送丝方式对步进填丝双脉冲TIG电弧增材成形精度的影响

针对电弧增材制造热质传输强耦合、成形尺寸精度低等共性关键问题,提出一种步进填丝双脉冲钨极氩弧(tungsten inert gas,TIG)电弧增材制造方法. 基于此方法建立增材成形试验系统,开展系列变化参数的直壁墙增材工艺试验. 利用同步采集的熔滴、熔池动态变化图像数据重点研究分析了送丝方式对焊丝熔化、熔滴过渡、熔池行为和成形尺寸精度的影响规律. 结果表明,前、后送丝方式下熔滴均以液桥过渡方式熔入到熔池;相比前送丝增材过程,后送丝方式下焊丝熔化效率和熔滴过渡频率明显增加,熔滴尺寸变小,熔池表面高度和宽度尺寸波动均减小;高频脉冲电弧使熔池体积略微增加,热稳定性明显增强,直壁墙沉积件成形精度明显提高.     

基于冷金属过渡的电弧增材制造钛合金螺旋桨成形机理及组织性能

通过对基于冷金属过渡(CMT)的电弧增材制造成形过程中电弧形态、电流电压同步信号和熔池形貌的同步检测分析,研究了电弧不同阶段的熔滴过渡形式和熔池金属的受力状态,探明了悬垂结构成形过程中的熔池金属的受力机制,实现了钛合金螺旋桨的成形,并分析成形后的组织性能。研究结果表明,通过对CMT电弧热输入和电弧力的精细控制,能够在无支撑条件下实现螺旋桨叶片的快速成形,同时获得良好的力学性能。在本研究条件下,钛合金CMT增材制造过程中熔滴过渡主要以短路过渡的形式进行,降低基值和短路阶段的焊接电流能够增加悬垂结构倾角,且当I基值/I峰值小于0.3时,钛合金螺旋桨最大倾角达到53.26°。基于优化后的工艺成形船用Ti6321合金,内部组织致密且无贯穿式的粗大柱状晶,力学性能达到同级别锻件标准,水平方向和竖直方向的各向异性不明显。     

MIG焊参数及路径对增材制造熔敷层尺寸的影响

基于机器人MIG焊技术,对增材制造金属零件进行了初步研究。通过分析熔化极惰性气体保护焊熔滴过渡形式及焊接参数在增材制造过程中对成形熔敷层几何尺寸的影响,得出了最佳成形时熔滴的过渡形式及焊接参数范围,初步探究了直线与直线过渡、直线与圆弧过渡和圆弧与圆弧过渡3种成形路径形式对成形精度的影响。结果表明,熔敷层宽度随焊接电流的增加呈线性增加,不同成形路径对成形精度有很大的影响。为了控制成形零件的成形精度,需要精确调节不同路径过渡处焊接参数,为增材制造技术的进一步研究和在传统制造行业中的应用奠定了基础。     

CMT电弧特性对5A56铝合金增材制造构件组织与性能的影响

为了研究CMT电弧特性对铝合金增材制造构件组织与性能的影响,采用CMT、CMT-VP及CMT-P三种电弧形式分别对5A56铝合金进行电弧增材制造.通过高速摄像同步采集系统分析增材制造中的电弧形态及熔滴过渡过程进行跟踪,研究电弧特性对铝合金增材制造构件微观组织与力学性能的影响.试验结果表明:电弧特性对电弧行为和熔滴过渡都产生影响,CMT-VP电弧的EN阶段电弧形态发生变化,弧根上爬包裹熔滴,极区热量使焊丝熔化量增加;CMT-P中脉冲阶段电弧电压和电流都处于峰值且电流峰值较高,导致电弧力较大,熔滴过渡呈滴状,熔池振荡;在焊接电流与熔敷速度相同情况下电弧的线能量大小为CMT-P>CMT>CMT-VP,较低的热输入量使得CMT-VP电弧下薄壁试样的晶粒尺寸最小,组织分布较为均匀,且CMT-VP电弧下试样的力学性能更为优异,硬度均值最高,达到86.01 HV,横向与纵向抗拉强度均最大,分别为344.68?MPa和324.61?MPa,其延伸率分别为30.33％和21.04％.而CMT-P电弧的热输入最大,易形成粗晶组织,力学性能较差.     

