薄壁構(gòu)件等離子弧增材制造成形特性及尺寸控制.pdf

1、等離子弧絲材增材制造以等離子弧為熱源、焊絲為增材材料，快速直接成型致密度高、力學(xué)性能好的金屬材料復(fù)雜幾何構(gòu)件，可極大提高材料的利用率、縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，大幅提高生產(chǎn)效率和制造技術(shù)的核心競爭力。課題基于機器人等離子弧增材制造工藝技術(shù)，以碳鋼薄壁構(gòu)件為研究對象，對增材制造工藝的成形特性及關(guān)鍵尺寸的控制開展研究。
　　首先開展了等離子弧單道單層堆覆工藝研究，確定了堆覆基層的成形工藝參數(shù)窗口，并進行了工藝參數(shù)與堆覆層宏觀尺寸之間的影響規(guī)

2、律研究。堆覆速度在20～50cm/min范圍內(nèi)變化時，堆覆層寬度隨堆覆速度增大，呈上凸形態(tài)。受水冷噴嘴的機械壓縮的限制，堆覆層寬度尺寸隨堆覆速度的增加逐漸趨近于噴嘴孔徑3.2mm。恒定填絲速度條件下，堆覆層寬度與堆覆層高度隨堆覆速度的變化表現(xiàn)相反的敏感性。
　　接著進行了直壁體增材工藝試驗，并運用MATLAB軟件進行了關(guān)鍵成形尺寸建模分析。堆覆層高度影響建模分析表明:增大堆覆電流可以減小堆覆層高度，且中大電流(90～100A)堆覆

3、時的堆覆層高度減小效果比小電流(80～90A)堆覆更明顯。參數(shù)對堆覆層高度的影響順序如下:堆覆速度＞堆覆電流＞層間等待時間。堆覆層寬度影響建模分析結(jié)果表明;當層間等待時間小于60s時，可不考慮層間等待時間對堆覆層寬度影響。參數(shù)交互響應(yīng)曲面分析表明，堆覆速度對堆覆層寬度的影響隨著電流的增大而逐漸加強。
　　然后對直壁體的顯微組織及力學(xué)性能進行試驗分析。組織主要由四個典型晶區(qū)組成，分別是基板側(cè)由細珠光體及鐵素體組成的多次重熱層帶組織區(qū)

4、;中部的細等軸鐵素體、少量珠光體及碳化物組成的均勻組織區(qū);頂部結(jié)合區(qū)域重熔多組態(tài)組織區(qū)及頂部過熱區(qū)。不同規(guī)范下試樣的室溫拉伸強度均超過460MPa，屈服強度均高于340MPa，性能與Q345級別鋼材相當，斷口形貌分析發(fā)現(xiàn)拉伸斷裂形式均為韌性斷裂，與試樣中存在的硬質(zhì)夾雜有關(guān)。堆覆層數(shù)大于10層，直壁體硬度趨于穩(wěn)定。
　　最后基于雙軸變位機器人等離子弧自動增材制造系統(tǒng)，建立了旋轉(zhuǎn)薄殼件三維幾何模型，確定了單矢量+傾斜角度組合成型策略，