激光增材制造过程熔池温度测试及预测方法的研究

金属材料激光增材制造过程中剧烈循环变化的温度场是影响成形质量的主要原因,通过构建温度经验预测公式提前预测熔池温度,进而指导工艺优化,可有效地提高成形质量,确保成形零件的尺寸高精度。本文通过构建激光增材制造熔池温度测量系统,进行温度场测试实验,并对实验结果进行数学模型的建立,采用Matlab软件对实验数据进行多元线性回归分析,建立了熔池温度经验公式,测试结果与经验公式预测结果对比显示,平均误差为8.18℃,平均精度误差达到0.12%,证明预测公式结果与实际测试结果具有较高的一致性。     

光丝同轴激光增材制造研究进展

增材制造作为实现三维结构快速成形的技术,广泛用于航空航天、汽车交通等领域.当前,激光熔丝增材制造多依托于传统的激光焊接设备,采用旁轴送丝方式,在增材过程中,需调整激光头方向保证送丝和焊接头行进的相对方位,增大了复杂构件增材制造系统控制难度,损失了加工自由度.随着激光加工设备和技术的发展,近年来出现了一种可以解决上述问题...     

电子束熔丝增材制造研究进展及展望

增材制造技术可以实现复杂三维结构件的快速制造,大幅度提高生产效率、减少材料损耗、降低生产成本.相比于电弧和激光增材制造技术,电子束熔丝增材制造凭借其制造成本低、加工效率高、材料利用率高等特点,逐渐成为增材制造领域的研究热点.从成形精度与缺陷调控、组织与性能特点、成形及其控制机理3个方面综合分析了国内外关于电子束熔丝增材...     

金属激光3D打印过程数值模拟应用及研究现状

数值模拟可以高效、有针对性地对金属激光选区熔化成型过程中的温度场、熔池形状、残余应力和变形、凝固过程微观组织演变等过程建立相应的模型并对成形件的相关性能做出准确预测,为工艺优化提供科学的依据,显著降低工艺开发成本和缩短工艺开发周期,有力推动金属增材制造向工业级应用的转变。本文综述了金属激光增材制造过程中温度场、熔池动力学、成形件内部残余应力和变形、显微组织变化4个方面数值模拟的最新研究进展,概述了金属SLM过程数值模拟所取得的最新进展,分析了金属SLM数值模拟领域的研究热点和所存在的计算时间长、成本高等问题,最后提出金属SLM过程数值模拟应将3D打印过程中快速凝固、微熔池等特征与大数据、人工智能、深度学习等技术相结合,进一步提高数值模拟精度,拓宽金属激光增材制造加工窗口,为个性化产品开发提供指导。     

基于回归方法和神经网络的电弧增材制造单道成形形貌预测

目的 针对电弧增材制造技术实际应用中工艺参数选取困难和成形结果难预测的问题,确定高效、准确的电弧增材制造单道成形形貌预测的数学方法,以快速、方便地选取丝材电弧增材制造工艺参数并指导成形质量控制。方法 在单道单层丝材电弧增材制造实验的基础上,采用多种回归方法和神经网络方法分别建立焊接电流、电压和焊枪移动速度等多个工艺参数与增材层宽度、增材层高度及熔池深度等成形形貌参数之间的数学关系模型。结果 电弧增材制造单道成形形貌与焊接电流、电压和焊枪移动速度显著相关,且各参数间存在非线性交互作用;采用多元线性回归法可较准确地预测单道增材层宽度,但对于增材层高度和熔深的预测效果较差;神经网络可良好地处理各工艺参数间复杂的非线性关系,其对增材层宽度、增材层高度和熔深的预测平均误差率分别为4.17%、6.60%和7.01%,显著优于多元线性回归法。结论 采用神经网络法可以准确预测电弧增材制造单道成形的形貌参数,进而指导增材制造工艺参数的选取和成形质量的控制。     

金属增材制造技术及其专用材料研究进展

金属增材制造已成为先进制造技术的一个重要发展方向,是制造领域的国际制高点,有着广阔的发展前景,也存在着巨大的挑战。介绍了激光选区熔化、电子束选区熔化、激光立体成形、电子束熔丝沉积等金属增材制造技术在成形装备、工艺技术和应用方面的研究进展,总结了增材制造用金属粉末和丝材的研制情况,指出了现阶段该技术存在的问题和未来研究方向。     

