旁路耦合微束等离子弧焊增材制造的热过程及变形研究

发布时间：2020-06-21 17:31

【摘要】：电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacture,WAAM)技术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”。WAAM成形件致密度高、生产效率高、成本低,但在连续的热循环作用下,容易引起材料内部组织的复杂转变,同时使零件产生较大的残余应力及变形,影响零件的成形精度,并增加零件性能控制的难度。本文利用旁路耦合微束等离子弧焊(Double-Electrode Micro-Plasma Arc Welding,DE-MPAW)技术,进行304不锈钢电弧增材制造的研究,分析工艺参数、堆积层数及堆垛顺序对单道多层薄壁件成形过程中的热过程、晶粒组织及基板翘曲变形的影响,为更好地控制增材过程中的热输入、优化零件组织、预测并改善基板的变形提供试验基础和理论依据。首先,针对旁路耦合微束等离子弧焊增材制造过程中的热物理过程,利用K型热电偶测量堆垛过程中不同焊接速度、不同旁路电流和不同堆垛顺序的热循环曲线,分析堆垛成形时各参数对母材热输入的影响。结果表明,随着焊接速度的增大,母材热输入减少;在合适的旁路电流区间内,增加旁路电流,母材热输入减少;同时同向堆垛散热性要优于往复堆垛。然后,利用金相显微镜和维氏显微硬度仪等手段,并结合增材过程中所测得的热循环曲线,研究304不锈钢堆垛件的晶粒组织和显微硬度,分析堆垛高度、旁路电流及堆垛顺序对组织和硬度的影响。结果表明,当增大旁路电流,堆垛件组织的枝晶间距先减小后增大;堆垛顺序对组织的影响表现为不同的散热方向,导致枝晶生长方向发生改变。显微硬度则沿着堆积高度方向缓慢降低,且随着旁路电流增大,硬度先增大后降低;同时堆垛顺序对硬度的影响并不明显。最后,利用CCD摄像机拍摄增材制造过程中单端约束下基板的翘曲变形,分析研究堆积层数、焊接电流、旁路电流和堆垛顺序各参数对基板沿Z轴变形的影响。结果表明,随堆积层数的增加,基板的Z轴变形量总是先增大后降低,最后趋于稳定;增大焊接电流,基板的变形量也增大;而在不同的旁路电流下,基板的变形量不同;同时同向堆垛时基板的变形量要大于往复堆垛的。综上所述,在旁路耦合微束等离子弧焊增材制造中,精确控制旁路电流、合理规划堆垛路径可较好地控制增材制造的热过程、优化堆垛件的组织并改善基板的变形,进而提高堆垛件的性能和精度。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG661

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