旁路耦合微束等离子弧焊增材制造的热过程及变形研究

摘要

电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacture, WAAM）技术是一种利用电弧将焊丝熔积成型的新型制造方法，基本原理是“分层制造，逐层堆积”。WAAM成形件致密度高、生产效率高、成本低，但在连续的热循环作用下，容易引起材料内部组织的复杂转变，同时使零件产生较大的残余应力及变形，影响零件的成形精度，并增加零件性能控制的难度。本文利用旁路耦合微束等离子弧焊（Double-Electrode Micro-Plasma Arc Welding，DE-MPAW）技术，进行304不锈钢电弧增材制造的研究，分析工艺参数、堆积层数及堆垛顺序对单道多层薄壁件成形过程中的热过程、晶粒组织及基板翘曲变形的影响，为更好地控制增材过程中的热输入、优化零件组织、预测并改善基板的变形提供试验基础和理论依据。 首先，针对旁路耦合微束等离子弧焊增材制造过程中的热物理过程，利用 K型热电偶测量堆垛过程中不同焊接速度、不同旁路电流和不同堆垛顺序的热循环曲线，分析堆垛成形时各参数对母材热输入的影响。结果表明，随着焊接速度的增大，母材热输入减少；在合适的旁路电流区间内，增加旁路电流，母材热输入减少；同时同向堆垛散热性要优于往复堆垛。 然后，利用金相显微镜和维氏显微硬度仪等手段，并结合增材过程中所测得的热循环曲线，研究 304不锈钢堆垛件的晶粒组织和显微硬度，分析堆垛高度、旁路电流及堆垛顺序对组织和硬度的影响。结果表明，当增大旁路电流，堆垛件组织的枝晶间距先减小后增大；堆垛顺序对组织的影响表现为不同的散热方向，导致枝晶生长方向发生改变。显微硬度则沿着堆积高度方向缓慢降低，且随着旁路电流增大，硬度先增大后降低；同时堆垛顺序对硬度的影响并不明显。 最后，利用 CCD 摄像机拍摄增材制造过程中单端约束下基板的翘曲变形，分析研究堆积层数、焊接电流、旁路电流和堆垛顺序各参数对基板沿 Z轴变形的影响。结果表明，随堆积层数的增加，基板的 Z轴变形量总是先增大后降低，最后趋于稳定；增大焊接电流，基板的变形量也增大；而在不同的旁路电流下，基板的变形量不同；同时同向堆垛时基板的变形量要大于往复堆垛的。 综上所述，在旁路耦合微束等离子弧焊增材制造中，精确控制旁路电流、合理规划堆垛路径可较好地控制增材制造的热过程、优化堆垛件的组织并改善基板的变形，进而提高堆垛件的性能和精度。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 增材制造研究现状

1.3 课题来源及本文主要研究内容

第2章 试验材料、设备及分析方法

2.1 试验材料

2.2 试验方法

2.3 试验系统

2.4 热过程测试

2.5 组织及性能表征方法

2.6 单端约束下的变形测试

2.7 本章小结

第3章 DE-MPAW增材制造的热过程研究

3.1 DE-MPAW热特性

3.2 电弧增材制造堆垛过程的热分析

3.3 本章小结

第4章 DE-MPAW增材制造热过程与组织关系研究

4.1 堆垛过程与组织关系

4.2 堆垛顺序与组织关系

4.3 本章小结

第5章 DE-MPAW增材制造的变形研究

5.1 堆垛过程与基板变形

5.2 堆垛顺序对变形的影响

5.3 旁路电流对变形的影响

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文