铝合金结构件激光电弧复合增材制造工艺分析

发布时间：2017-04-08 08:17

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【摘要】：增材制造技术(AM)是一种基于离散-堆积思想,通过CAD设计数据,采用逐层累加的方式加工生成实体零件的技术。具有成形效率高、成本低、零件致密等优点,世界各国科研机构对其展开了大量的研究,在各行各业中具有极高的应用价值与广阔的应用前景。与传统的锻造、铸造相比,它不需要模具,制造周期短,柔性化程度高,可以实现数字化和智能化的生产,并且产品力学性能较传统铸造件更加优异,弧焊增材制造与以激光和电子束等为热源的其他增材制造技术相比,具有生产成本低、生产效率高等优点。然而,弧焊增材制造过程中,具有成形精度与净成形零件有一定的差距、残余应力较大、熔池可控性不好、缺少专用的成型材料以及工作环境差等缺点,为了解决弧焊成增材制造过程的一些问题,本文开发出一套激光-电弧复合焊接机器人增材制造系统,采用5356铝合金焊丝为材料进行研究,通过调节成形轨迹与焊接参数,实现力学性能较好,尺寸精度较高的复杂结构件的成形。本文首先对单道焊接进行研究,找到单MIG焊接的最佳焊接工艺参数。在最佳工艺参数下,进一步研究多层成形轨迹的成形工艺和试样的性能关系,归纳总结出工艺参数与轨迹变化之间的关系：合适的层间停留时间可以提高墙体的垂直成形方向的力学性能,采取激光-电弧复合的焊接方法进行墙体堆积可以进一步提高墙体力学性能,同时可以提高成形零件的精度,采取往复堆积的方式可以解决单一方向堆积时,起弧与收弧位置不平齐的缺陷,沿垂直成形方向拉伸试样断口表现为韧脆混合型断裂。采用激光-电弧复合焊接的方法,进行实体零件的堆积,实现了简单框形结构件,曲面结构件的增材制造,首先找到了合适的底板材料,研究了成形参数对框形成形试样的影响,随着电流的增加,成形试样表面形貌得到改善,但电流过高时熔池容易产生外溢与塌陷；随着干伸长的增加,成形试样表面保护效果逐渐降低,干伸长大于15mm时,保护效果变差,出现较多气孔。研究了焊接电流、层间停留时间、提升高度与偏移量对曲面结构件成形的影响,当焊接电流在100A时,零件成型效果较好,不容易产生塌陷等缺陷,层间停留时间为60s,焊枪每层提升高度2mm,实际偏移量为理想偏移量的一半时成形效果最佳。
【关键词】：铝合金 增材制造 力学性能 激光-电弧复合热源
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG409;TP242
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-25
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-12
• 1.2 高能束成形技术12-14
• 1.3 弧焊增材制造技术14-17
• 1.3.1 弧焊增材制造概括14-15
• 1.3.2 弧焊增材制造分类15-16
• 1.3.3 弧焊增材制造应用现状16-17
• 1.4 铝合金激光电弧复合增材制造工艺17-22
• 1.4.1 铝合金焊接特点17-18
• 1.4.2 激光电弧复合增材制造工艺概述18-20
• 1.4.3 铝合金激光电弧复合加工工艺研究现状20-21
• 1.4.4 激光电弧复合工艺的应用21-22
• 1.5 焊接机器人应用22-24
• 1.6 本文主要研究内容24-25
• 2 实验材料及方法25-34
• 2.1 实验材料25
• 2.2 成型设备25-31
• 2.2.1 机器人成型系统25-27
• 2.2.2 数字化焊机27-28
• 2.2.3 实验平台28-29
• 2.2.4 激光-MIG复合热源成型系统29-31
• 2.3 成型过程31
• 2.4 试验分析与测试方法31-34
• 2.4.1 微观分析31-32
• 2.4.2 力学性能测试32-34
• 3 单层焊成形轨迹及工艺研究34-41
• 3.1 焊接参数对成形系数的的影响34-40
• 3.1.1 焊接电流对成形系数的影响34-37
• 3.1.2 焊接速度对成形系数的影响37-40
• 3.2 激光电弧复合方法对成形系数的影响40
• 3.3 本章小结40-41
• 4 多层焊成形轨迹及工艺研究41-55
• 4.1 成形工艺对成形试样的影响41-47
• 4.1.1 单一方向对成形试样的影响41-42
• 4.1.2 往复方向对成形试样的影响42-43
• 4.1.3 不同层间停留时间对试样成形的影响43-44
• 4.1.4 不同层间停留时间对试样力学性能影响44-47
• 4.2 激光对弧焊层间堆积成型的影响47-50
• 4.2.1 加入激光前后零件形貌对比47-48
• 4.2.2 激光功率对墙体力学性能影响48-49
• 4.2.3 加入激光前后硬度分布对比49-50
• 4.3 成形试样的组织分析50-53
• 4.3.1 冷却时间对组织的影响50-51
• 4.3.2 成形方法对组织影响51-52
• 4.3.3 激光对墙体成型与性能的影响机理分析52-53
• 4.4 本章小结53-55
• 5 实体三维零件的增材制造工艺研究55-68
• 5.1 底板材料的选择55-57
• 5.2 焊接参数对框形结构件成形影响57-62
• 5.2.1 焊接电流对框形结构件成形影响57-59
• 5.2.2 干伸长对框形结构件成形影响59-60
• 5.2.3 成形轨迹对框形结构件成形影响60-62
• 5.3 铝合金花瓶零件成型工艺分析62-67
• 5.3.1 焊接电流对成型效果的影响62-63
• 5.3.2 层间停留时间对成型效果的影响63
• 5.3.3 提升高度与偏移量对成型效果的影响63-65
• 5.3.4 激光对成型效果的影响65-67
• 5.4 本章小结67-68
• 结论68-70
• 参考文献70-73
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况73-74
• 致谢74-75

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本文编号：292452