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双丝AC交叉电弧增材制造工艺及性能研究

管志忱  
【摘要】:电弧增材制造技术是依靠焊接电弧把离散材料逐点逐层累积叠加形成三维实体的技术,与传统铸造、冲压等工艺相比,可以大大减小生产成本,较少材料浪费以及缩短研发周期。为了进一步提升电弧增材制造生产效率,电弧增材制造生产过程不断向自动化、智能化方向发展,特别是在原有的焊接基础上,开发新的高效焊接工艺,从焊接方法本身提升熔覆效率。针对目前工业更高效率的需求,提出了在堆垛时采用两根焊丝作为填充物,并且在两根丝之间加交流电的工艺来提高熔覆效率的方法,进行堆垛墙的制备。针对主弧电流、交流电电压与送丝速度等变量对其工艺方法进行分析,观测了这些参数对增材制造过程中熔滴过渡行为的影响。并且在该方法的基础上提出了采用双丝AC交叉电弧增材制造的方法进行梯度功能材料的制备,分析了堆垛层成形、微观组织以及力学性能的变化规律。在双丝AC交叉电弧增材制造工艺研究的过程中,首先搭建了双丝AC交叉电弧增材制造试验平台,在不锈钢基材上进行不锈钢双丝单道单层熔覆试验,分别对主弧电流、送丝速度比和交流电电压对双填丝工艺进行研究,探究这些参数对成形、热循环曲线等参数的影响。同时进行了双丝AC交叉电弧增材制造熔滴受力分析,讨论了不考虑主弧与交叉电弧相互作用下熔滴受力情况,在此基础上,结合所采集的电流电压与熔滴过渡过程来分析熔滴过渡模式。结果表明:主弧电流、送丝速度比和交流电电压对熔覆成形都有较大影响并最终确定主弧电流为80A,交流电压为48.4 V,两根焊丝送丝速度都为110 cm/min时,为最佳工艺参数。双丝AC交叉电弧由一个主弧和一个交流电弧组成,当丝间电压较高或电阻较低时,更容易形成稳定的电弧,此时交流电对熔滴过渡影响更大。由于受交叉电弧的电磁力影响,主弧周期性摆动,周期为50Hz,可以对熔池进行搅拌,细化晶粒,改善堆垛层质量。熔滴过渡周期和熔滴大小都与送丝速度呈负相关关系;随着交流电压的增大,左侧焊丝熔滴过渡周期与熔滴过渡直径都变大,右侧焊丝熔滴过渡周期与直径都减小,这是由于两个熔化极之间的电弧力变化造成的。在双丝AC交叉电弧增材制造的基础上,采用了异种丝材作为填充物进行梯度功能材料的制备并对钛合金进行了强化,同时对梯度钛合金材料电弧增材制造的单道单层、单道多层堆垛墙进行参数优化,得到了成形均匀、连续,没有明显缺陷的堆垛墙。在此基础上研究了不同送丝速度配比时,试样的组织及性能变化。结果表明:交流电的加入可以使主弧进行周期性摆动,且起到搅拌熔池的作用,一定程度上改善了成分不均匀的情况。结合EDS可知堆垛层内Ni元素均匀分布在枝晶上,在凝固过程中,Ni元素与Ti元素发生共析反应,生成Ti_2Ni金属化合物,并在冷却过程中保留下来。通过XRD可知堆垛层内主要由α-Ti、Ti Ni和Ti_2Ni组成。Ti Ni和Ti_2Ni的同时存在可以提升堆垛层的强度和韧性。随着lnconel 625送丝速度的增加,堆垛层的硬度也逐层增加,其硬度值可以达到600HV,比基材的硬度提高300HV,堆垛层抗压强度也有较大提升达到了27KN。摩擦磨损试验中,lnconel 625送丝速度较快的区域呈现出较小的磨损区域,通过异种焊丝增材制造可以明显提升堆垛层表面的耐磨性。


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