激光/电弧增材制造金属的热处理工艺研究现状与发展

针对增材制造过程中形成的缺陷会对工件造成不可逆的影响,分析了冷金属过渡（Cold metal transfer, CMT）增材制造过程的焊接电流信号和焊接电压信号,提出了一种基于时间序列算法的CMT增材制造缺陷在线监测方法。设置不同的焊接工况,收集良好组和缺陷组的原始焊接电流和焊接电压信号,使用SAX（Symbolic aggregate approximation）算法对数据进行预处理。使用随机森林模型对数值型数据再分类,达到实时监测的效果;同时为突出SAX算法的优越性,设置对比试验组,将原始的焊接电流数据直接放入随机森林模型进行分类。结果表明,原始焊接电流组的测试集准确率为80%,SAX算法数据预处理组的测试集准确率为96%。

     

铝合金CMT技术增材制造研究进展

铝合金作为一种加工性能优良、导热性好且质量轻的金属材料,在工业领域应用广泛。冷金属过渡焊接技术(CMT)作为一种低热量输入、无飞溅的焊接技术,非常适合铝合金的增材制造,铝合金CMT技术已成为增材制造技术的研究热点。通过综述近年来国内外学者在铝合金CMT技术焊道成形、组织性能、气孔缺陷方面的研究成果,展望了未来CMT技术的发展方向。     

基于CMT的钛合金电弧增材制造技术研究现状与展望

钛合金高强度、高耐热的特性决定了其在航空航天、船舶制造等领域的广泛应用,但由于钛合金的难加工性,使得传统锻造+机加的方式模具损耗严重、制造周期长。增材制造作为一种制造成本低、成形效率高的绿色化制造工艺,凭借其无需模具、直接成形的优势在钛合金制造领域受到国内外学者的广泛关注。电弧增材制造技术相较于其他增材工艺(如激光增材制造、电子束增材制造等)沉积效率更高,不受零件尺寸的限制,在大型和超大型结构件的制造中具有突出优势,其中基于冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)的电弧增材制造技术由于沉积过程更稳定、热输入量更低,已逐渐成为钛合金增材制造领域的研究热点。文中对基于冷金属过渡的钛合金电弧增材制造技术的研究现状进行综述,介绍钛合金打印件的微观组织和力学性能特征,总结分析了成形参数对打印件微观组织与力学性能的影响规律,并概述了形核条件调控、轧制和超声冲击等辅助技术对打印件微观组织与力学性能的影响机制,最后展望了钛合金CMT电弧增材制造的未来发展趋势。     

不锈钢基板上CMT电弧增材制造铝青铜的组织及性能

本文研究了工艺参数对不锈钢表面增材制造铝青铜薄壁试样组织和性能的影响.结果表明:基材与熔敷层之间形成了一层Fe基固溶体层,附近熔敷层中离散分布Fe基固溶体粒子和FeAl3相;随着送丝速度的增大,Fe基固溶体层的厚度增大,粒子大小、数量及分布范围均增大.剪切时裂纹并未一直沿着结合界面层扩展,而主要是从熔敷层断裂;剪切强度...     

基于电弧增材制造的截面扫描轨迹规划

采用CMT焊接工艺进行了电弧增材制造,研究了不同扫描轨迹对薄板焊后变形程度的影响. 通过运用空间最小二乘法模型,建立了S值判别法,表征了试板变形程度. 通过比较不同扫描轨迹下的S值,获得薄板最小变形程度所对应的轨迹特征,从而总结轨迹特征,得到电弧增材制造过程中截面扫描轨迹规划的原则,并成功地将轨迹设计原则应用到实体零件增材制造的过程中,获得了良好的成形效果及致密实体,为不同截面上扫描轨迹的设计提供了试验基础.     

钛/铝异种金属冷金属过渡增材制造

采用TC4和ER2319焊丝直流/变极性冷金属过渡实现异种金属电弧增材制造,通过金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、能谱、硬度试验、纳米压痕以及拉伸试验等方法对钛/铝构件界面组织特征与力学性能进行分析.结果表明,在钛合金表面堆积铝合金时,只有少量的钛合金熔化,钛原子扩散到液态铝合金中,形成不同长度的TiAl₃金属间化合物.10 μm左右的反应层在钛/铝界面形成.邻近钛侧的反应层均匀连续,靠近铝合金一侧的反应层呈现长条状或块状.界面反应层的显微硬度介于钛合金和铝合金显微硬度之间.构件的最高抗拉强度为111 MPa.     

