高强复合链轮CMT增材制造工艺及路径规划研究
发布时间：2021-07-04 05:23
针对刮板输送机链轮在工作过程中磨损过快的问题,提出采用电弧增材制造技术在链窝表面增材一定厚度的高硬度耐磨损层。对比目前各种电弧增材工艺,确定热输入低、沉积速率大的CMT（Cold Metal Transfer）技术作为工艺方法,利用机器人实现自动化堆敷过程。建立了CMT增材制造试验系统,包括:6自由度弧焊机器人、CMT焊接系统、参数采集及控制计算机等。机器人与焊接系统通过Rob5000模块进行通讯,计算机和机器人之间利用Motocom32通讯。根据工艺要求,设计了相应的工装夹具以及预热装置。试验材料为链轮常用的42Cr Mo钢,焊接材料为GFC-103耐磨药芯焊丝。开展了CMT增材制造工艺试验,研究了送丝速度、焊接速度与送丝速度比值和预热温度与堆敷层宏观成形、稀释率、界面结合强度和堆敷层硬度之间的规律。结果表明:在不出现裂纹的情况下,选择较低的预热温度和送丝速度以及较高的焊接速度更利于得到优异的成形质量和性能指标组合。在此基础上分别针对链窝堆敷过程中的平、横、立等位置进行了小热输入工艺试验,确定了适用于链窝曲面的最优成形规范。同时针对堆敷层边缘不齐及起弧和熄弧对成形的影响,提出了轮廓偏...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
链窝曲面
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5用激光3D打印技术进行增材制造，如图1-5所示，首先对磨损后的链轮与标准链轮进行扫描获得点云，进而求得其相应的磨损量，随后对磨损量进行平面分层切片，生成增材路径进行修复。a)待修复区域b)平面分层示意图1-5待增材部分及其平面分层切片[23]1.3电弧增材制造技术（WAAM）研究现状电弧增材制造技术（WireArcAdditiveManufacture,WAAM）采用电弧作为加热热源，熔化金属焊丝，按照特定的路径方案打印出所需形状和尺寸的零件。与粉体增材制造工艺相比，WAAM具有更高的沉积速率和材料利用率；相对于高能束增材方法，WAAM对铝、铜合金等对激光反射率高的材质不敏感，成本低廉，化学成分均匀，成形环境开放且无尺寸限制，成形效率高，可达每小时数公斤，适用于大尺寸复杂构件高效快速成形。但由于熔滴过渡不连续稳定，电弧对熔滴和熔池的干扰，使得焊道表面波动较大，成形质量较低，并且由于热输入存在导致堆积后存在较大残余应力和变形，影响构件力学性能和几何精度，并且这一过程难以控制。综上原因，对于电弧增材制造过程中的焊道成形质量的控制显得尤为困难[24]。电弧增材制造是由TIG、MIG、SAW焊接技术上发展而来。上世纪70年代，Ujiie等[25]使用不同的焊丝，采用SAW和TIG工艺，堆敷了外壁为梯度材料的压力容器。德国的Kussmaul[26]等利用SAW堆积了一个大型的罐状容器，成形速度达到80kg/h，并且具有良好的抗拉强度和韧性。到上世纪90年代，英国的Ribeiro提出“基于金属材料快速成形技术”的概念，Spencer等[27]将GMAW焊枪固定在六轴机器人实现了零件快速制造，奠定了电弧增材制造的基矗近几年，伴随着3D打印等名词的大火，对于WAAM的研究也得到了迅猛发展。在增材制造过程中，能量输入、电
?蠼闲。??恿榛钍视谩５?刍??霾墓ひ杖仁淙氪螅?鄣喂?煞山?洗笄?不稳定，起弧和熄弧对焊道成形影响较大，因此对于GMA增材制造技术的研究一直是近几年的热点。GrafM等人[34]利用MSC.Marc软件分别对G4Si1材料和AZ31材料在钢和镁合金基板上增材过程进行模拟，重点分析了送丝速度和焊接方向（单向和连续焊接）对于多层墙体温度演变的影响，发现连续焊接时温度分布更均匀，得到墙壁成形更加均匀。类似地，OginoY等[35]人通过数值计算结合试验验证的方法，分析了道间冷却条件、热源运动形式对于堆积成形的影响，得到如图1-7的结果。LeiY[36]等建立了堆积过程三维瞬态模型，发现在堆积过程中，随着冷却时间的增加，堆敷层最大温度梯度增加。但在进行到第四层之后，最大的温度梯度与堆敷层高度关系不大，并且每次冷却至室温后得到的最大温度梯度较为稳定。XiongJ[37]对多层单道GMA增材过程中引弧区和熄弧区的焊道成形进行了分析，针对封闭路径，为弥补高差提出了在同一层叠加起弧区和熄弧区的策略；针对开环路径，提出了采用交替沉积方向的控制策略，若不能改变方向，提出了相应的工艺参数调节方案。图1-7冷却控制、焊枪运动方向对于墙壁成形的影响[35]冷技术过渡（CMT）技术是在短路过渡的基础上，实现了电流的精确控制和协调送丝控制，使得整个熔滴过渡过程无飞溅，更重要的整个过程热输入低，具有高熔敷率和低稀释率的特点，适用于堆焊过和薄板焊接。冯吉才[38]针对纯铝薄板进行了研究，得到整个CMT焊接过程中的电流电压波形曲线和熔滴过渡图像，发现CMT实现了稳定的熔滴过渡过程，焊后表面无飞溅且搭桥能力和成形性能优异。Pinkin和Young[39]得到类似的波形曲线，同时根据其高熔敷率和低稀释率
