基于电磁感应加热的电弧增材制造试验研究

为了解决目前电弧增材制造变形及微观组织形态和力学性能较差的问题,以低碳钢为研究对象,通过试验探索电磁感应加热对电弧增材制造性能的调控作用．使用线激光扫描仪检测成形样件的变形,用金相显微镜观测试样的微观组织形态,采用红外热像仪监控成形过程中的温度场,通过拉伸试验对试样进行力学性能测试．结合温度场深入分析试样的变形、微观组织形态和力学性能,结果表明：电磁感应加热可以减小成形样件的变形,具有同步热处理的作用,可以等轴化晶体、细化晶粒,提高成形样件的力学性能．当感应功率为12.6 kW、线圈-焊枪间距为95 mm时,电磁感应作用效果较好,试样变形减小了62%,成形样件的抗拉强度提升了6.38%,伸长率提升了约1%.     

Tandem-GMAW电弧增材制造基层成型宽度研究及热过程分析

电弧增材制造网格壁板以逐层堆积的方式直接在基板上沉积网格结构,能够极大地提升生产效率并降低成本.在网格壁板的成型过程中,基层的成型和整体的热过程决定了上层是否能成功完成成型.本文针对不同板厚作为基板的基层成型不规律问题,利用不同环境因素下的试验得到其成型熔宽及余高数据,根据得到的数据建立有限元填充模型.采用有限元模拟方式研究基板厚度、预热温度、距边缘距离等关键参数对电弧增材制造网格壁板的影响规律.试验结果表明:随着基板厚度的增加,基层成型宽度明显减小;随着预热温度的升高,在80℃温度以内宽度增加不明显,当预热温度超过120℃,基层成型宽度出现明显的增加;在边缘距离大于20 mm时,边缘距离对成型宽度基本没有影响;边缘距离小于20 mm时,随着边缘距离的减小,成型宽度逐渐加大,在边缘距离为10 mm时整个边缘基板的温度达到500°,基板塌陷倾向明显.最后通过上述试验结果,应用热力学理论构建基层成型数学模型,结合统计学最小二乘法,辅助确定热源参数后采用有限元模拟的方法可以进行不同工艺参数及板厚的热过程研究,这种创新性结合热力学解析解、统计学方法和简单实测解,可以有效地减少电弧增材基层热过程...     

基于节能的增材制造工艺参数优化方法研究

增材制造技术因其能够一层层打印出复杂的零件而日益备受关注,然而,增材制造技术的工艺参数繁多且相互影响,因此,合理选择工艺参数一直以来是研究的重点.为了解决这一问题,文中提出了基于节能的增材制造工艺参数优化方法.首先,分别建立了常见的增材制造技术,如熔融沉积成形(fused deposition modeling,FDM...     

面向增材制造的零件结构及工艺设计

从零件结构设计中的拓扑优化、介观结构、零件整合、流体管道及热交换器设计方面和工艺设计中层内轨迹、建造方向、多轴建造及曲面分层设计方面系统地论述了国内外面向增材制造的零件设计的研究进展,并在此基础上提出了AM零件一体化设计、多尺度下异构胞状结构设计、面向零件性能的工艺设计以及连续碳纤维增强复合材料工艺设计四个未来发展趋势。     

激光电弧增材制造铝合金点阵杆件的精度与性能

采用Box-Benhnken响应面分析法分析了激光参数对激光电弧增材制造2319铝合金点阵杆件成型精度与性能的影响．试验影响因素为激光功率、激光脉冲频率和激光占空比,响应指标为杆件直径、杆件粗糙度和杆件抗拉强度．结果表明：激光功率的变化对杆件直径的影响最显著,激光使电弧能量密度更为集中,导致杆件直径变大;激光功率的变化对杆件粗糙度的影响最大,合适的激光功率能够使熔滴具有良好的铺展性,获得粗糙度较低的杆件;激光脉冲频率对杆件抗拉强度的影响最大,脉冲激光增大了熔滴内部流速,能够减小铝合金内部气孔含量,提高杆件抗拉强度．基于对三个响应指标的综合评定,得出激光作用下所获得的最优杆件的参数为：激光功率为353 W,脉冲频率为60 Hz,占空比为34%,并在此工艺下成功制备出铝合金点阵结构．     

