摆动电弧熔丝增材技术研究现状及应用

传统的电弧熔丝增材技术在大型构件生产中容易形成残余应力影响构件性能,而摆动电弧熔丝增材技术可以有效改善残余应力,因此针对摆动电弧熔丝增材技术,综述了摆动电弧熔丝增材技术残余应力形成机理、消除或控制残余应力的研究和工艺方法;阐述了摆动电弧熔丝增材技术的工艺参数及增材路径对温度场及残余应力的影响,最后简要介绍了摆动电弧熔丝增材技术的应用案例,以期为提高电弧熔丝增材构件力学性能提供引导。     

航空航天用电弧熔丝增材制造研究综述

电弧增材制造因其成形效率高、适用材料范围大、设备简单、工件尺寸不受限制等特点,在航空航天领域大型金属构件制备方面具有独特优势。对航空航天领域涉及的电弧熔丝增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)典型材料的微观组织及力学性能进行了总结分析,从增材过程工艺控制、增材后热处理以及复合增材技术三个方面综述了电弧熔丝增材工艺质量控制的方法,并概述了近年来大型金属构件电弧熔丝增材制造的应用情况,最后对大型金属零件电弧熔丝增材制造技术的发展方向进行了展望。     

大型电弧熔丝增材装备研究进展及现状

电弧熔丝增材制造工艺由于其操作流程简便,环境开放,可生产零件范围广等优点引起了世界各国学者的极大兴趣和广泛关注。大型电弧熔丝增材设备作为此工艺实际应用的硬件基础也成为了国内外学者以及企业关注的对象。本文对大型电弧熔丝增材设备进行了简要介绍,回顾了电弧熔丝增材设备的发展历史和介绍了电弧熔丝增材设备的最新研究进展。此外,本文还对大型电弧熔丝增材设备的未来发展方向进行了展望。     

Inconel 617镍基合金电弧增材制造微观组织与力学性能

电弧增材制造技术基于分散累加原理,可实现镍基高温合金复杂结构快速无模加工,是一种广受关注的先进加工技术。该研究以高温耐蚀合金Inconel 617增材制造块体为研究对象,采用OM,SEM及万能拉伸试验机等手段分析了增材制造镍基合金块体微观组织及力学性能。研究结果表明,Mo元素在柱状枝晶间偏析,促使大尺寸的Laves相沿枝晶析出。在拉伸应力下,Laves相由于脆性较高,易发生断裂,诱发裂纹萌生。由于裂纹扩展路径在不同方向拉伸时存在显著差异,导致增材制造构件沿沉积方向强度（900 MPa）显著高于垂直沉积方向强度（700 MPa）。该研究为电弧增材制造镍基合金的组织性能调控奠定了一定基础,为进一步推动电弧增材制造镍基合金构件的应用进行了有益探索。     

电弧增材制造GH3039组织和性能研究

镍基高温合金GH3039广泛地应用于航空发动机燃烧室等零部件。采用增材制造技术制备GH3039部件可以克服其加工性能差、材料利用率低等问题。本研究首次采用基于熔化极气体保护焊的电弧增材制造（GMAW-WAAM）技术制备了GH3039薄壁件。利用光学显微镜（OM）、显微硬度仪和拉伸试验分析了薄壁构件的组织和性能。结果表明,采用GMAW-WAAM制备的GH3039构件组织致密,无气孔或裂纹等缺陷。合金的显微组织主要由高度方向生长的粗大柱状晶和层间细小晶粒构成。沉积态合金具有较好的室温和高温性能：室温抗拉强度520~540MPa,断后延伸率36~40%; 800°C抗拉强度189MPa,断后延伸率35.4%。本研究验证了采用GMAW-WAAM技术制备GH3039部件的可行性。     

