电弧增材制造轨迹及工艺规划研究进展

电弧熔丝增材制造是一种高效快速近净成形制造技术，凭借其低成本、高柔性的显著优势成为中/大型金属零件制造的热点研究方向及首选方案。概述了近年来电弧熔丝增材制造技术在成形轨迹及工艺规划方面的研究进展，总结了三维模型切片方法、具有不同几何特征的二轮轮廓路径规划方法、典型结构的特殊路径规划策略及成形工艺参数优化与控制策略，介绍了多方面提高表面质量与成形精度的工艺方法及悬垂结构、倾斜结构的无支撑打印策略，最后总结了电弧熔丝增材制造技术当前研究进展，指出了未来提升电弧增材制造装备及工艺控制的智能化水平的研究方向。     

镁合金电弧熔丝增材成形质量控制研究

针对镁合金CMT电弧增材制造表面成形质量控制难题,开展了AZ31镁合金电弧熔丝增材制造的沉积行为、成形特性研究,以及单道多层增材构件表面质量控制试验。结果表明:镁合金电弧增材制造的工艺参数优选范围较大,电流为120～160 A、沉积速度为10～12 mm/s时,沉积层宽度均匀一致,宽高比和接触角也较大;采用CMT工艺制备的镁合金单道多层增材试样力学性能无明显各向异性,抗拉强度为243 MPa,屈服强度为109 MPa,断后伸长率在23%左右,显微硬度平均值为57 HV。     

薄壁中空环形件的电弧增材制造工艺分析

基于冷金属过渡技术,研究了全封闭薄壁中空环形件的电弧增材制造工艺. 首先在单层单道熔敷层圆弧形截面轮廓的基础上推导了单道多层熔敷层的叠加数学模型;其次建立了可根据薄壁结构尺寸获取合理工艺参数的等体积电弧增材模型,最后通过试验数据验证了模型的可靠性. 基于该模型,建立了工艺参数(送丝速度、电弧移动速度)与成形件尺寸之间的关系,在优化的增材工艺下成形出了外观质量良好的薄壁中空环形工件,并将成形件扫描得到的实际轮廓与理论轮廓进行对比,验证了叠加模型和等体积增材模型的准确性以及工艺的可行性.     

金属桁架结构成形工艺分析

针对电弧增材制造过程中桁架结构难以制造的问题,提出一种基于冷金属过渡（CMT）点焊工艺的逐点添加空间桁架结构增材制造技术.通过工艺成形试验获得最优的工艺参数,并对桁架结构焊接过程进行受力分析,建立桁架结构制造过程受力数学模型,有效地解决了成型过程中立柱的下榻、熔滴在立柱上的下淌以及焊枪轮廓与构件的碰撞问题.通过受力分析数学模型得出,焊枪以垂直于基板的方向对桁架结构进行堆积时,桁架立柱出现下塌现象的临界角为50°.将数学模型与桁架结构成型路径策略相结合,可以对复杂立体特征桁架构件进行增材制造.最后通过改变单个立柱弯曲角度的桁架结构增材试验,得到满足成型精度要求的桁架结构件,验证了数学模型的正确性及桁架焊成形方法的可行性.     

丝材电弧增材制造技术研究现状及展望

丝材电弧增材制造技术因其成形速度快、成形件尺寸灵活等优点受到越来越多的关注,尤其是大尺寸、复杂形状构件的高效快速成形,丝材电弧增材制造有着其独特的优势。介绍了丝材电弧增材制造技术的工艺过程,从丝材电弧增材制造成形件的成形工艺及表面质量研究、成形件组织性能研究以及成形件残余应力研究三个方面综述国内外丝材电弧增材制造技术的研究现状,总结该技术现阶段在航空航天领域的应用情况,指出研究人员对丝材电弧增材制造技术的相关研究工作聚焦于工艺优化和过程控制两个方向,怎样才能通过熔滴的平稳过渡获得高质量的成形件,如何有效控制逐层堆积过程中晶粒及显微组织变化,以抑制零件内部不良组织的产生是需要继续研究的问题。     

