基于电弧热源的强制拘束型增材制造技术研究

发布时间：2020-07-03 07:22

【摘要】：电弧增材制造作为一种新兴的金属增材制造技术,由于其相比于成熟的高能束流金属增材制造技术所具有的成形效率高、制造成本低以及成形构件致密度高等优势,被广泛认为是最具有潜力的且最有希望实现金属构件经济可靠增材制造的方法之一,尤其适用于在船舶、航空、航天等领域中大型金属构件的快速成形。针对目前电弧增材制造过程中由于焊接过程固有的热输入较大以及逐层堆积导致的“阶梯效应”而导致的成形精度较低以及成形性能较差等问题。本文创造性地提出了一种基于电弧热源的强制拘束型增材制造技术。与传统的电弧增材制造相比,在该工艺中,通过熔化极焊丝与非熔化钨极之间接触起弧产生的间接电弧作为热源,而不是传统的焊丝与工件之间起弧。并且通过一个立方氮化硼(CBN)陶瓷喷嘴对产生的间接电弧以及液态熔滴施加强制拘束作用。在整个增材制造过程中,间接电弧在陶瓷喷嘴的机械压缩以及热压缩作用下被拘束至竖直向下喷射,可以保温向液态熔池过渡的液态熔滴并且为液态熔池补充必要的热量。同时还可以拘束液态熔滴的轨迹,保证较高的精度。通过以上设置,可以通过改变焊接电参数以及焊枪高度实现焊接热输入的有效控制,热输入可控范围较大,可实现在过热熔滴到固态金属熔滴之间转变。同时,可以通过控制焊接速度来控制增材制造层的几何尺寸。根据设计的原理制造了强制拘束型电弧增材制造专用焊枪,并通过前期试验对其进行了改进及测试,结果表明该专用焊枪可以实现所设计的原理,焊接过程稳定,并实现焊枪的一体化。并使用专用焊枪进行了低合金钢的增材制造试验,探究了低合金钢单层单道焊缝的成形规律,分别讨论不同的保护气流量、焊接速度、焊接电参数及陶瓷喷嘴出口直径对单层单道焊缝成形的影响机制,并利用探索的工艺参数进行了连续双层单道焊缝的增材制造。对单层及双层焊缝截面微观组织进行了分析,结果表明,焊缝内主要由细小的针状铁素体及少量的粒状贝氏体组成,焊缝组织均匀,无明显的各向异性的柱状晶存在,说明焊接热输入较小。双层单道焊缝的显微硬度测试表明,一二层之间硬度较为均匀,不存在硬度突变的区域。除此以外,采用高速摄像系统对不同焊接参数下的电弧形态、熔滴过渡行为及液态熔池形态进行了观察分析,研究各种因素对其的影响,探究焊接过程的成形机制,为增材制造层的成形控制提供了理论依据。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG661
【图文】：

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本文编号：2739370