电弧熔丝增材制造钛/铝复合材料的组织与性能

通过基于冷金属转移的电弧熔丝增材制造技术制备了铝/钛复合材料. 观察到钛/铝结合界面存在元素扩散,形成一定厚度的中间反应层,表明界面结合良好. 同时,通过硬度测试得到界面附近的硬度介于钛侧与铝侧之间,这主要是由于元素扩散导致界面附近生成了硬脆金属间化合物. 考虑到不同的复合比会导致不同力学性能,通过拉伸试验,研究了复合比对带缺口的钛/铝复合材料拉伸力学性能的影响规律. 结果表明,在持续拉伸载荷作用下,钛/铝复合材料的两组成层之间相互影响. 随着复合比的增加,抗拉强度和屈服强度增加,断后伸长率由于受钛铝之间冶金反应的影响较大,当钛/铝试样具有较低复合比时,其断后伸长率甚至小于单一沉积铝,随后才随着复合比的增加而增大. 另外,运用ABAQUS补充了多组复合比下钛/铝复合材料的拉伸过程,得到了复合比与屈服强度和抗拉强度的关系式.     

镁合金电弧熔丝增材成形质量控制研究

针对镁合金CMT电弧增材制造表面成形质量控制难题,开展了AZ31镁合金电弧熔丝增材制造的沉积行为、成形特性研究,以及单道多层增材构件表面质量控制试验.结果 表明:镁合金电弧增材制造的工艺参数优选范围较大,电流为120～160A、沉积速度为10～12 mm/s时,沉积层宽度均匀一致,宽高比和接触角也较大;采用CMT工艺制...     

ZL205A电弧熔丝增材制造堆积体的组织与性能

用电弧熔丝增材制造技术(WAAM)进行ZL205A铝合金的堆积实验。通过金相、SEM、EDS及拉伸试验,考察堆积体的微观组织和力学性能等,并与金属型铸造试样进行对比。结果发现,堆积体厚度均匀,表面平整,堆积体中元素B和Cd的烧损率分别达到60%和50%。与金属型铸造铸态试样相比较,WAAM直接堆积态晶粒大小更均匀,晶粒尺寸更小,析出相在晶内和晶界上均匀分布。T6热处理后,θ相完全固溶到Al基体中,在晶界上均匀分布着复熔T相,堆积体T6的力学性能达到抗拉强度500Mpa,屈服强度450Mpa,延伸率10%,均高于金属型铸造试样的水平,且试样在横纵两个方向上力学性能一致。     

大倾角环形结构电弧熔丝增材工艺研究

整体式闭式叶轮因其性能优越、稳定高效、寿命长等优势在工业上应用越来越广泛。大倾角环形结构是整体式闭式叶轮的关键组成,其倾角变化大,不同倾角条件下,增材过程中熔滴过渡形式不同,造成逐层增材时层高层宽各异,层间焊道搭接亦不同,为电弧熔丝增材高质量近净成形带来了极大挑战。鉴于此,文中进行了大倾角环形结构电弧熔丝增材工艺研究,分析了其结构特征并形成了增材路径策略,即每层由2条环形轨迹搭接而成,同时轨迹法向与倾角相适应,还进行了进给速度、搭接率等工艺参数对成形质量影响的研究,在此基础上确定了合理的增材工艺参数,即送丝速度7 m/min,进给速度500 mm/min,搭接率50%。最终实现了大倾角环形结构毛坯的高质量近净成形。     

基于BP神经网络的电弧熔丝增材制造数据库系统

通过对电弧熔丝增材制造(Wire and arc additive manufacturing, WAAM)单道焊缝试验数据的分类整理,分析用户需求和使用需要,基于python编程语言下的Django框架,采用B/S架构开发了一个电弧熔丝增材制造数据库系统。试验结果表明,该系统采用数据库与算法预测模型结合的方式开发而成,主要设置了用户权限管理、基本打印数据和焊缝形貌预测三大模块,具有存储扩展打印试验数据功能和预测未知工艺参数下焊缝形貌的功能。不同的打印工艺方法引入不同的BP神经网络结构,使用时数据库系统自动读取库内已有的算法模型或根据已有的试验数据训练新的模型,之后录入试验数据会自动对模型重新训练,实现随数据库内试验数据扩展或修正自动适应的参数预测,能够预测未知工艺参数下的焊缝形貌尺寸。最后,基于MIG工艺设计了1组验证试验对数据库的预测功能效果进行检验,熔宽预测误差为1.3%,余高预测误差为1.5%,说明了数据库系统预测功能的可行性。     