大型金属零件电弧熔丝增材及其复合制造技术研究进展

大型金属零件广泛应用于航空航天、能源、国防等领域中的关键承力结构,多采用铸造或者锻造工艺成形制造。电弧熔丝增材及其复合制造技术是近二十年来迅速发展起来的一种快速近净成形制造技术,具有高效低成本的显著优势,是大型金属零件成形制造中热点研究方向。本文总结概述了近年来大型金属零件电弧熔丝增材制造工艺的应用与研究,指出了金属材料电弧熔丝增材制造中广泛存在的控形控性难题,介绍了多种结合传统塑性成形工艺的电弧熔丝增材复合制造技术及其控形控性方法,最后对大型金属零件电弧熔丝增材及其复合制造技术的发展进行了总结与展望。     

5B06铝合金电弧增材制造工艺参数对成形质量的影响

以5B06变形铝合金为研究对象,重点开展了成形模式、成形电流、成形速度、冷却时间等工艺参数对5B06变形铝合金电弧增材制造成形的影响。结果表明:成形电流、成形速度是多层单道电弧增材制造的重要影响因素。根据多层单道试验效果推荐选用工艺参数为:C+P成形模式,成形电流90~120 A,成形速度6~9 mm/s,每层提升高度1.5 mm,气体保护流量20 L/min。多层单道成形时层间停留可以有效地避免各层之间的热积累效应,适当的层间停留时间可以改善金属表面氧化,避免出现金属流淌,可有效提高成形表面精度。     

Al-Cu-Mg合金电弧增材制造技术研究

受限于铝合金商业丝材的种类,目前铝合金电弧增材制造技术研究主要集中于二元铝合金方面。本研究团队采用双丝电弧增材制造工艺,获得了不同合金组分的三元Al-Cu-Mg铝合金构件,并针对其成形、组织及力学性能等方面进行研究。结果表明:通过合理控制过程工艺参数,可获得良好构件成形;通过控制合金元素组分,可以实现对构件力学性能的有效调控;热处理工艺可以进一步提高构件的力学性能,为深入研究多元铝合金电弧增材制造奠定了基础。     

电弧增材制造金属点阵结构研究进展

金属点阵结构是一种轻质多功能结构,具有高比强度、高比刚度、抗爆吸能、减振降噪等优势,在飞行器、船舶、车辆、建筑等领域具有广泛的应用前景。然而,迄今为止点阵结构件的应用规模仍然十分有限,主要原因是受到制造技术的严重制约。电弧增材制造技术因其离散堆积的成形特点有望实现点阵复杂结构的一体化高效低成本制造。综合分析了电弧增材制造金属空间杆结构与点阵结构的研究现状,从制造原理、成形工艺与方法、制造特点等方面进行论述,并归纳了现阶段各研究机构对于金属点阵电弧增材制造的研究进展。最后介绍了电弧增材造金属点阵结构存在的掣肘,重点分析了现有电弧增材制造在点阵制造与成形控制方面的研究进展与不足,指出了未来电弧增材制造金属点阵结构的主要发展方向。     

AZ31镁合金超音频脉冲方波电弧增材成形控制

镁合金是航天装备结构件制造轻量化的重要结构材料之一,但受限于其成形性差等因素,高性能镁合金复杂构件制造困难,极大地限制了其应用范围.文中针对AZ31镁合金电弧增材成形特性开展研究,率先将自主研发的新型超音频脉冲方波电弧热源用于镁合金电弧增材制造,重点研究了增材过程参数(送丝速度、运动速度)和电流特征参数(变极性电流、变...     

基于CMT的钛合金电弧增材制造技术研究现状与展望

钛合金高强度、高耐热的特性决定了其在航空航天、船舶制造等领域的广泛应用,但由于钛合金的难加工性,使得传统锻造+机加的方式模具损耗严重、制造周期长。增材制造作为一种制造成本低、成形效率高的绿色化制造工艺,凭借其无需模具、直接成形的优势在钛合金制造领域受到国内外学者的广泛关注。电弧增材制造技术相较于其他增材工艺(如激光增材制造、电子束增材制造等)沉积效率更高,不受零件尺寸的限制,在大型和超大型结构件的制造中具有突出优势,其中基于冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)的电弧增材制造技术由于沉积过程更稳定、热输入量更低,已逐渐成为钛合金增材制造领域的研究热点。文中对基于冷金属过渡的钛合金电弧增材制造技术的研究现状进行综述,介绍钛合金打印件的微观组织和力学性能特征,总结分析了成形参数对打印件微观组织与力学性能的影响规律,并概述了形核条件调控、轧制和超声冲击等辅助技术对打印件微观组织与力学性能的影响机制,最后展望了钛合金CMT电弧增材制造的未来发展趋势。     

