薄壁构件等离子弧增材制造成形特性及尺寸控制

发布时间：2017-10-16 21:09

  本文关键词：薄壁构件等离子弧增材制造成形特性及尺寸控制

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【摘要】：等离子弧丝材增材制造以等离子弧为热源、焊丝为增材材料,快速直接成型致密度高、力学性能好的金属材料复杂几何构件,可极大提高材料的利用率、缩短产品的生产周期,大幅提高生产效率和制造技术的核心竞争力。课题基于机器人等离子弧增材制造工艺技术,以碳钢薄壁构件为研究对象,对增材制造工艺的成形特性及关键尺寸的控制开展研究。首先开展了等离子弧单道单层堆覆工艺研究,确定了堆覆基层的成形工艺参数窗口,并进行了工艺参数与堆覆层宏观尺寸之间的影响规律研究。堆覆速度在20～50cm/min范围内变化时,堆覆层宽度随堆覆速度增大,呈上凸形态。受水冷喷嘴的机械压缩的限制,堆覆层宽度尺寸随堆覆速度的增加逐渐趋近于喷嘴孔径3.2mm。恒定填丝速度条件下,堆覆层宽度与堆覆层高度随堆覆速度的变化表现相反的敏感性。接着进行了直壁体增材工艺试验,并运用MATLAB软件进行了关键成形尺寸建模分析。堆覆层高度影响建模分析表明：增大堆覆电流可以减小堆覆层高度,且中大电流(90～100A)堆覆时的堆覆层高度减小效果比小电流(80～90A)堆覆更明显。参数对堆覆层高度的影响顺序如下：堆覆速度堆覆电流层间等待时间。堆覆层宽度影响建模分析结果表明；当层间等待时间小于60s时,可不考虑层间等待时间对堆覆层宽度影响。参数交互响应曲面分析表明,堆覆速度对堆覆层宽度的影响随着电流的增大而逐渐加强。然后对直壁体的显微组织及力学性能进行试验分析。组织主要由四个典型晶区组成,分别是基板侧由细珠光体及铁素体组成的多次重热层带组织区；中部的细等轴铁素体、少量珠光体及碳化物组成的均匀组织区；顶部结合区域重熔多组态组织区及顶部过热区。不同规范下试样的室温拉伸强度均超过460MPa,屈服强度均高于340MPa,性能与Q345级别钢材相当,断口形貌分析发现拉伸断裂形式均为韧性断裂,与试样中存在的硬质夹杂有关。堆覆层数大于10层,直壁体硬度趋于稳定。最后基于双轴变位机器人等离子弧自动增材制造系统,建立了旋转薄壳件三维几何模型,确定了单矢量+倾斜角度组合成型策略,编制了机器人薄壁锥形体自动增材制造程序,制造了三维旋转薄壁变结构锥形体。测量结果表明,薄壁变结构锥形体的平均壁厚为5.175mm。等离子电弧增材制造工艺精度约为0.2mm,材料的利用率可达96.5%。
【关键词】：等离子弧 丝材增材制造 尺寸 组织及力学性能
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG456.2;TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-22
• 1.1 课题背景及意义11-12
• 1.2 金属增材制造技术研究现状12-21
• 1.2.1 粉末基金属增材制造技术12-15
• 1.2.2 丝材基金属增材制造技术15-21
• 1.3 本文的主要研究内容21-22
• 2 机器人等离子弧增材制造系统及设备22-30
• 2.1 机器人-变位机等离子弧增材系统方案22
• 2.2 机器人-变位机等离子弧增材系统设备22-24
• 2.2.1 焊接机器人本体及控制柜23-24
• 2.2.2 变位机及其他辅助设备24
• 2.3 等离子弧金属增材成型系统设备24-26
• 2.3.1 焊接电源及ROB5000端子25
• 2.3.2 等离子焊枪及送丝机25-26
• 2.4 等离子电弧控制柜26-29
• 2.4.1 基于TIG电源的等离子电源改造可行性分析26-27
• 2.4.2 等离子电弧形式及电弧切换原理27-28
• 2.4.3 等离子电弧控制柜的设计及制作28-29
• 2.5 本章小结29-30
• 3 等离子弧单道堆覆成形特性研究30-39
• 3.1 等离子单道堆覆成形工艺参数窗口的确定30-34
• 3.2 电弧堆覆参数对堆覆层尺寸的影响34-37
• 3.2.1 堆覆层的宏观尺寸34-35
• 3.2.2 堆覆速度对宏观尺寸的影响35-36
• 3.2.3 堆覆电流对宏观尺寸的影响36-37
• 3.3 本章小结37-39
• 4 直壁体堆覆工艺试验及成型尺寸建模39-53
• 4.1 二次回归方程的基本表述39-41
• 4.1.1 二次回归方程多项式及拟合系数计算39-40
• 4.1.2 拟合方程模型检验40-41
• 4.2 二次回归通用旋转组合试验设计41-44
• 4.2.1 回归试验因子水平编码41-42
• 4.2.2 回归试验次数确定42-43
• 4.2.3 试验参数表及试验结果43-44
• 4.3 成型尺寸建模44-51
• 4.3.1 堆覆层高度函数建模45-48
• 4.3.2 堆覆层宽度函数建模48-51
• 4.4 本章小结51-53
• 5 直壁体堆覆件组织及力学性能分析53-70
• 5.1 直壁体堆覆件显微组织53-57
• 5.2 直壁体堆覆件晶粒尺寸分析57-59
• 5.2.1 晶粒度测定方法57-58
• 5.2.2 工艺参数对晶粒尺寸的影响58-59
• 5.3 直壁体堆覆件显微硬度分析59-63
• 5.3.1 显微硬度测试位置及设备59-60
• 5.3.2 显微硬度试验结果分析60-63
• 5.4 直壁体堆覆件拉伸性能63-69
• 5.4.1 拉伸取样63-64
• 5.4.2 拉伸试验结果64-65
• 5.4.3 拉伸断裂机理分析65-69
• 5.5 本章小结69-70
• 6 旋转薄壳件堆覆70-76
• 6.1 旋转薄壳件三维几何模型及成型策略70-71
• 6.1.1 旋转薄壳件三维几何模型70
• 6.1.2 成型策略70-71
• 6.2 旋转薄壳件堆覆机器人程序实现71-73
• 6.2.1 安川机器人编程语言71-72
• 6.2.2 旋转薄壳件堆覆机器人程序实现72-73
• 6.3 旋转薄壳件堆覆成型件73-74
• 6.4 旋转薄壳体堆覆成型件的尺寸检测74-75
• 6.5 本章小结75-76
• 结论76-78
• 致谢78-79
• 参考文献79-83
• 附录83

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本文编号：1044905