CMT工艺对Al-Cu合金电弧增材制造气孔的影响

分析不同纯氩保护气体流量和冷金属过渡(CMT)工艺方法对Al-Cu合金电弧填丝增材制造(WAAM)气孔的影响规律。结果表明:纯氩保护气体流量和CMT工艺方法对Al-Cu合金WAAM制造过程的气孔特征均具有重要影响。提高纯氩保护气体流量有助于减少气孔;CMT-PADV工艺因其热输入低及电弧对Al-Cu合金填充丝端部表面氧化膜的高效清理而有利于减少甚至消除气孔,提高纯氩保护气体流量至25 L/min时可消除气孔。     

电弧增材制造技术的研究进展

概述了电弧增材制造技术的基本原理,综述了电弧增材制造技术的发展历程、制造平台、熔化极气体保护焊、钨极氩弧焊等增材制造技术,以及成型过程监控技术等方面的研究进展;讨论了电弧增材制造技术的研究现状和发展方向.     

电弧增材制造成形在线监测与控制研究进展及展望

电弧增材制造以电弧为载能束逐层熔化金属丝材直至形成全焊缝金属构件,因其制造成本低、成形效率高、材料利用率高等优势而备受推崇.成形尺寸的自动检测与控制是推进电弧增材制造技术工程化应用、快速产业化必须解决的关键科学与技术挑战.主要从成形工艺调控、过程在线监测与控制角度阐述了国内外电弧增材制造成形控制技术的研究现状,以红外、...     

基于CMT电弧增材制造的核电碳钢力学性能及热处理研究

采用CMT电弧的增材制造工艺,完成了不同工艺参数条件下典型碳钢部件力学性能的对比研究,结果表明：在焊接电流分别为150,170,190 A,电弧电压为15 V,焊接速度为0.6 m/min的条件下,堆积电流的变化对成形件的抗拉强度变化影响不显著,但不同方向的各向异性较为明显,微观组织分析表明,在竖直方向呈现明显的方向性生长。在150,170,190 A焊接电流参数下,z向的冲击吸收功分别为219,199,172.5 J,均明显优于x向及y向的。采用880℃×60 min工艺热处理后,强度明显降低,塑性略微提高,各向异性显著改善。组织分析结果表明：热处理后基体组织与沉积态组织均为铁素体+珠光体,但热处理使得珠光体中碳化物特征发生了明显变化,该组织特征变化影响了成形件强度变化。     

基于异构计算的电弧增材制造熔池尺寸在线检测算法

电弧增材制造过程中的熔池形态影响沉积态金属的成形,为了得到良好的增材产品,首先需要实现对增材过程的在线监测,以获取熔池形态尺寸等数据,为进一步反馈控制提供前提条件。在线监测的重点之一在于计算机的图像处理速度,而图形处理器GPU作为强大的图形处理设备,比CPU更适合做大量图像相关的计算。为此,文中采用CPU/GPU异构协同并行计算方法,试图通过调用GPU设备加速图像处理过程,以实时获取电弧增材制造过程中的熔池形态尺寸信息。试验结果表明,无论GPU调用与否,同一处理程序对同一视频处理所得到的熔池宽度结果基本相同,而当调用GPU后,每帧图像的处理时间大幅降低,处理效率得到很大程度的提高。因此,异构计算为电弧增材制造熔池尺寸在线监测提供了可能。     

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。     

冷喷涂增材制造关键技术

近些年来,冷喷涂技术得到快速的发展,并逐渐形成了一门新的增材制造方法。 但由于目前存在的诸多技术壁垒以及居高不下的制造成本,使得冷喷涂增材制造技术尚未得到广泛的应用。 文中从技术与应用的角度出发,对冷喷涂增材制造目前存在的一些关键技术问题以及未来发展的方向进行梳理与讨论,同时也提出了一些适用的解决方案。 目的是为促进该技术实现更高价值的制造过程,从而推动冷喷涂增材制造技术的发展。     

304不锈钢冷金属过渡电弧增材制造组织及力学性能

开展了不同填充速度的不锈钢冷金属过渡电弧增材制造试验,实施了构件不同位置的拉伸试验并且分析了断口形貌,探讨了构件微观组织特征。 结果表明,冷金属过渡电弧增材制造是一种可行的金属增材制造工艺;由于构件在垂直方向的微观组织不均匀,水平拉伸的屈服强度和抗拉强度均高于垂直拉伸;随着送丝速度增加,扫描的热输入增加,熔化区的二次枝晶间距变大,抗拉强度降低。     

薄壁中空环形件的电弧增材制造工艺分析

基于冷金属过渡技术,研究了全封闭薄壁中空环形件的电弧增材制造工艺.首先在单层单道熔敷层圆弧形截面轮廓的基础上推导了单道多层熔敷层的叠加数学模型;其次建立了可根据薄壁结构尺寸获取合理工艺参数的等体积电弧增材模型,最后通过试验数据验证了模型的可靠性.基于该模型,建立了工艺参数(送丝速度、电弧移动速度)与成形件尺寸之间的关系...     