基于FLUENT软件的GMAW焊熔池动态行为数值分析模型

基于FLUENT软件,建立了适用的熔化极气体保护焊(gas metal arc welding, GMAW)熔池动态行为数值分析模型,该模型考虑了气—液—固三相耦合. 将电弧热输入视为双椭球体热源模型,将电弧等离子体描述为高速流向熔池的氩气,其流速呈高斯分布,流速峰值依据焊接电流确定,电弧压力与电弧等离子体对熔池表面的切应力在计算过程中获得;将熔滴过渡视为高温液态金属从熔池上部一定区域以一定速度流入熔池过程,通过对流速施加时间脉冲函数表征熔滴过渡频率. 利用该模型对不同条件下GMAW焊熔池热场及流场进行模拟计算,并分析其流体动力学特征. 结果表明,模型能够合理地反映熔池动力学特征,同时还提高了计算效率.     

2219铝合金CMT电弧增材熔滴过渡行为

在冷金属过渡(cold metal transfer,CMT)电弧增材制造过程中,熔池的流动行为极易受到电弧和熔滴的影响,从而严重影响堆积层的稳定性和成形件质量.该文利用高速摄影结果及电信号参数波形图,引入热输入量计算公式,从特征电信号、熔滴过渡特征量、热输入量等方面定量分析了CMT+P模式下送丝速度及脉冲修正系数对熔滴过渡过程及单道成形形貌的影响,同时分析了脉冲变极性冷金属过渡(Advanced CMT,CMT+PA)模式下送丝速度及控制面板上的EP/EN修正系数η对熔滴过渡过程及单道成形形貌的影响,为后续工艺优化提供参考和指导.     

旋转电弧GMAW堆焊短路过渡熔池动态仿真

为探究旋转电弧GMAW堆焊短路过渡时熔池的温度和对流分布规律,利用Flow-3D软件建立三维数学模型,采用球形旋转热源模型,考虑重力、熔滴拖拽力、表面张力、浮力作用,模拟了堆焊状态下,工件材料为Q235的旋转电弧GMAW短路过渡的熔池成形规律. 采用流体体积法追踪熔滴过渡和熔池表面的自由变形,并分析熔滴进入熔池时熔池内部温度场和流场的变化. 结果表明,熔池形成过程中,旋转熔滴对熔池有搅拌作用,并使熔池内部液态金属活性增强,流速变快,熔池内部液态金属体积变大,熔池的宽度变大. 模拟预测的焊缝尺寸、形状与试验吻合良好. 为优化焊接工艺参数、改善旋转电弧GMAW堆焊焊缝质量提供参考依据.     

熔滴主动靶向的激光间接电弧复合增材制造技术初探

对制造精度和效率相矛盾的原因进行了分析,为解决此矛盾,提出了一种新型的熔滴主动靶向的激光间接电弧复合增材制造技术.该技术利用交流双丝间接电弧能量熔化金属丝材实现高熔敷率,利用熔滴主动靶向激光,脉冲激光辅助定量的熔滴定点过渡到熔池保证成形精度.文中对固定质量的熔滴交替形成在固定位置进行了建模分析和初步试验研究,结果表明,通过控制送丝速度和电流频率,可实现双丝交替定点定量熔化,为熔滴主动靶向激光提供了先决条件.     

送丝速度对电弧增材熔池流动及焊道成形影响的数值模拟

通过数值模拟研究了不同送丝速度下电弧增材制造单道熔积成形过程中的传热传质及熔池流态，分析了送丝速度对焊道形貌的影响.结果表明，当送丝速度较小时，基板接受的电弧热较多，熔池的熔深较深且流动性较强，成形焊道较宽且高度较低；随着送丝速度的增大，熔融金属向上堆积，熔池体积增加，送丝速度达到一定值时，电磁力与表面张力达到动态平衡，熔深与焊道高度接近；当送丝速度较大时，液态金属对流减弱，熔深较浅，在表面张力的作用下，熔池边缘收缩导致焊道隆起.模拟与试验结果吻合较好，研究结果可以为GTAW电弧增材技术的工艺参数调控提供理论依据.     