机械振动对电弧增材制造2319铝合金微观组织与机械性能的影响

为了解决电弧增材制造试样晶粒粗大、机械性能较差等问题,在电弧增材制造2319铝合金过程中施加机械振动,分析了机械振动频率和幅度对试样微观组织和机械性能的影响。结果显示：机械振动使熔池流动性提高,熔池更加铺展,层宽增加,层高降低;振动破碎了生长过程中的枝晶,使INZ晶粒尺寸减小14.49 μm,ITZ晶粒尺寸减小4.68 μm;枝晶间隙处的溶质元素含量降低,晶界析出相变得断续且细小,PLC效应间隔增加,材料延伸率显著提高;机械振动频率和机械振动幅度改变时纵向和横向延伸率分别提升了38.2%,15.7%和29.3%,52.5%,而强度变化并不显著。采用机械振动辅助电弧增材制造能够在不影响强度的前提下显著提高试样的塑性,可为机械振动在增材制造领域的广泛应用提供技术参考。     

增材制造成形工艺及其关键技术研究

在研究增材制造技术发展的基础上,对成形工艺过程中的关键技术问题以及裂纹、孔隙、球化等现象,采用理论计算、数值模拟和实验设计分析相结合的方法,进行了增材制造工艺过程分析与成形方法优化。结果发现:成形的材料、工艺、热量输入的瞬时性、局部性及其连续性等因素,制约产品成形的精度和质量,直接决定成形件的致密度和力学性能。通过研究与分析,提出了具体的解决思路与方法,同时也为该领域研究提供了理论基础和研究方法。     

不同基板热沉的铝合金电弧增材控形

从熔池热耗散条件入手,以基板尺寸构建熔池局域差异性传热特征,通过试验探索热沉条件(横向传热-基板宽度、纵向传热-基板厚度)对成形几何和成形形貌的影响规律,籍此从熔池外部这一较为简单的传热过程管理出发,探讨与热输入匹配的热耗散条件,实现电弧增材控形.实验结果表明,基板对沉积层形貌影响主要通过改变熔池周围热耗散实现.当热输入不足时,单层沉积会在起弧处形成垂露状、颈缩等缺陷.基板尺寸越大,热耗散能力越强,沉积层宽度越小,高度越高.基板对沉积层影响随着沉积高度增加逐渐减弱,不同热沉条件下沉积层尺寸最终趋于稳定.通过增大起弧电流和熄弧端悬停的策略来应对基板热沉条件变化,可避免虚焊、熔池流淌等缺陷,改善多层沉积几何成形质量.     

30CrMnSiA金属粉芯型药芯焊丝熔滴过渡分析与电弧增材研究

为探究金属粉芯型药芯焊丝电弧增材加工的可行性,采用30CrMnSiA高强钢粉芯型药芯焊丝,结合高速摄像与电信号同步采集系统,分析焊丝在脉冲熔化极气体保护焊工艺下的熔滴过渡特点和电弧稳定性,在确定的工艺参数下,探讨脉冲工艺WAAM对高强钢药芯焊丝沉积件成形性、组织和力学性能的影响。结果表明,高强钢药芯焊丝熔滴过渡类型为多脉一滴的非轴向小滴短路过渡;沉积件横向和纵向力学性能存在差异,横向强度和韧性均优于纵向;沉积件横向和纵向断口存在大量韧窝,均呈现微孔聚集型韧性断裂,且纵向断口韧窝尺寸明显大于横向。因此,将金属粉芯型药芯焊丝应用于增材加工领域,其性能满足使用要求,可获得组织和力学性能优异的沉积件。研究结果可为提高金属粉芯型药芯焊丝的增材加工效率、改善增材加工性能提供借鉴和参考。     

增材制造技术的应用及发展

增材制造技术是基于材料堆积法的高新制造技术,被认为是近20年来制造领域的一个重大成果.增材制造技术作为一种重要的数字化制造技术,可以由三维数字模型直接成形任意复杂实体结构,省去了传统的材料去除制造方法中使用的刀具、工装、冷却液和其他辅助装置,在产品单件或小批量生产方面具有显著的成本和效率优势.介绍了增材制造技术的发展现状、原理与特点,对目前较为先进的金属成型工艺作了重点介绍,阐述了增材制造技术的工程应用及其今后发展趋势.     

