Al-Mg铝合金双脉冲电弧增材制造技术及工艺研究

摘要

双脉冲电弧增材制造以双脉冲电弧为热源、丝材为增添材料，快速直接成型致密性、力学性能较好的金属材料复杂几何构件，可极大提高材料的利用率、缩短产品的生产周期、降低生产成本，大幅提高生产效率和制造技术的核心竞争力。本课题基于机器人双脉冲电弧增材制造工艺技术，以增材制造过程及工艺为研究对象，对Al-Mg高强铝合金成型制造构件的外观形貌、关键尺寸、气孔、显微组织、机械性能开展分析研究。
　　首先就多层单道构件进行工艺试验研究，探究低频频率和电弧特性参数对多层单道直壁体组织及性能的影响及其规律。当仅改变低频频率时，发现双脉冲电弧消除气孔效果较直流脉冲电弧好，除根部气孔外直壁体上端气孔率低。多层单道截面组织主体由等轴晶组成，基体为α-Al，晶界处密集分布中间相Al0.56Mg0.44，分布形态呈网状结构。随着低频频率从1Hz提高到9Hz，晶粒尺寸和延伸率先减小后增大，显微硬度和抗拉强度先增大后减小，3Hz时取极值。水平拉伸试样比垂直试样的抗拉强度平均高了8.4MPa，同时，延伸率高了约5％。随电弧特性参数的增大，电流电压波形从矩形转变为梯形再转变为三角形，且脉冲电流变化速率di/dt逐渐降低。随着脉冲电流变化速率di/dt从高到低变化，多层单道直壁体侧表面粗糙度降低，同时上表面的鱼鳞纹越来越浅。平均晶粒尺寸和实际热输入趋势呈W型变化趋势，平均显微硬度和抗拉强度呈现的M型变化趋势，而垂直拉伸件的延伸率呈持续递增趋势。
　　进一步建立简易多层多道构件算法模型，优化改进最优焊道间距的算法，并对其进行实体成型检验，实验结果和理论结果吻合度较高。同时对不同焊道间距的堆敷构件内部气孔作分析比较，发现气孔分布位置主要位于道间和层间的交界，以及焊道底部的中央位置，且当焊道间距为最优距离时，气孔相对最少。
　　最后采用双脉冲电弧增材制造的方法，建立三维几何模型，并进行路径规划和优化轨迹，在线设计编写机器人程序并采用相对最佳的堆敷工艺参数自动堆敷实体构件，最后检测成型尺寸，发现外壁的倾斜角度与理论值相比误差率仅为1.7％，外倒锥体壁厚的离散系数为2.288％，内十字筋壁厚的离散程度为1.898％，两者壁厚均比较均匀，故用此系统通过参数优化和路径规划可堆敷得到预期设计的高强铝合金构件。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题目的及意义

1．2．1 国外研究应用现状

1．2．2 国内研究应用现状

1．3 铝合金增材制造技术难点

1．3．1 成型精度难控制

1．3．2 成形件性能难控制

1．4 本文的主要研究内容

2 机器人双脉冲电弧增材制造系统构建和分析方法

2．1 双脉冲电弧增材制造系统

2．2 试验材料及条件

2．3 试验分析测试方法

2．3．1 宏观形貌及显微组织观察

2．3．2 力学性能测试

2．3．3 XRD物相分析及SEM分析

2．4 本章小结

3 双脉冲低频频率对多层单道试样成形特性的影响规律

3．1 试验方案

3．2 试验结果与分析

3．2．1 双脉冲低频频率对电参数Imean和Umean的影响

3．2．2 双脉冲低频频率对波形及热输入的影响

3．2．3 双脉冲低频频率对堆敷构件外观形貌及尺寸的影响

3．2．4 直壁体试样中典型的气孔缺陷分析

3．2．5 双脉冲模式下多层单道直壁体的显微组织特点

3．2．6 双脉冲低频频率对晶粒度的影响

3．2．7 双脉冲模式下多层单道直壁体的相特征

3．2．8 双脉冲低频频率对显微硬度的影响

3．2．9 双脉冲低频频率对力学性能的影响

3．3 本章小结

4 双脉冲电弧特性参数对多层单道试样成形特性的影响规律

4．1 试验方案

4．2 试验结果与分析

4．2．1 电弧特性参数变化规律试验分析

4．2．2 电弧特性参数对表面形貌的影响

4．2．3 电弧特性参数对显微组织晶粒度的影响

4．2．4 电弧特性参数对显微硬度的影响

4．2．5 电弧特性参数对力学性能的影响

4．3 本章小结

5 高强Al-Mg铝合金双脉冲电弧增材制造多层多道堆敷的研究

5．1 最优焊焊道距的传统算法

5．2 最优焊道间距的简化模型

5．3 多层多道成型试验

5．4 不同焊道间距下气孔分析

5．5 本章小结

6 高强Al-Mg铝合金复杂构件的堆敷成型试验研究

6．1 复杂构件三维几何模型的建立

6．2 复杂构件堆敷成型策略及路径规划

6．2．1 堆敷构件成型策略

6．2．2 堆敷构件路径规划及成品构件

6．3 机器人程序设计

6．3．1 ABB机器人编程

6．3．2 路径实现及程序设计

6．4 复杂堆敷成型件的尺寸检测

6．5 本章小结

7 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况