基于层宽控制的AZ91镁合金TIG电弧增材工艺优化

针对镁合金电弧增材制造表面成形质量控制的难题,通过Design-Expert软件对AZ91镁合金TIG电弧增材的电流、送丝速度、增材速度等工艺参数和熔覆层层宽之间进行建模,探索了各工艺参数对增材层宽的影响规律,并利用增材主要工艺参数和尺寸的数学模型优化了增材电流,根据电流优化值来控制直壁构件层宽。结果表明,对层宽影响最大的是增材电流,其次是增材速度,影响最小的是送丝速度;采用优化后的工艺增材制备的单道多层构件自上至下的层宽波动起伏小,层宽偏差值由4.54 mm减小到0.94 mm,提高了AZ91镁合金增材成形质量。     

基于开源切片路径规划的机器人电弧增材制造系统

为提高电弧增材制造的灵活性和路径规划可靠性,使用ABB IRB1410工业机器人和Fronius CMT TPS3200焊接电源,通过Python自主编程利用开源切片软件Cura,成功搭建了电弧增材制造系统,自主开发了电弧增材制造软件,并进行了4043铝合金电弧增材成形. 结果表明,自主开发的电弧增材软件能够读取开源切片软件Cura输出的二维路径数据,并进行转换和输入工业机器人,控制焊枪运行路径和焊接电源运行参数,有效实现电弧增材制造. 使用直径1.2 mm的4043铝合金焊丝,在送丝速度为3.2 m/min、焊接速度8 mm/s、层高1.65 mm、氩气保护气体流量15 L/min条件下,分别成功制备71层单道多层试样和58层单道多层壳体零件. 试样微观组织分析结果表明,成形件凝固组织为典型柱状晶,层与层之间搭接良好. 壳体零件形状完整、表面质量良好.     

基于层宽控制的AZ91镁合金TIG电弧增材工艺优化

针对镁合金电弧增材制造表面成形质量控制的难题,通过Design-Expert软件对AZ91镁合金TIG电弧增材的电流、送丝速度、增材速度等工艺参数和熔覆层层宽之间进行建模,探索了各工艺参数对增材层宽的影响规律,并利用增材主要工艺参数和尺寸的数学模型优化了增材电流,根据电流优化值来控制直壁构件层宽。结果表明,对层宽影响最大的是增材电流,其次是增材速度,影响最小的是送丝速度;采用优化后的工艺增材制备的单道多层构件自上至下的层宽波动起伏小,层宽偏差值由4.54 mm减小到0.94 mm,提高了AZ91镁合金增材成形质量。     

321不锈钢电弧增材制造构件组织与性能研究

采用3种不同工艺进行321不锈钢电弧增材制造构件打印,借助金相显微镜、扫描电子显微镜研究了焊接速度对电弧增材制造构件组织和力学性能的影响。结果表明:合适的电弧增材制造工艺参数能够保证单道沉积层中无气孔、未熔合及裂纹等缺陷。电弧增材制造321不锈钢的显微组织为奥氏体+δ-铁素体,δ-铁素体呈条状、链状以及岛状分布在奥氏体晶内和晶界处,随着焊接速度的提高,δ-铁素体的数量增加,成形构件的强度先提高后降低,-40℃冲击韧性先降低后提高,其断裂特征为韧性断裂。     