考虑增材制造填充结构强度的拓扑优化方法

提出了一种针对给定薄壁外形的内填充结构拓扑优化方法,用于设计具有优化结构强度、满足增材制造几何要求的轻量化多孔填充结构.基于p范数函数计算结构最大应力近似值,并以最小化该值为优化目标,以提升填充结构强度.通过在优化模型中考虑局部体积约束,获得多孔填充构型,并进一步提出局部体积上限动态调整策略,提升优化过程稳定性,避免优化过程约束过强导致结构构型和应力响应突变甚至优化失败.此外,考虑了自支撑约束,保证优化所得填充结构自支撑,且支撑给定薄壁外形的悬空区域.引入了基于两场公式的优化模型,确保优化所得填充结构满足增材制造最小尺寸要求.数值算例表明,所提方法优化结果与以最小化柔度为目标的填充结构拓扑优化结果相比,在相同质量下结构强度得到了显著提升.在此基础上,在优化模型中考虑了柔度约束,讨论了填充结构刚度、强度的相互影响规律.     

斗轮堆取料机有限元建模方法及模态分析

斗轮堆取料机是一种结构复杂的大型散料运输设备,其有限元模型在建立过程中很容易出现与实际结构对不上的问题.基于三维建模软件SolidWorks和有限元分析软件Hypermesh,提出从局部到整体的逐层建模方法,建立有限元模型.为了验证模型的准确性,针对建立的斗轮堆取料机有限元模型进行模态分析,得到结构前6阶固有频率及振型.基于实验测得该型斗轮堆取料机的固有频率,将其与仿真结果对比,两者得到的固有频率基本一致,测试相对误差在5%以内,精度较好.实验验证及数值仿真表明:通过逐层建模方法建立的有限元模型能有效地揭示斗轮堆取料机的结构特性,为此类型斗轮堆取料机的结构设计和动力学分析提供参考.同时,逐层建模的方法更加快捷高效,为大型复杂结构建模仿真提供了参考和借鉴.     

电弧增材制造复杂截面等距填充路径生成算法

为了解决增材制造、计算机数控(CNC)加工中的任意复杂截面的等距填充问题,提出了一种基于水平集函数的等距填充路径生成算法．首先,针对复杂截面等距填充问题的特点,提出了水平集函数演变偏微分方程及其演变规则,通过有限差分法构建了前向欧拉迭代公式并设计了整个等距填充的算法流程;然后,使用一个复杂截面进行了有限差分数值实验验证,结果表明提出的新算法能够避免复杂的多边形交、差、并、裂解等运算,高效处理复杂截面的等距随形状填充;最后,以一个失效的曲轴热锻模为例,进行了分层切片、等距填充规划处理和电弧熔丝增材制造修复实验,验证了算法的有效性．     

黑龙江省增材制造产业发展对策研究

增材制造是世界范围内新一轮工业革命的核心竞争技术,也是传统制造产业向智能制造产业转型的重要突破口,该产业已经进入到工业信息化的快速发展阶段,被誉为世界范围内引领第三次工业革命的先进技术。在国家大力支持增材制造产业发展的背景下,我们从黑龙江省实际发展情况出发,分析制约黑龙江省增材制造产业发展的关键要素,从而构建黑龙江省增材制造产业发展新优势,助力黑龙江省传统低端制造产业向高端智能制造产业转化,促进原有制造产业提档升级。     

氮化硅光固化增材制造工艺与性能的研究

通过设计浆料配方和设置打印参数,采用光固化增材制造（3D打印）的方法制备出氮化硅陶瓷样品。通过热重-差示扫描量热（TG-DSC）分析得到脱脂温度,确定了脱脂预烧结和高温陈化烧结工艺,得到了氮化硅陶瓷样品。试验结果：氮化硅陶瓷样品收缩率为水平方向65.1%,厚度方向80.0%;密度达到理论值的93.3%;抗拉强度为245.9~279.8 MPa,抗弯强度为308.5~333.2 MPa。平面方向收缩较大,可能引起了拉伸时的层状撕裂。     

