电弧增材高氮钢-316L不锈钢成形异材交织结构

摘要

电弧增材制造以电弧为热源，焊丝为增添材料，快速直接成形致密度高、力学性能好的复杂结构件，具有生产周期短、高利用率、高效率等特点。本课题基于双丝PMIG焊接机器人，以高氮钢与316L不锈钢为研究对象，对增材工艺成形特性及宏观几何尺寸的控制进行分析，开展多道重叠堆积试验和增材工艺参数筛选，进行电弧增材成形异材交织结构的工艺研究。
　　首先针对两种材料分别开展沉积单道成形特性工艺研究，确定了两种材料的增材工艺参数窗口，并探索了增材工艺参数对沉积单道宏观几何尺寸的影响规律。对于高氮钢沉积单道的几何尺寸，沉积速度对于宽度的影响大于送丝速度;沉积速度对于高度的影响略大于送丝速度。对于316L不锈钢沉积单道的几何尺寸，送丝速度对于宽度的影响远远大于沉积速度;沉积速度对于高度的影响大于送丝速度。
　　接着进行了多道重叠堆积试验以及增材工艺参数筛选。分析高氮钢多道重叠堆积出现的缺陷，进一步缩小高氮钢增材工艺参数范围，随后对异材沉积单道几何尺寸、截面面积匹配总误差值进行分析，从而得到最适合用于增材成形异材交织结构的工艺参数，异材重叠堆积最佳道间距d*1=4.3mm，同材重叠堆积最佳道间距分别为d*2=4.2mm，d*2=4.4mm。
　　然后对四种增材成形结构进行微观组织和力学性能分析。异材界面中高氮钢以柱状晶形态沿热流方向生长，316L不锈钢以树枝晶生长;重熔区的组织两次受热作用，两次改变生长方向。交织结构异材界面处，316L不锈钢硬度值变大，高氮钢硬度值变小。交织结构保持较高抗拉强度，延伸率大幅增长，塑性变形能力提高。对于交织结构，冲击两种材料的先后顺序造成吸收冲击功的能力不一样;交织结构内部材料分布不同、成分比例相同，侧面吸收冲击功的能力相近;软硬交织复杂部位正面、侧面冲击功相近，抗冲击能力最强。
　　最后建立典型交织结构三维模型，设计分割层的材料成分比例，提出封闭行走路径减少起弧熄弧次数，提高交织结构局部和整体的成形精度，减少需要后处理加工浪费的材料，增材成形典型交织结构件达到具体几何尺寸要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 电弧增材制造技术研究现状

1．1．1 等离子电弧增材制造技术

1．1．2 GTAW电弧增材制造技术

1．1．3 GMAW电弧增材制造技术

1．2 课题背景及意义

1．3 本文主要研究的内容

2 试验材料与方法

2．1 试验材料

2．2 试验设备

2．3 试验方法

2．3．1 沉积单道线能量采集

2．3．2 增材结构微观组织观察

2．3．3 硬度试验

2．3．4 拉伸试验

2．3．5 冲击试验

3 高氮钢与316L不锈钢沉积单道成形特性研究

3．1 沉积单道表面成形质量分析

3．1．1 高氮钢沉积单道表面成形质量分析

3．1．2 316L不锈钢沉积单道表面成形质量分析

3．2 沉积单道宏观几何尺寸分析

3．2．1 高氮钢沉积单道宏观几何尺寸分析

3．2．2 316L不锈钢沉积单道宏观几何尺寸分析

3．3 两种材料沉积单道的线能量分析

3．4 本章小结

4 多道重叠堆积成形分析与增材工艺参数筛选

4．1 高氮钢多道重叠堆积成形分析

4．2 增材工艺参数筛选

4．2．1 沉积单道截面积误差

4．2．2 沉积单道几何尺寸、截面面积匹配相等

4．2．3 异材沉积单道增材工艺参数筛选

4．3 多道重叠堆积道间距

4．4 本章小节

5 增材结构微观组织、凝固特征与力学性能分析

5．1 增材交织结构设计以及宏观形貌

5．2 增材结构显微组织分析

5．2．1 高氮钢显微组织分析

5．2．2 316L不锈钢在显微组织分析

5．2．3 异种材料显微组织分析

5．2．4 异材界面EDS成分分析

5．3 交织结构中高氮钢的凝固模式

5．3．1 凝固模式对组织形态的影响

5．3．2 铬镍当量预测高氮钢凝固模式

5．3．3 氮含量对高氮钢凝固模式的影响

5．4 增材结构显微硬度分析

5．5 增材结构拉伸性能分析

5．6 增材结构冲击性能分析

5．7 本章小结

6 电弧增材成形典型交织结构

6．1 典型交织结构件三维模型

6．2 增材成形交织结构路径规划

6．3 双丝焊接机器人电弧增材交织结构

6．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文