本文编号：3264125
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
链窝曲面
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5用激光3D打印技术进行增材制造，如图1-5所示，首先对磨损后的链轮与标准链轮进行扫描获得点云，进而求得其相应的磨损量，随后对磨损量进行平面分层切片，生成增材路径进行修复。a)待修复区域b)平面分层示意图1-5待增材部分及其平面分层切片[23]1.3电弧增材制造技术（WAAM）研究现状电弧增材制造技术（WireArcAdditiveManufacture,WAAM）采用电弧作为加热热源，熔化金属焊丝，按照特定的路径方案打印出所需形状和尺寸的零件。与粉体增材制造工艺相比，WAAM具有更高的沉积速率和材料利用率；相对于高能束增材方法，WAAM对铝、铜合金等对激光反射率高的材质不敏感，成本低廉，化学成分均匀，成形环境开放且无尺寸限制，成形效率高，可达每小时数公斤，适用于大尺寸复杂构件高效快速成形。但由于熔滴过渡不连续稳定，电弧对熔滴和熔池的干扰，使得焊道表面波动较大，成形质量较低，并且由于热输入存在导致堆积后存在较大残余应力和变形，影响构件力学性能和几何精度，并且这一过程难以控制。综上原因，对于电弧增材制造过程中的焊道成形质量的控制显得尤为困难[24]。电弧增材制造是由TIG、MIG、SAW焊接技术上发展而来。上世纪70年代，Ujiie等[25]使用不同的焊丝，采用SAW和TIG工艺，堆敷了外壁为梯度材料的压力容器。德国的Kussmaul[26]等利用SAW堆积了一个大型的罐状容器，成形速度达到80kg/h，并且具有良好的抗拉强度和韧性。到上世纪90年代，英国的Ribeiro提出“基于金属材料快速成形技术”的概念，Spencer等[27]将GMAW焊枪固定在六轴机器人实现了零件快速制造，奠定了电弧增材制造的基矗近几年，伴随着3D打印等名词的大火，对于WAAM的研究也得到了迅猛发展。在增材制造过程中，能量输入、电
?蠼闲。??恿榛钍视谩５?刍??霾墓ひ杖仁淙氪螅?鄣喂?煞山?洗笄?不稳定，起弧和熄弧对焊道成形影响较大，因此对于GMA增材制造技术的研究一直是近几年的热点。GrafM等人[34]利用MSC.Marc软件分别对G4Si1材料和AZ31材料在钢和镁合金基板上增材过程进行模拟，重点分析了送丝速度和焊接方向（单向和连续焊接）对于多层墙体温度演变的影响，发现连续焊接时温度分布更均匀，得到墙壁成形更加均匀。类似地，OginoY等[35]人通过数值计算结合试验验证的方法，分析了道间冷却条件、热源运动形式对于堆积成形的影响，得到如图1-7的结果。LeiY[36]等建立了堆积过程三维瞬态模型，发现在堆积过程中，随着冷却时间的增加，堆敷层最大温度梯度增加。但在进行到第四层之后，最大的温度梯度与堆敷层高度关系不大，并且每次冷却至室温后得到的最大温度梯度较为稳定。XiongJ[37]对多层单道GMA增材过程中引弧区和熄弧区的焊道成形进行了分析，针对封闭路径，为弥补高差提出了在同一层叠加起弧区和熄弧区的策略；针对开环路径，提出了采用交替沉积方向的控制策略，若不能改变方向，提出了相应的工艺参数调节方案。图1-7冷却控制、焊枪运动方向对于墙壁成形的影响[35]冷技术过渡（CMT）技术是在短路过渡的基础上，实现了电流的精确控制和协调送丝控制，使得整个熔滴过渡过程无飞溅，更重要的整个过程热输入低，具有高熔敷率和低稀释率的特点，适用于堆焊过和薄板焊接。冯吉才[38]针对纯铝薄板进行了研究，得到整个CMT焊接过程中的电流电压波形曲线和熔滴过渡图像，发现CMT实现了稳定的熔滴过渡过程，焊后表面无飞溅且搭桥能力和成形性能优异。Pinkin和Young[39]得到类似的波形曲线，同时根据其高熔敷率和低稀释率
本文编号：3264125
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