基于电弧的多能场复合增材制造技术研究现状

增材制造主要分为激光增材制造技术、电子束增材制造技术和电弧增材制造技术。相较于其他增材制造技术和传统加工方式,电弧增材制造技术具有成形速度快、成本低、材料利用率高,以及成形件化学成分均匀且性能优良等优势,被广泛应用于大型金属零件制造。电弧增材制造因具有多样化的应用方向,可以满足不同标准零部件的加工制造,已经逐步成为当下主流的零部件加工技术。主要介绍了单一热源(如钨极)气体保护增材制造技术、等离子弧增材制造技术、熔化极气体保护增材制造技术、冷金属过渡增材制造技术和多能场辅助电弧复合增材制造技术,包括磁场–电弧、激光–电弧和电场–电弧等复合增材制造技术等。从宏观形貌、微观组织和力学性能3个角度出发,分析了工艺参数或工艺自身特性对增材制造成形件宏观形貌的影响,讨论了成形件显微组织演变机制及其力学性能,同时提出了单一热源与多能场辅助电弧增材制造技术在现阶段存在的问题,并给出了建议。     

CMT电弧增材制造Inconel 718高温合金成形工艺研究

Inconel 718高温合金具有组织稳定、抗热腐蚀、高温下强度高的特点,可以应用于高温、复杂应力等苛刻环境。文中以CMT电弧增材制造技术为研究对象,以Inconel 718高温合金为成形材料,探索工艺参数影响成形形貌的内在机理,采取电流电压信号采集、高速CCD拍摄熔滴过渡行为的方法,通过控制变量法研究不同工艺参数下的熔滴过渡行为,在此基础上分析工艺参数对单层焊道成形的影响。研究发现：较大的送丝速度成形质量更好,且利于搭接,同时伴随着大量的飞溅;当焊丝伸出长为10 mm时,可获得最小的单道熔宽;对单层单道熔覆层成形影响的大小顺序为送丝速度大于焊丝伸出长。     

基于Cu-Al-Fe合金的粉芯丝材增材制造理论及其温度场分析

目前有关粉芯丝材增材制造的研究较少，其理论尚不成熟.将Cu-Al-Fe合金作为研究对象，系统论述了粉芯丝材电弧增材制造的相关理论(沉积成形理论、梯度传热理论和晶粒细化理论)，并使用Simufact-Welding平台搭建了单道多层数值模型，通过对多组别温度场的分析，获得了试验条件下的最佳工艺窗口，即输入电流140 A和扫描速度0.4 m/min，最后开展了优化工艺窗口下的粉芯丝材沉积成形试验.结果表明，在此工艺窗口下可获得形状较好的薄壁墙，该研究为开展粉芯丝材电弧增材制造提供必要的理论基础与试验依据.     

铝合金点阵结构电弧增材制造技术及应用

电弧增材制造技术是制备点阵结构的有效方法。研究了点阵结构电弧增材制造装备、铝基药芯焊丝设计与制备技术、激光约束电弧工艺和点阵杆件直径、角度控制方法，制备了典型点阵结构示范件。点阵结构电弧增材制造装备由增材制造单元、激光单元与监测单元组成。设计自生Al2O3相铝合金药芯丝材Al-Cu-NiO合金体系，制备出直径1.2 mm的药芯丝材，堆积杆件具有较低的热导率。激光激发大量中性粒子电离，使电弧中的带电粒子大幅度增加，对电弧存在约束和稳定作用，提高成形精度。控制电弧增材制造熔滴体积与个数，可制备直径为2.5～7.0 mm的点阵单元杆件。控制电弧增材制造电弧枪纵向与横向运动量，可制备角度为15°～90°的点阵单元杆件。利用点阵结构电弧增材制造技术实现了平面点阵结构、圆柱面点阵结构和曲母线面点阵结构的高精度成形，点阵结构的平均压缩强度为58.53 MPa，具有较高的承载性能。在点阵测试件的上表面施加均匀热源，热源温度为500℃，时间600 s，测试件下表面温度约93℃，具有较高的隔热性能。     

电弧增材制造成形在线监测与控制研究进展及展望

电弧增材制造以电弧为载能束逐层熔化金属丝材直至形成全焊缝金属构件,因其制造成本低、成形效率高、材料利用率高等优势而备受推崇.成形尺寸的自动检测与控制是推进电弧增材制造技术工程化应用、快速产业化必须解决的关键科学与技术挑战.主要从成形工艺调控、过程在线监测与控制角度阐述了国内外电弧增材制造成形控制技术的研究现状,以红外、电参数和视觉监测原理为出发点,重点分析了现有电弧增材制造在线监测与成形控制技术的研究进展与不足,提出了未来电弧增材制造成形在线监测与控制技术的主要发展方向.