激光增材制造不锈钢的凝固组织及调控方法研究进展

激光增材制造技术成形的制件具有自由度大、精度高、质量和性能好等优势,随着该技术的日益发展,其在不锈钢材料领域取得了显著的进展。激光增材制造技术成形不锈钢通常呈现出与传统制备工艺显著不同的非平衡凝固组织,表现出复杂的结构特征,而这些特征决定了合金的性能和应用。介绍了激光熔化沉积和选区激光熔化两种激光增材制造技术,选择典型的316L不锈钢及17-4PH不锈钢,综述了激光增材制造不锈钢凝固组织特征的研究现状,重点关注典型多尺度、层次性的组织结构（包括晶粒、宏观缺陷、熔池组织、胞状亚结构、氧化物夹杂等）。系统分析了激光增材制造不锈钢的组织调控方法,包括调整工艺参数、改变工艺环境及热处理等方式,通过组织调控能够影响晶粒的生长及熔池反应,进一步改善其内部微观组织,如形成间隙固溶体或颗粒夹杂物、细化晶粒及消除孔隙等,同时能促进不同相的析出和转变。通过合理地调控凝固组织,能够显著改善不锈钢的组织及机械性能。最后,对激光增材制造不锈钢的未来发展进行了展望。     

电弧熔丝增材制造铝合金研究进展EI北大核心CSCD

电弧增材制造因其独特的无模壳快速近净成形特点而备受关注,有望成为突破铝合金材料研发与工业应用瓶颈的先进制造技术。电弧增材技术在传统电弧焊接的基础上发展而来,二者均以高能电弧为热源、以金属丝材为原材料进行成形。本文综合分析了电弧增材制造工艺与设备研发现状、凝固与固态相变特性、显微组织特点、冶金缺陷概况以及力学性能特点,论述了热丝及多丝增材制造技术前景和电弧增材制造独特的成形方式与相变显微组织特征。针对电弧增材制造铝合金制造精度及稳定性较差、气孔及热裂缺陷严重、材料力学性能优势不突出的问题,提出了电弧增材制造专用设备开发、熔丝累加快速凝固冶金缺陷控制专用方法研发、专用材料成分及显微组织设计、专用热处理工艺制定等发展方向,为加快电弧增材制造铝合金高端化、定制化、专属化发展提供重要参考。     

增材制造镍基高温合金研究进展

镍基高温合金具有强度高、抗氧化能力好、蠕变强度和持久强度好以及抗燃气腐蚀能力的特点,被广泛应用于航空航天、汽车通讯、船舶制造等领域.近年来,增材制造技术的进步加速了增材制造镍基高温合金的发展.激光增材制造对于镍基高温合金的制备具有独特的优势,如生产周期短、成本低以及可进行功能预设等.对于航空发动机及燃气机轮中喷嘴、燃烧室等热段部件以及航天飞行器等复杂零件的成形制造非常有利.目前,相关方面的研究热点主要有激光增材制造过程中凝固组织的变化规律、工艺参数与熔池宏观形态间的关系、残余应力的分析以及缺陷的探究.本文综述了增材制造技术制备镍基高温合金的研究进展,简要概括了增材制造技术和镍基高温合金的发展概况,总结了用增材制造技术制备的镍基高温合金成形件的显微组织、后处理后组织的变化及其对力学性能的影响,最后阐述了增材制造镍基高温合金成形件存在的缺陷及解决方法.     

同轴送粉金属激光3D打印熔池流动、成分分布以及组织生长数值模拟的研究进展

在“中国制造2025”、美国《国家先进制造战略计划》、欧洲航天局《惊奇计划》、日本《增材制造科研计划》、新加坡《工业增材制造项目》以及欧盟《3D打印标准化路线图》等全球新型制造技术迅猛发展的机遇下,金属激光3D打印融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术,以数字化模型文件为基础,通过软件与数控系统将特制材料逐层堆积固化,制造出实体产品,该技术日益成为国内外专家学者的研究热点。它与传统的对原材料进行切削、组装的加工模式不同,是通过材料累加的原理,从无到有地制造产品的新型技术工艺。也正是由于增材制造的这种技术特点,使得它受到全球的广泛关注,将可能会给传统的制造业带来一系列深刻的变革。其中同轴送粉式金属激光3D打印技术因具有成形尺寸大、可利用材料范围广、成形件的材料性能优异等特点,在航空航天、交通、医疗与能源等领域有着广阔的应用前景,成为金属增材制造主流的工艺技术。 3D打印熔池中存在着传热、对流、传质、气-液界面冶金反应以及固-液界面扩散等复杂的动态物理冶金过程。熔池的流体力学行为直接影响材料组织的均匀性以及致密性,因此,如何通过流体力学方法对熔池的流体动态过程进行模拟,建立熔池温度和流场的三维非稳态模型,并定量分析浮力、表面张力、粉末冲击力以及综合作用对3D打印过程温度场、速度场和熔池形态的影响是需要解决的关键问题。 数值仿真模拟是研究同轴送粉式金属激光3D打印熔池动力学过程的重要手段之一。目前,在关于同轴送粉式金属激光3D打印数值模拟和激光焊的数值模拟研究中,已包含较为全面的多尺度数值模型,例如光-粉耦合作用数值模型、熔池气-液界面和固-液混合区界面追踪模型、熔池瞬时变化的热场和流场分析模型、熔池中合金元素的分布过程介观模型以及基于相场法的熔池形貌和显微组织凝固元胞自动机模型等。 本文主要阐述国内外研究学者对同轴送粉式金属激光3D打印仿真模拟的研究进展,主要集中在3D打印过程中熔池瞬时变化的热场和流场分析、合金元素的分布过程以及熔池形貌和显微组织凝固等方面。由于数值模拟方法具有一定的通用性,为了更全面地介绍与同轴送粉式金属激光3D打印技术相关的数值模拟方法,本文也涉及了少量送粉式激光熔覆以及激光电弧填粉焊接等过程的数值模拟工作。     

