增材造金属点阵结构存在的掣肘,重点分析了现有电弧增材制造在点阵制造与成形控制方面的研究进展与不足,指出了未来电弧增材制造金属点阵结构的主要发展方向。     

丝材直径对电弧增材制造ZL114A铝合金组织与性能的影响

与金属粉末增材制造技术相比,电弧+丝材增材制造技术在成形效率上有显著优势,但在大尺寸金属构件成形时,其成形效率仍有待提高。文中以直径1.6 mm的ZL114A铝合金丝材为原材料,分析了电弧增材制造成形合金的微观组织与性能,并与原材料直径1.2 mm的成形合金进行对比。研究发现,选用直径1.6 mm丝材为原材料,能够提高电弧增材制造ZL114A合金的成形效率,直接沉积态合金的微观组织具有较大二次枝晶臂间距。经过T6热处理后,成形合金中共晶硅颗粒充分球化,均匀分布在铝基体上,合金具有优异的力学性能。     

低热输入高效成形电弧增材制造研究进展及展望

电弧增材制造作为金属增材制造技术的一个重要分支，以电弧为载能束采用逐层堆积的方式制造金属构件，因其制造成本低、成形效率高、材料利用率高等优势，在航空航天、国防领域具有广阔的应用前景。沉积层热输入与丝材熔化效率的解耦控制是推进电弧增材制造技术高效、高质量发展与应用必须解决的关键科学与技术难题。分析了热输入与成形效率强耦合的主要原因，重点阐述现有的高效成形方法、热积累控制方法、低热输入热源的研究进展与不足，指出了未来电弧增材制造低热输入高效成形的主要发展方向。     

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-...     

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.     

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。     

自保护药芯焊丝激光-电弧复合热源堆焊参数对焊道表面成形的影响

以自保护药芯焊丝(414N-O)为研究对象,借助焊道表面成形系数来评价自保护药芯焊丝激光-电弧复合热源堆焊焊道的表面成形特征,研究了自保护药芯焊丝激光-电弧复合热源堆焊过程中堆焊参数对焊道表面成形的影响. 结果表明,复合热源堆焊过程中,激光的加入明显降低了自保护药芯焊丝电弧作用点漂移概率,有效地克服了自保护药芯焊丝长弧堆焊气孔问题,降低了电弧对工件表面的作用能量. 堆焊参数中,光丝前后位置和光丝间距对焊道表面成形特征起决定性影响,激光前置时光丝间距对焊道表面成形影响显著,激光后置时则影响较小;光丝间距DLA=0 mm和DLA=+2 mm时,有利于焊道表面成形;光丝间距DLA=-2 mm时,恶化了焊道表面成形;激光功率、堆焊速度、堆焊电流和堆焊电压对焊道余高影响显著,激光功率、堆焊电流和堆焊电压对焊道表面成形系数影响显著,焊丝伸出长度对焊道余高和焊道表面成形系数影响较小.     

电弧增材制造控形改性技术研究进展

以电弧作为热源的电弧填丝增材制造技术(WAAM),使用金属焊丝作为熔覆材料,以层间堆焊的方式,可生产出焊接缺陷少、力学性能好的构件,在航空航天、船舶制造、生物医学等领域有重要应用前景。针对电弧增材制造过程中,表面成形精度及组织性能难以准确调控的难点,文中从控制电弧增材表面成形和组织性能两方面综述了国内外研究进展。按照在增材制造时调控手段的介入阶段不同,将调控手段分为在增材过程中的调控、在增材过程后的调控两大类,分别阐述各改善调控工艺技术的原理特点和存在问题及电弧增材制造形性调控未来发展方向。     

电弧增材制造轨迹及工艺规划研究进展

电弧熔丝增材制造是一种高效快速近净成形制造技术，凭借其低成本、高柔性的显著优势成为中/大型金属零件制造的热点研究方向及首选方案。概述了近年来电弧熔丝增材制造技术在成形轨迹及工艺规划方面的研究进展，总结了三维模型切片方法、具有不同几何特征的二轮轮廓路径规划方法、典型结构的特殊路径规划策略及成形工艺参数优化与控制策略，介绍了多方面提高表面质量与成形精度的工艺方法及悬垂结构、倾斜结构的无支撑打印策略，最后总结了电弧熔丝增材制造技术当前研究进展，指出了未来提升电弧增材制造装备及工艺控制的智能化水平的研究方向。     

基于层宽控制的AZ91镁合金TIG电弧增材工艺优化

针对镁合金电弧增材制造表面成形质量控制的难题,通过Design-Expert软件对AZ91镁合金TIG电弧增材的电流、送丝速度、增材速度等工艺参数和熔覆层层宽之间进行建模,探索了各工艺参数对增材层宽的影响规律,并利用增材主要工艺参数和尺寸的数学模型优化了增材电流,根据电流优化值来控制直壁构件层宽。结果表明,对层宽影响最大的是增材电流,其次是增材速度,影响最小的是送丝速度;采用优化后的工艺增材制备的单道多层构件自上至下的层宽波动起伏小,层宽偏差值由4.54 mm减小到0.94 mm,提高了AZ91镁合金增材成形质量。     