基于红外温度场的电弧增材制造缺陷在线检测方法

根据增材制造逐层累积的特殊性,分层实施的在线检测思想能避免加工完成后出现不可修复的废品。采用基于实时采集分析熔积层红外温度场的无损检测方法,将多帧温度场数据堆叠获取熔积层红外轮廓,根据提取的红外轮廓特征对当前熔积层成形质量进行判断,利用残差网络ResNet18对红外轮廓图像进行分类识别。通过在线验证,检测分类的准确率可达97.16%,单张红外轮廓图像检测分类时间仅1.35 ms。该方法能在增材制造过程中在线检测成形质量,便于后续铣削、补焊及工艺参数的优化处理,具有实际工程意义。     

丝材+电弧增材制造钛/铝异种金属反应层的研究

分别利用直流冷金属过渡(CMT)和变极性CMT脉冲复合技术进行TC4和ER2319焊丝的堆积,实现钛/铝异种金属丝材+电弧增材制造,通过高速摄像及电信号采集系统进行电弧形态、熔滴过渡以及电流/电压信号的采集分析;利用OM、SEM、TEM、EDS、硬度实验以及拉伸实验等方法对钛/铝异种金属构件的微观组织与力学性能进行分析。结果表明,变极性CMT脉冲复合堆积铝合金过程包括正极性脉冲阶段和负极性CMT阶段。在正极性脉冲阶段,电弧集中且热输入较大;在变极性CMT阶段,热输入较小且对构件具有明显的冷却效果。钛/铝异种金属构件的反应层包括过渡层和界面层,Ti Al3界面层的厚度约为10μm。在界面层存在微裂纹;反应层的硬度介于钛合金和铝合金之间;钛/铝异种金属构件的平均抗拉强度为65 MPa,所有拉伸试样均在界面层断裂,断裂方式均具有脆性断裂的特征。     

CMT增材制造TC4-DT合金组织均匀性与力学性能一致性研究

研究了采用多道搭接形式冷金属过渡(CMT)增材制造的TC4-DT合金试块不同区域的宏观、微观组织和晶体取向差异,及其对力学性能的影响。低倍组织观察表明,堆积试块底部由尺寸较小的柱状晶和等轴晶组成,随着沉积高度的增加,转变为粗大的等轴晶,层界线呈弧形并在搭接区交叠。堆积区高倍组织主要由编织状α板条组成,搭接线两侧为细编织状组织、粗大的α片层组织和粗编织状组织组成的混合组织。普通堆积区存在由{001}_β//Z丝织构转变形成的α转变织构。搭接区由于热传导的复杂性,还存在由{001}_β与Z方向呈22.5°～67.5°的丝织构转变而成的α转变织构。EBSD分析显示,搭接线处存在<0001>_α//X方向的强织构,使得搭接线处柱面滑移和基面滑移Schmid因子均比较小,阻碍位错滑移,结合Hall-Petch关系分析表明,原始β晶界和搭接线是影响力学性能一致性的主要因素,在2种因素的共同作用下,各区域的平均有效位错滑移程呈现以下关系:搭接区<普通堆积区底部<普通堆积区顶部,导致不同区域屈服强度具有以下关系:搭接区...     

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。     

热处理对CMT电弧熔丝增材制造Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金显微组织和力学性能的影响

采用基于冷金属过渡焊接的电弧熔丝增材制造技术(CMT-WAAM)制备了Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo(Ti6321)合金,研究了热处理对Ti6321合金显微组织、力学性能的影响。研究表明,沉积态Ti6321合金组织由不规则的多边形原始β晶和晶界α相(α_(GB))组成,晶内分布有厚度不均的α片层和少量β相。经α+β两相区退火后,α片层内部的位错密度降低,其中,700℃退火后强度和冲击吸收功均有所降低,800℃退火后冲击吸收功提高,且强度达到1050 MPa以上。经双重热处理后析出次生α相(α_s),晶界α相(α_(GB))弱化呈断续分布,Ti6321合金冲击吸收功最高达到34 J。不同热处理状态下的冲击断口均有大量韧窝,为典型的韧性断裂。