基于BP神经网络的电弧熔丝增材制造数据库系统

通过对电弧熔丝增材制造(Wire and arc additive manufacturing,WAAM)单道焊缝试验数据的分类整理,分析用户需求和使用需要,基于python编程语言下的Django框架,采用B/S架构开发了一个电弧熔丝增材制造数据库系统。试验结果表明,该系统采用数据库与算法预测模型结合的方式开发而成,主要设置了用户权限管理、基本打印数据和焊缝形貌预测三大模块,具有存储扩展打印试验数据功能和预测未知工艺参数下焊缝形貌的功能。不同的打印工艺方法引入不同的BP神经网络结构,使用时数据库系统自动读取库内已有的算法模型或根据已有的试验数据训练新的模型,之后录入试验数据会自动对模型重新训练,实现随数据库内试验数据扩展或修正自动适应的参数预测,能够预测未知工艺参数下的焊缝形貌尺寸。最后,基于MIG工艺设计了1组验证试验对数据库的预测功能效果进行检验,熔宽预测误差为1.3%,余高预测误差为1.5%,说明了数据库系统预测功能的可行性。创新点： 将传统数据库的数据分类存储功能与预测算法相结合,充分发挥了已有试验数据的价值,并且集成了不同试验材料、焊接工艺方法等数据构建算法模型,实现了多种试验条件、焊接工艺方法下的焊接工艺参数预测功能。     

铝合金电弧熔丝增材制造的冶金缺陷研究现状与展望

电弧熔丝增材制造(WAAM)已成为装备制造领域的重要发展方向之一,通过电弧加热熔化金属丝材,可在预设路径上逐层叠加堆积完成三维实体金属构件的增材制造成形,具有效率高且成本低的优点,尤其适合大尺寸铝合金构件的一体化增材制造成形。但由于铝合金固有的冶金行为特征,电弧熔丝增材制造中易出现冶金缺陷,如气孔、裂纹等问题,较大程度限制了产品力学性能的进一步提升,也严重制约了铝合金电弧熔丝增材制造技术的高效高质量发展。本文主要综述了电弧熔丝增材制造铝合金的气孔、裂纹等冶金缺陷问题,总结了缺陷形成机理、影响因素和抑制措施等方面的研究进展,并对铝合金电弧熔丝增材制造技术的未来发展方向进行了展望。     

电弧熔丝增材制造ODS钢的成型工艺及组织性能

采用电弧熔丝增材制造(wire and arc additive manufacturing, WAAM)技术制备了低活化铁素体/马氏体钢(reduced activation ferrite/martensite steel,RAFM钢),通过光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等观察微观组织变化,通过拉伸试验进行力学性能测试,研究了热处理工艺对其微观组织和力学性能的影响.结果表明,打印态的RAFM钢微观组织为铁素体 + 回火马氏体的双相组织,平均晶粒尺寸约为1.51 μm. 经过热处理,RAFM钢的晶粒尺寸没有明显增长(1.84 μm),并在微观组织中保留了高密度位错. 此外,热处理后高数密度TiO₂二次相纳米颗粒在基体中析出,并弥散分布在基体中,其尺寸在5 ~ 10 nm. 热处理后的RAFM钢抗拉强度显著提高,断后伸长率略微下降,其室温抗拉强度为1080 MPa,在650 ℃下测试的抗拉强度仍可达285 MPa.     