基于改进热源模型的铝合金MIG焊数值分析

采用CMOS高速摄像机检测和分析铝合金熔化极气体保护焊(MIG焊)熔滴过渡行为,确定MIG焊熔滴的过渡频率和速度.在理论分析MIG焊热源特性、热作用模式以及焊缝形貌前提下,从宏观焊接热过程出发,提出并开发了适用于MIG焊的组合体积热源分布模式,MIG焊电弧被处理描述为经典的双椭球体热源模型,熔滴能量作用模式被表示成均匀球体热源模型.同时,在均匀球体热源模型中加入了熔滴热能和动能,实现了熔滴对MIG焊熔池冲击作用的影响.基于上述热源模型,建立了铝合金MIG焊温度场有限元模型,对厚板铝合金MIG焊温度场进行了模拟.结果表明,模拟获取的焊缝熔合线走势及形貌和实际焊接结果相吻合,证明开发的热源模型能够准确描述MIG焊指状熔深特性和热传导过程.     

高频交变磁场对大电流GMAW熔滴过渡和飞溅率的影响

在熔化极气体保护焊过程中,采用大送丝速度,增大焊接电流和焊丝伸出长度是提高焊接熔敷率的直接途径.但当熔滴过渡转变为旋转射流过渡时,电弧不稳,飞溅增大,焊缝成形变差.施加不同频率的纵向交变磁场,对焊缝成形进行控制.采用高速摄像技术,拍摄焊接过程中的电弧形态和熔滴过渡,研究不同频率的磁场对熔滴过渡和焊接飞溅率的影响规律.结果表明,熔滴过渡形式不同,产生飞溅的机理不同;外加频率为1 000 Hz纵向交变磁场时,电弧的旋转半径减小,电弧的挺度增大,旋转射流过渡时电弧更稳定,焊接飞溅率降低,焊缝成形改善.     

电弧增材制造的热源光谱分析

针对电弧增材制造构件成形过程中的热量累积问题,利用光谱分析的方法计算了非熔化钨极惰性气体保护电弧焊(TIG)电弧增材热源的温度场。利用基于高速摄影的光谱采集系统获取增材电弧的特征谱强度分布,提出了基于标准温度法计算非对称增材电弧温度场的模型,并利用Boltzmann法对其进行了验证。结果表明两种方法的计算结果具有较好的一致性。增材电弧中焊丝减小了电弧单侧的半径,并造成电弧温度降低300 K左右;增材一层电弧中心温度达到19500 K,增材11层电弧中心温度达到18000 K;随着增材层数的增加,由于构件的热累积及构件形态的变化均使得产生带电粒子所需的能量减少,从而使得电弧产热减少,电弧温度逐渐降低。     

钢/铅双金属结构熔滴沉积复合TIG电弧增材制造工艺与界面组织研究

采用熔滴沉积复合钨极氩弧焊(TIG)电弧增材制造工艺实现了45钢/锡铅合金双金属结构的直接冶金结合。利用OM、SEM、XRD等研究了钢/铅双金属增材制造结构界面不同位置特征区域的金相组织、界面元素分布和主要物相。结果表明，采用熔滴沉积复合TIG电弧增材制造工艺成形的钢/铅双金属结构界面无明显裂纹、孔隙等宏观冶金缺陷；根据钢/铅界面金属间化合物(IMCs)的分布状态判定，铅合金熔滴在45钢表面的冲击、铺展过程中，同时存在“反应性润湿”和“惰性润湿”，反应性润湿界面存在微小波动并且界面处IMCs为FeSb₂和FeSn₂，惰性润湿界面未析出反应产物且存在微孔隙缺陷。熔池中心处的界面IMCs层厚最大，IMCs层厚约为6μm，随着测试位置逐渐远离熔池中心，界面IMCs层厚呈非线性递减趋势。     

TIG-MIG复合焊电弧特性机理分析

采用TIG-MIG复合焊电弧改善传统单一TIG及MIG焊的不足.基于PID闭环控制,实现恒流恒压外特性输出,从而实现TIG-MIG电弧复合.研究了复合电弧的电弧特性、熔滴过渡形式及不同极性接法对焊缝的影响.结果表明,TIG焊电弧对MIG焊电弧具有良好的维弧作用.TIG-MIG焊电弧复合熔滴过渡过程,TIG焊电弧稳定燃烧,为了保持最小的能量消耗而作用于熔滴上,对熔滴具有加热作用.直流反接具有良好的阴极雾化清理作用.TIG-MIG焊电弧复合能够有效降低焊接飞溅,促进焊缝铺展及成形,实现高效化、优质化的焊接.     