40Cr轴面激光熔覆Ni60数值模拟

目的 针对激光熔覆过程中熔池内部复杂的传热和对流现象,分析激光功率和扫描速度对熔池内部温度场、流场演变和分布的影响.方法 采用双椭球热源模型,建立了40Cr轴面基体激光熔覆Ni60粉末过程的三维温度场流场数值模型,并进行试验验证.结果 熔覆过程形成了近似椭球体的熔池,最高温度位于移动光斑中心偏后方,达到了2080.4 ...     

Obtaining uniform deposition with variable wire feeding direction during wire-feed additive manufacturing

Wire-feed additive manufacturing is cost competitive and efficient in producing large and complex components in aerospace applications. However, for the additive manufacturing technologies with lateral wire feeding, including laser wire additive manufacturing, electron beam freeform fabrication, plasma arc welding, and gas tungsten arc welding, it is difficult to obtain uniform deposit due to the variable wire feeding direction. In this work, high-angle wire feeding method is proposed to obtain uniform deposit in gas tungsten arc welding-based additive manufacturing. The results illustrate that low wire feeding angle (30°–50°) causes the deposition to break at the back feeding, meanwhile too high wire feeding angle (70°) leads to many littered droplets on one side of the deposition at the condition of side feeding. A uniform deposition can be obtained at the optimal wire feeding angle of 60° in any wire feeding direction, and the reasons have been discussed based on the temperature distribution characteristics of the arc and molten pool. Furthermore, the deposition layers exhibit similar columnar prior β grains, basketweave microstructure, and tensile properties from different wire feeding directions.     

等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊熔池流体行为研究

目的 研究等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊过程的熔池流体行为.方法 综合考虑传热学以及流体动力学,建立Fluent数值分析模型.使用双椭球–锥体热源模型代表等离子弧焊传热模型,用双椭球热源表征GMAW电弧传热并考虑熔滴传热,同时考虑熔池受到的电磁力、浮力、表面张力、等离子流力等作用力.基于Fluent软件,对复合焊过...     

Rapid prototyping with high power fiber lasers

Laser rapid prototyping technologies comprise a set of technologies used in a wide range of materials to produce prototypes or small batches of complex shaped components. This paper presents a research work on rapid prototyping technology with laser additive manufacture of wire based alloy Ti-6Al-4V with an 8 kW fiber laser for the production of components with cylindrical geometry. For this, an engineering system was developed, a demonstration part produced and the deposition process was characterized. Two processing parameters were investigated: and these were the relative position between the wire feeding system and the substrate and the laser beam to wire width ratio. The former affects the molten metal transfer mode and the pressure exerted by the wire tip on the molten pool, while the laser beam to wire width ratio affects the process efficiency, since this is a compromise of process stability and process speed. Both parameters control surface finishing and the smoothness of the part. The melting efficiency of the process is low when compared to alternative processes involving powder pre deposition, but the density of the part is improved with homogeneous structural characteristics.     

CMT成型TC4-DT合金的组织及其形成机理的CET模型预测

采用冷金属过渡模式(Cold Metal Transfer, CMT)的同轴送丝电弧熔丝增材制造技术制备了TC4-DT钛合金直壁墙试块,对其高低倍组织及其形成机理进行了研究,使用3D-Rosenthal模型对其凝固过程进行了模拟计算。低倍组织表明,弧形热影响区为细等轴晶,堆积区底层为细柱状晶区,中层和顶层为等轴晶与短柱状晶的混合。这种组织,与电子束熔丝和旁轴送丝电弧熔丝的粗大柱状晶组织有明显的不同;堆积区的高倍组织以编织状的α相板条为主,在部分原始β晶界可见连续的晶界α相和集束状α相板条,且有热影响层界线,与电子束熔丝和旁轴送丝电弧熔丝的高倍组织接近。模拟计算的结果表明,熔池边界的最大温度梯度约为12652.6 K/cm,最大凝固速度约为1.5 cm/s,该凝固条件处于柱状晶-等轴晶转变(Columnar-Equiaxed Transformation, CET)模型中的混合组织区;根据计算结果,提高输入功率(P)和焊枪移动速度(V)可促进等轴晶的生成,当P>153 W、V>3.2 mm/s时可得到柱状晶与等轴晶混合的低倍组织,且晶粒尺寸随着V的增大呈减小的趋势。     