多向锻造对电弧熔丝增材制造300M钢微观组织及拉伸性能的影响

为了解决电弧增材制造超高强钢构件中存在的晶粒粗大、成分不均匀和力学性能较差等问题,提出一种将电弧熔丝增材制造和多向锻造相结合的复合成形技术.首先,采用电弧熔丝增材制造技术加工出300M钢块体,然后对其进行多向锻造实验,并采用单向拉伸实验对多向锻造前后300M钢的拉伸性能进行测试,采用金相显微镜、扫描电子显微镜对微观组织...     

超声冲击对电弧熔丝增材制造低碳钢组织的影响

电弧熔丝增材制造低碳高强钢过程中产生的组织粗大和各向异性等问题一定程度上限制了该技术的应用和发展。在电弧熔丝增材制造过程中引入层间超声冲击处理,以改善制件的组织状态和各向异性,采用光学显微镜和扫描电子显微镜等手段对超声冲击前、后的组织状态进行了对比。结果表明,经过超声冲击处理后,具有明显方向性的典型柱状晶组织转变为均匀、细小的等轴晶组织;电子背散射衍射结果表明,超声冲击强化可改善组织的方向性并大幅细化晶粒。这是因为超声可以打破组织内部对位错运动的限制,促进位错合并和湮灭,进而形成大量亚结构,并在后续沉积层的热效应作用下发生部分再结晶。这种转变会阻碍柱状组织的生长,并将柱状组织分成具有小纵横比的胞状或等轴状组织。     

铝合金CMT电弧增材制造残余应力分析

文中基于热弹塑性力学理论,建立铝合金冷金属过渡(CMT)电弧增材制造筒状形件残余应力三维有限元分析模型。通过Ansys有限元软件对铝合金形件残余应力进行模拟计算,研究其分布特征,并将残余应力的计算结果与试验结果相对比,验证模型准确性。研究结果表明,铝合金CMT电弧增材制造筒状形件整体径向和轴向残余应力较小;而环向残余应力集中在形件下部区域,表现为拉应力,应力峰值约为300 MPa;随着高度的增加,环向拉应力减小为压应力,峰值约为-104 MPa; Von-Mises等效残余应力在形件厚度方向上分布均匀;在高度方向上呈先增大后减小特性;形件底部区域应力较大,峰值约为276 MPa,与材料屈服强度相近。     

大型金属零件电弧熔丝增材及其复合制造技术研究进展

大型金属零件广泛应用于航空航天、能源、国防等领域中的关键承力结构,多采用铸造或者锻造工艺成形制造。电弧熔丝增材及其复合制造技术是近二十年来迅速发展起来的一种快速近净成形制造技术,具有高效低成本的显著优势,是大型金属零件成形制造中热点研究方向。本文总结概述了近年来大型金属零件电弧熔丝增材制造工艺的应用与研究,指出了金属材料电弧熔丝增材制造中广泛存在的控形控性难题,介绍了多种结合传统塑性成形工艺的电弧熔丝增材复合制造技术及其控形控性方法,最后对大型金属零件电弧熔丝增材及其复合制造技术的发展进行了总结与展望。     

电弧熔丝增材制造316L的温度场仿真及对基体的影响

电弧熔丝增材(WAAM)是一种利用电弧将焊丝熔积成型的新型制造方法,基本原理是"分层制造,逐层堆积".在连续的热循环作用下,WAAM成型件内部易产生较大的残余应力和变形,影响零件的性能.为了研究电弧增材制造过程中温度演变规律及对基体的影响,基于有限元法,采用"生死单元"技术建立了三维瞬态仿真模型,进行了层间停留温度为4...     

汽车曲轴热锻模焊锻复合电弧熔丝自动增材制造工艺

为了提高曲轴模具的服役寿命和降低再制造成本,提出了焊锻复合电弧熔丝自动增材制造工艺,并开发了相应的软件和硬件系统.在该工艺中,曲轴模具的增材目标模型被分层切片和轨迹规划,并将锤击轨迹和焊接轨迹重合从而将每一道焊缝均进行焊后锤击.锤击分析表明,焊后锤击能够将焊缝残余拉应力矫正为残余压应力,提高焊缝的力学性能.自动增材制造...