电弧熔丝脉冲GTAW熔滴过渡行为分析

提出了电弧熔丝脉冲GTAW焊接工艺,在非熔化极与工件之间的GTA电弧加入脉冲电流,不仅具有传热与传质分离和无飞溅等优点外,同时通过脉冲GTAW控制熔池熔深与形状,减小热影响区,减少合金元素的烧损.结果表明,随着焊丝距离工件高度的减小,熔滴过渡形式从大滴过渡转为无飞溅搭桥过渡,并且距离越近,熔滴过渡频率越快.当焊丝距离工件一定高度,焊接过程一脉一滴时,存在一个最优的频率可以实现最小的熔滴尺寸.     

中厚板对接MAG-TIG双电弧打底焊研究

研究了MAG-TIG双电弧复合热源中厚钢板自由成形打底焊接工艺,采用高速摄像机采集焊接过程中的电弧形态和熔池流动行为,焊后采用光学显微镜、万能力学性能测试仪等设备对接头进行测试分析。结果表明:与单独脉冲MAG焊相比,MAG-TIG双电弧复合热源打底焊接工艺熔透均匀,且正、反面自由成形连续、稳定;TIG电弧的存在对MAG电弧产生电磁排斥力,使MAG电弧稳定作用于熔池前端;拉伸测试获得的平均拉伸强度为466 MPa,断裂均发生在远离焊缝和热影响区的母材;通过调整TIG电弧的作用位置和电流大小,可以控制MAG电弧加热位置,以及焊接熔池上方热输入的分配,实现了MAG-TIG复合焊接熔池流动行为的调控。     

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。     

电弧摆动对窄间隙GMAW横焊打底焊道成形的影响

采用一款新型摆动电弧窄间隙熔化极气体保护焊焊枪,对FH40厚板进行窄间隙横焊试验,探究不同工艺参数对打底焊道成形、熔滴过渡及缺陷的影响规律。结果表明,摆动幅度对焊道的熔宽和表面凹凸度影响最大,焊接速度对熔深和焊道成形的不对称性影响最大;电弧不摆动时,熔池铺展范围小,焊道凸而窄,坡口两侧无法熔合;电弧摆动过程中熔滴过渡形式和熔池流动状态会发生变化,合适的电弧摆动幅度有助于熔池均匀填满坡口,获得侧壁熔合良好、成形对称的打底焊焊道,但过大的摆动幅度会加快熔池下淌,甚至造成焊道外凸、咬边等焊接缺陷。     

激光+GMAW复合热源焊流体流动数值分析模型

基于FLUENT软件,建立了适用、高效的激光+GMAW复合焊流体流动数值分析模型. 将电弧热输入视为双椭球热源模型,采用基于小孔尺寸的锥体热源模型描述激光热流分布;将金属填充过程视为液态金属从熔池上部边界以一定速度流入熔池过程,并通过对液态金属流速施加时间脉冲函数,模拟熔滴的过渡频率;模型简化了小孔的计算过程,主要考虑熔池中存在的弯曲小孔对流体的影响. 利用FLUENT软件,对激光+GMAW复合热源焊熔池流体流动及小孔形态进行了模拟计算和分析. 结果表明,模型能够合理反映小孔及复合焊流体流动模式的主要特征,且提高了计算效率.     

电弧摆动对窄间隙GMAW横焊打底焊道成形的影响

采用一款新型摆动电弧窄间隙熔化极气体保护焊焊枪,对FH40厚板进行窄间隙横焊试验,探究不同工艺参数对打底焊道成形、熔滴过渡及缺陷的影响规律。结果表明,摆动幅度对焊道的熔宽和表面凹凸度影响最大,焊接速度对熔深和焊道成形的不对称性影响最大;电弧不摆动时,熔池铺展范围小,焊道凸而窄,坡口两侧无法熔合;电弧摆动过程中熔滴过渡形式和熔池流动状态会发生变化,合适的电弧摆动幅度有助于熔池均匀填满坡口,获得侧壁熔合良好、成形对称的打底焊焊道,但过大的摆动幅度会加快熔池下淌,甚至造成焊道外凸、咬边等焊接缺陷。