Transport phenomena in laser surface alloying

A three dimensional, transient model is developed for studying heat transfer, fluid flow and mass transfer for the case of a single-pass laser surface alloying process. The numerical study is performed in a co-ordinate system fixed to the laser which moves with a constant scanning speed. The coupled momentum, energy and species conservation equations are solved using a finite volume technique. Phase change processes are modelled using a fixed-grid enthalpy-porosity technique, which is capable of predicting the continuously evolving solid-liquid interface. The three-dimensional model is able to predict the species concentration distribution inside the molten pool during alloying, as well as in the entire cross section of the solidified alloy. Corresponding experimental results show a good qualitative agreement with the numerical predictions with regard to pool shape and final composition distribution.     

等离子弧焊接熔池和小孔形成过程数值分析

目的 研究等离子弧焊接穿孔过程中熔池内部的金属流动情况和小孔动态变化过程。方法 通过“传热-熔池流动-小孔”之间的相互耦合关系,建立了等离子弧焊接穿孔过程的数值分析模型,通过VOF方法追踪了小孔界面,采用FLOW-3D软件模拟了等离子弧焊接熔池和小孔的形成过程,定量计算了等离子弧焊接温度场、熔池流场及小孔形状;分析了等离子弧焊接熔池和小孔行为;并通过等离子弧焊接实验数据验证了模拟结果。结果 当焊接时间为0~1.0 s时,小孔深度曲线与熔深曲线几乎相同,小孔底部紧贴熔池底部;在2.8 s以后,小孔深度曲线与熔深曲线有一定距离,小孔深度曲线在一定范围内波动,等离子弧焊接电弧挖掘作用到达极限,电弧压力与其他力达到平衡状态。模拟的焊缝熔深为8.04 mm、熔宽为13.20 mm,实验测得的焊缝熔深为8.00 mm、熔宽为13.42 mm。结论 构建的随小孔动态变化的曲面热源模型和电弧压力模型可以描述等离子弧焊接过程中的电弧热-力分布;模拟出了等离子弧焊接熔池和小孔动态演变过程;模拟得到的等离子弧焊接焊缝形貌与实验测得的焊缝形貌基本吻合。     

真空环境下TC4激光熔丝增材制造工艺实验研究

目的 针对TC4金属增材制造制备的零件质量差的问题,研究真空环境下不同工艺参数对TC4激光熔丝增材制造的影响规律。方法 通过单因素单道工艺实验,研究激光功率、扫描速度、送丝比等工艺参数对单道沉积层形貌、宽度和高度的影响。结果 当激光功率小于230 W时,得到的单道表面形貌较为良好,熔覆层与基板区域结合较好,而当激光功率大于230 W时,则会在初始段产生鱼鳞状缺陷。随着激光功率从150 W增大到230 W,单道截面宽度从0.582 mm增大到1.123 mm,增大了93.0%。单道截面高度从0.443 mm降低到0.351 mm,降低了20.8%。当扫描速度小于1.5 mm/s时,单道表面也出现了“鱼鳞”状结构,导致质量下降;当扫描速度从1 mm/s增大到5 mm/s时,单道横截面宽度从1.003 mm降低至0.887 mm,降低了11.6%,而单道横截面高度则从0.332 mm增大至0.353 mm,只增大了6.32%。在不同送丝比情况下,单道表面形貌都较为良好,且随着送丝比从1增大至3,单道沉积层的高度从0.308 mm增大至0.465 mm,增大了51.0%。结论 激光功率是影响单道沉积层表面形貌和横截面宽度的重要因素,而扫描速度对横截面宽度和高度的影响幅度都很小,其影响程度远不如激光功率显著,送丝比只对单道沉积层的高度影响显著。     

固定电弧脉冲TIG焊接熔池流体流动与传热模型

在浮力、电磁力和表面张力梯度共同作用下对固定电弧脉冲ＴＩＧ焊接熔池中的流体流动与传热的动态过程建立了数学模型。在控制方程组强烈耦合的情况下，将处理导热问题边界条件的附加源项法应用于处理动量边界条件，同时采用交替方向隐式迭代法及双块修正技术，使求解非稳态控制方程组的迭代收敛速度大为提高。计算结果展示了脉冲ＴＩＧ焊接过程中，随着焊接电流的周期性变化，熔池流场与热场的周期性变化规律以及熔池形成的动态发展过程。根据该模型得出的计算结果与试验测定结果吻合程度良好。