无损检测在增材制造技术中的应用研究进展

论述了增材制造的特点及增材制造技术在国内外的发展和应用情况;分析了增材制造成型工艺过程中形成缺陷的类型及特征,同时结合各类无损检测方法的应用特点,介绍了针对增材制造制件的超声检测、计算机断层扫描、涡流检测和红外相机测量等多种无损检测方法,以及它们在增材制造制件检测中的适用性和优缺点;提出了未来增材制造制件无损检测应向无损检测新技术的应用、在线检测方法和无损检测方法标准的建立和完善等方向发展。     

旁路耦合微束等离子弧焊增材制造曲面零件

基于xPC Target实时目标环境,建立了旁路耦合微束等离子弧焊增材制造系统.运用UG/NX软件系统实现了增材制造过程中零件从模型建立、成形路径规划到执行代码生成的一体化和自动化.通过改变旁路电流的大小完成了304L不锈钢椭圆筒形零件和圆柱形零件的快速成形.对堆垛成形后的圆柱形零件进行铣削加工完成了不锈钢戒指零件的加工制造.     

单电源三丝电弧增材制造熔滴过渡行为及精度

为了提高大型金属构件的成形效率与精度,使用了单电源三丝共熔滴电弧增材制造系统．分析了三丝电弧增材制造“共同熔滴”的形成过程,研究了工艺参数对熔滴过渡行为与堆积层形貌的影响,并优化出堆积工艺参数,增材制造出艉轴架轮毂模拟件．三根丝材末端首先形成三个独立的单丝熔滴,熔滴在电磁力和表面张力的作用下形成“共同熔滴”．熔滴不会在丝材末端旋转,具有平稳的熔滴过渡过程．当单电源三丝电弧熔丝增材制造电流为400 A,电压为26 V时为排斥过渡,过渡频率为25 Hz,堆积层平整度为0.86;当电流为500 A,电压为26V时为潜弧过渡,过渡频率为33 Hz,堆积平整度为0.42;当电流为600 A,电压为28 V时为颗粒过渡,过渡频率为66 Hz,堆积平整度为0.38;当电流为700 A,电压为30 V时为射滴过渡,过渡频率为125 Hz,堆积平整度为0.67．单电源三丝成形艉轴架轮毂模拟件优选的工艺参数为：电流为600 A,电压为28 V,其成形精度为±1.2mm,平均成形效率为7 kg/h,并且艉轴架轮毂模拟件力学性能满足使用需求．     

重载齿轮轴损伤轴面增材再制造过程的瞬态热分析

重载齿轮轴的激光再制造增材成形过程与复杂的热物理现象相伴,为了获得优良的工艺性能,对磨损轴面激光再制造过程的温度场动态演化行为及其规律进行研究。通过引入基于计算域虚拟规划算法的网格划分理论建立增材再制造齿轮轴的有限元模型(FEM);利用有限元参数化设计语言(ANSYS APDL)建立模拟熔覆层逐渐沉积的瞬态热分析模型。分析结果表明:熔池呈现偏置彗星状的类椭球形态,高温区域(最高2 018℃)分布在光斑中心靠后部位;温度沿深度方向迅速衰退且衰退规律相似,其峰值温度均超过材料熔点(1 440℃),温度沿宽度方向呈不对称的抛物线形;不同周向位置点均产生急冷、急热和滞后的现象。     

航空发动机及燃气轮机用关键材料的激光增材制造研究进展

增材制造技术可以突破传统工艺的加工和设计局限,实现高性能复杂结构零件的一体化直接成形,在航空发动机及燃气轮机（两机）领域有着巨大的应用潜力。针对镍基高温合金、钛基合金和高强度钢等3类合金,综述了激光工艺参数、成分改性以及外场作用下的微观组织特点和调控方法;比较分析了室温和高温条件下的典型力学性能特征,以及增材制造合金的工艺参数—微观结构—力学性能映射关系,并总结了上述材料在两机领域关键构件的增材制造应用现状和典型案例;展望了面向两机领域关键构件的新型增材制造技术、微观组织调控技术、专用合金体系以及增材制造过程稳定性研究,进一步推动增材制造技术在两机关键领域的推广和应用。