基于CMT的铝合金电弧增材制造(3D打印)技术及工艺研究

摘要

电弧增材制造是以电弧作为热源，焊丝作为增材材料，快速直接成型致密度高、力学性能好的金属复杂几何构件，可极大提高材料的利用率、缩短产品的生产周期，大幅提高生产效率和制造技术的核心竞争力。课题基于CMT的铝合金电弧增材制造技术，以铝合金零件的尺寸精度、气孔率、组织性能作为研究对象，对增材制造过程开展研究。
　　首先就单道单层试样成形规律进行研究。送丝速度（焊接电流）增大，焊道宽度增大，余高系数也跟着增大。余高则在电流较小时先有微小增加后明显减小。预热有助于改善焊道成形。保护气混入氦气后，试样余高系数会随着氦气比例的提高而提高。
　　进一步研究单道多层成形尺寸精度（宏观尺寸、粗糙度）和气孔率，利用SPSS软件建立了层宽、层高预测模型。层宽预测模型表明:层宽随电流增大而增大，层间等待时间达到60s之后层宽不再发生明显变化。参数对层宽的影响顺序如下:电流＞增材速度＞层间等待时间。层高预测模型表明:增大电流可以增大层高。增大增材速度同样可以增加层高，但速度达到70cm/min后层高不再发生明显变化。参数对层高的影响顺序如下:增材速度＞电流＞层间等待时间。
　　利用图像处理的方法对侧表面粗糙度和最小加工余量进行了评价。小电流、低增材速度时表面粗糙度最小，粗糙度随氦气比例的增加先增加后减小。层间等待时间与粗糙度之间无线性或二次关系，关系比较复杂。对气孔率的研究表明保护气中氦气比例达到75％后，不仅可以有效消除0.2mm以上的宏观气孔，也可以有效消除显微气孔。合适的层间等待时间可以消除大部分宏观气孔，但对消除微观气孔的意义不大。
　　对组织性能的研究表明随送丝速度（焊接电流）的增加，析出相增多，晶粒尺寸增大。层内主要以等轴晶组织存在，层间结合处有少量柱状晶组织。增材速度越快析出相越少，但冶金结合变差。增材速度对垂直焊道方向的抗拉强度影响不大。层间等待时间为30s时由于冶金结合较好，析出相刚开始增多和长大，晶粒尺寸未完全长大。增加保护气中氦气比例后，硬度值先增大后减小，抗拉强度同样先增大后减小。平行增材方向上，拉伸断口主要表现为韧性断裂，垂直增材方向上断口主要表现为韧性断裂和准解理断裂的混合断裂方式。平行增材方向上的抗拉强度大干垂直方向上的。
　　最后采用CMT增材制造的方法，结合3DAutomate、Mastercam软件快速规划复杂路径，进行复杂零件的成形，分析尺寸精度及成形状态，验证电弧增材制造系统可以实现复杂试样的初步成形。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究目的和意义

1．2 增材制造技术国内外研究现状

1．2．1 高能束流增材制造技术

1．2．2 电孤增材制造技术

1．3 铝合金电弧增材制造常见问题

1．3．1 成型精度问题

1．3．2 气孔问题

1．4 主要研究内容

2 实验设备和实验方法

2．1 实验设备

2．1．1 机器人增材成型试验系统

2．1．2 机器人增材成型分层建模软件系统

2．2 试验方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 成型构件特征分析

2．2．3 组织性能测试分析

2．3 典型复杂构件机器人增材成型设计思路

3 单道单层试样成形规律研究

3．1 单道单层试样成形工艺参数的确定

3．2 工艺参数对成形尺寸的影响

3．2．1 送丝速度(焊接电流)对成形尺寸的影响

3．2．2 增材速度对成形尺寸的影响

3．2．3 预热温度对成形尺寸的影响

3．2．4 保护气成分对成形尺寸的影响

3．3 本章小结

4 单道多层增材成形工艺与尺寸“工艺模型”研究

4．1 单道多层薄壁增材成形尺寸精度研究

4．1．1 尺寸精度评定方法

4．1．2 送丝速度(焊接电流)对尺寸精度的影响

4．1．3 增材速度对尺寸精度的影响

4．1．4 保护气成分对尺寸精度的影响

4．1．5 层间等待时间对尺寸精度的影响

4．2 薄壁增材成形气孔影响因素研究

4．2．1 保护气成分对气孔率的影响

4．2．2 层间等待时间对气孔率的影响

4．3 单道多层增材成形工艺与尺寸“工艺模型”研究

4．3．1 实验参数设计

4．3．2 拟合方程模型检验

4．3．3 预测模型的建立

4．4 本章小结

5．单道多层增材成形件组织与性能分析

5．1 5356铝合金单道多层增材成形微观组织分析

5．1．1 送丝速度(焊接电流)对微观组织的影响

5．1．2 增材速度对微观组织的影响

5．1．3 层间等待时间对微观组织的影响

5．1．4 保护气成分对微观组织的影响

5．2 5356铝合金单道多层成形显微硬度分析

5．2．1 送丝速度(焊接电流)对显微硬度的影响

5．2．2 增材速度对显微硬度的影响

5．2．3 层间等待时间对显微硬度的影响

5．2．4 保护气成分对显微硬度的影响

5．3 5356铝合金单道多层成形拉伸性能和断口分析

5．3．1 送丝速度(焊接电流)对抗拉强度和断口的影响

5．3．2 增材速度对抗拉强度和断口的影响

5．3．3 层间等待时间对抗拉强度和断口的影响

5．3．4 保护气成分对抗拉强度和断口的影响

5．4 本章小结

6 5356铝合金薄壁构件增材成形试验研究

6．1 倾斜曲面薄壁构件CMT电弧增材成形试验研究

6．2 弯曲方管薄壁构件CMT电弧增材成形试验研究

6．3 变截面薄壁构件CMT电弧增材成形试验研究

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论文和出版著作情况