基于层宽控制的AZ91镁合金TIG电弧增材工艺优化

针对镁合金电弧增材制造表面成形质量控制的难题,通过Design-Expert软件对AZ91镁合金TIG电弧增材的电流、送丝速度、增材速度等工艺参数和熔覆层层宽之间进行建模,探索了各工艺参数对增材层宽的影响规律,并利用增材主要工艺参数和尺寸的数学模型优化了增材电流,根据电流优化值来控制直壁构件层宽。结果表明,对层宽影响最大的是增材电流,其次是增材速度,影响最小的是送丝速度;采用优化后的工艺增材制备的单道多层构件自上至下的层宽波动起伏小,层宽偏差值由4.54 mm减小到0.94 mm,提高了AZ91镁合金增材成形质量。     

TIG电弧增材熔池行为的数值模拟研究现状

TIG(钨极惰性气体保护焊)电弧增材制造由于其材料利用率高、成形效果好等显著优势,已成为制造业研究的热点。本文从数值模拟的角度,着重总结了TIG增材熔滴过渡、热累积和熔池行为3个方面的重要结果。成形工艺参数决定熔滴过渡形式和频率,而熔滴的过渡形式和过渡频率直接影响沉积层的成形质量;热累积影响着成形件的微观组织和应力,可通过控制层间冷却时间来减少热累积;在进行TIG增材熔池数值模拟时,多选择高斯热源和双椭球热源模型。基于以上对TIG电弧增材制造的分析研究,对TIG电弧增材制造的研究方向进行了展望,主要包括建立熔滴与熔池的物理耦合模型和改进电弧热源模型两方面。     

丝材电弧增材制造技术的研究现状与应用

丝材电弧增材制造技术适用于大尺寸形状较复杂构件的低成本、高效快速成形。从成形系统、成形几何形状及尺寸控制、成形件组织性能分析、成形件残余应力和气孔缺陷控制方面综述了国内外电弧增材制造技术的研究现状,并且介绍了其应用情况,最后对电弧增材制造技术的研究前景进行了展望。     

激光选区增材制造420不锈钢件的组织及力学性能

增材制造是复杂制备的优势工艺，因此，对420不锈钢3D打印件的组织及性能进行研究，可为420不锈钢复杂件增材制造提供前期数据。采用激光选区增材制造制备420不锈钢件，采用光学显微镜、扫描电镜分析打印态及固溶处理态的组织，采用拉伸试验机测试力学性能。结果表明：420不锈钢具有良好的激光选区增材成形性能，其组织为典型的不锈钢打印组织；固溶热处理使组织发生变化，典型鱼鳞打印组织变得模糊；固溶处理的力学性能优于打印态。     

电弧增减材复合制造精度控制研究进展

电弧增减材复合制造技术是一种将产品设计、软件控制以及增材制造与减材制造相结合的新兴技术。丝材电弧增材制造(WAAM),因其在金属增材制造中具有制备成本低、沉积效率高、材料利用率高等优势而备受推崇;又因其热输入高、成型精度相对较低而存在一定局限性。因此,亟待研发既能保证成形效率,又可以精确控制传热、传质、传力的增材复合制造技术。电弧增减材复合制造对于大型框架构件上肋板或类似薄壁墙体、筋板等构件的加工十分适合,可以实现降低制造成本和提高生产效率的目的。除增材制造精度和应力控制等问题外,增材后控形减材制造的切削问题不同于传统的去除加工,也受增材沉积表面不均匀性、增材余热和残余应力等因素影响。为解决上述问题,近年来为实现高速高效成形、精确控形控性的多种增减材复合制造方法不断涌现。本文对目前增材制造成形误差、增材后应力变形控制,以及增材后减材切削加工的相关研究进行综述,旨在探索金属构件增材复合带温减材制造的可行性,寻求合理利用增材余热,在保证最佳加工精度的前提下追求较小残余应力、良好材料微观性能和较高生产率的新型制造工艺。     

双丝电弧增材制备Al-Mg-Zn-Cu-Sc铝合金工艺与组织性能

为改善Al-Zn-Mg-Cu铝合金电弧增材过程中出现的工艺和缺陷问题,利用双丝电弧增材技术,制备了Al-Mg-Zn-Cu-Sc合金. 根据电弧增材过程中的工艺以及成形情况,对该工艺中的送丝位置,送丝速度以及变极性频率等工艺参数进行分析. 通过工艺试验得到气孔含量较少和成型情况较好的参数并进行双丝电弧增材制造. 分析了不同扫描速度下的制备的Al-Mg-Zn-Cu-Sc合金组织以及力学性能,对微观组织和试样失效区域进行观察,确认了断裂类型和组织特点. 最终得到双丝电弧增材技术制备Al-Mg-Zn-Cu-Sc铝合金的工艺区间,明确了沉积态Al-Mg-Zn-Cu-Sc铝合金的基本组织特点.     

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.