电子束送丝系统及增材制造工艺研究

摘要

本文研究了电子束送丝系统及不锈钢熔丝增材制造工艺，主要设计了电子束送丝系统，并利用自主设计的送丝系统进行电子束熔丝增材工艺研究。
　　在ZD60-6ACV500L电子束焊机内设计电子束送丝系统，送丝系统包括硬件部分和控制部分。送丝系统的硬件部分包括电机、送丝机构、焊丝盘、焊丝盘轴及其安装装置、送丝软管、送丝调节器及其夹具、静电屏蔽装置、送丝系统安装装置;控制部分包括电源开关、送丝启停、送丝速度、送丝方式调节、延迟送丝电路。对送丝系统进行安装与调试，其中电机利用航空插头接入真空室内，运用送丝调节器、电子束观察系统及电子束偏压单元对焊丝端部与电子束束流进行对准调试。
　　本文主要用150×150×10mm的304奥氏体不锈钢为基板，Φ0.8mm的ER-304不锈钢焊丝，进行电子束熔丝增材制造工艺研究。探究了送丝方式、送丝角度、焊丝和电子束与基板的相对位置、电子束束流和焊接速度及送丝速度的匹配等不同的工艺参数对堆覆层宏观形貌的影响。探索了运用自主设计搭建的电子束送丝系统进行电子束熔丝增材制造工艺研究。
　　研究获得了当送丝方式为前置送丝;送丝角度为30°;焊丝端部与电子束束流的相对位置为电子束束流直接作用在焊丝上，焊丝端部离基板的距离为2mm;层宽主要受电子束束流的影响，层高主要受送丝速度和焊接速度的影响，熔深主要束流的影响;线能量在区间[300J/mm，900J/mm]范围内时，可以获得成形质量较好的堆覆层。
　　研究获得了合适的工艺参数:加速电压为60KV，电子束束流为10mA，聚焦电流为663mA，焊接速度为1.0mm/s，送丝速度为5.2mm/s，并运用该工艺参数对304不锈钢进行增材制造研究，堆出5层8道，长62mm，宽25.7mm，高3.58mm的块体。
　　研究结果显示，自主设计搭建的电子束送丝系统可以打印出块体，通过研究各层堆覆层宏观形貌，堆覆层光滑平稳，鱼鳞纹明显。由于同一道焊道中前段与后段的热输入不同，堆覆层的均匀程度也不同。热输入小时，熔滴从焊丝端部滴落进熔池的时间更长，堆覆层的熔滴相对于热输入大的部分不均匀;根据堆覆层层高的不同，需要用送丝调节器调节焊丝端部的高度，将焊丝端部与基板或已凝固堆覆层的距离保持在2mm;重熔区组织的生长方向垂直于熔合线，指向熔池中心，非重熔区组织均匀。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 电子束快速成形的研究现状

1．2．1 电子束快速成形设备的发展

1．2．2 电子束选区熔化增材制造技术研究现状

1．2．3 电子束送丝增材制造技术研究现状

1．3 其他增材制造研究现状

1．4 主要研究内容

2 电子束送丝系统总体设计思路

2．1 电子束送丝快速成形原理及设备基础

2．1．1 电子束快速成形原理

2．1．2 电子束焊机设备基础

2．2 电子束送丝系统设计环境

2．3 送丝系统整体设计

2．4 本章小结

3 电子束送丝系统的设计及调试

3．1 送丝系统的设计要求

3．1．1 送丝机构的设计要求

3．1．2 送丝调节器及其安装装置的设计要求

3．2 送丝系统的硬件设计

3．2．1 送丝电机的选用

3．2．2 送丝机构的选用

3．2．3 送丝调节器的选取

3．2．4 送丝调节器夹具的设计

3．2．5 焊丝盘、焊丝盘轴的选取和安装

3．2．6 送丝系统安装装置的设计

3．2．7 静电屏蔽装置的设计

3．3 控制系统的设计

3．3．1 控制系统技术要求

3．3．2 控制系统接线

3．4 送丝系统系统搭建与调试

3．4．1 送丝系统硬件连接

3．4．2 硬件设备的安装与调试

3．5 电子束送丝系统的工作流程

3．6 本章小结

4 电子束熔丝增材工艺优化

4．1 实验材料和方法

4．2 电子束熔丝增材工艺对堆覆层宏观形貌的影响

4．2．1 送丝方位对单道堆覆层宏观形貌的影响

4．2．2 送丝角度对单道堆覆层宏观形貌的影响

4．2．3 焊丝、电子束、基板的相对位置对焊缝形貌的影响

4．2．4 电子束束流、焊接速度、送丝速度的匹配

4．3 本章小结

5 电子束不锈钢熔丝增材制造

5．1 电子束熔丝增材制造工艺参数

5．2 道间距对单层堆覆层成形的影响

5．3 电子束熔丝不锈块体增材制造结构设计

5．4 多层多道堆覆层外观形貌及分析

5．4．1 第一层堆覆层外观形貌分析

5．4．2 第二层堆覆层外观形貌分析

5．4．3 第三层堆覆层外观形貌分析

5．4．4 第四层堆覆层外观形貌分析

5．5．5 第五层堆覆层外观形貌分析

5．6 电子束送丝增材过程中出现的问题及解决方案

5．7 电子束熔丝增材堆覆层微观形貌

5．8 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

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