GTAW工艺参数对钛合金增材制造成形影响研究

摘要

非熔化极气体电弧焊（Gas tungsten arc welding，GTAW）增材制造以高温电弧为热源，熔化填充的焊丝，逐层沉积形成金属零件。GTAW高效率、低成本、无飞溅、成形效果好。本文以TC4钛合金为研究对象，理论分析了 GTAW增材制造中各成形工艺参数对熔滴过渡的影响，设计试验并进行表面成形，期望实现更好的成形，同时测试成形件的力学性能并与铸锻件对比，期望达到和超越铸锻件。目前国内对这方面研究仍然处于初级阶段。
　　通过建立各成形工艺参数与熔滴过渡的数学关系，分析各工艺参数对熔滴过渡的影响规律。同时分析了工艺参数对熔滴过渡模式以及熔滴质量的影响，以及摆动参数对熔滴过渡的影响规律。
　　通过FLUENT软件并基于VOF法对熔滴过渡过程进行了数值模拟，期望获得工艺参数对熔滴过渡模式的影响，并分析气体流速对熔滴过渡过程的影响特性。得出送丝速度是使熔滴过渡模式变化的参数。气体流速可以加快熔滴过渡和影响熔滴形状。为获得良好的熔滴过渡提供了工艺参数的调节趋势。
　　根据钛合金成形环境的需要，自行设计了试验样机及夹具，组建了增材制造成形系统。
　　基于工艺参数对熔滴过渡的影响分析，在合适的工艺参数范围内，通过响应曲面试验设计和正交试验设计研究了工艺参数对成形的影响规律，得到了各参数对成形熔宽、余高的显著性影响规律，并通过方差分析和极差分析以及趋势图分析了各工艺参数对成形的影响。发现在GTAW脉冲参数中，峰值电流是影响熔宽的主要因素，峰值电流的平方是影响余高的主要因素。在速度和摆动参数中，发现送丝速度对余高影响最显著，而沉积速度对熔宽影响最显著。同时得出了各工艺参数对成形熔宽、余高间的多元非线性回归方程。利用工艺参数得到了良好的直壁成形件。
　　通过对试验得到的一系列成形构件进行力学性能测试，分析工艺参数对力学性能的影响特性，并与铸锻件力学性能作对比，为以后获得良好力学性能的钛合金成形件提供了一定的基础。

目录

声明

第1章 绪 论

1.2钛和钛合金概述

1.3 钛合金电弧增材制造技术研究现状

1.4 主要研究内容

第2章 工艺参数对TC4钛合金熔滴过渡影响研究

2.1 GTAW工艺参数对熔滴过渡的影响

2.2 GTAW脉冲参数在熔滴过渡过程的选取规律

2.3 送丝沉积速度比和送丝角度对熔滴过渡的影响规律

2.4 摆动工艺对熔滴过渡的影响特性

2.5 本章小结

第3章 TC4钛合金增材制造熔滴过渡的数值模拟

3.1 熔滴自由表面的跟踪算法

3.2 GTAW增材制造熔滴过渡数值模型的建立

3.3 钛合金增材制造熔滴过渡过程的数值模拟

3.4 本章小结

第4章 TC4钛合金GTAW增材制造系统组建

4.1 GTAW增材制造系统构成

4.2 增材制造系统试验样机设计

4.3 试验样机控制系统组成

4.4 弧焊电源的选择

4.5 送丝驱动装置的选择

4.6 成形工装装置设计

4.7 本章小结

第5章 TC4钛合金成形试验及力学性能测试

5.1 GTAW脉冲参数对钛合金增材制造成形的影响规律

5.2 送丝参数与沉积速度对钛合金增材制造的影响规律

5.3 沉积速度及摆动参数的响应曲面试验方案

5.4 钛合金成形构件的力学性能测试

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