作为当前最热门的增材制造技术之一,定向能量沉积可以实现大尺寸零件的高效成型。激光和电弧是定向能量沉积系统中最常用的热源,但它们在能量输入、能量分布以及与材料的作用机制等方面都存在差异。为此,本文对比了激光和等离子定向能量沉积316L不锈钢单道和薄壁件在尺寸、显微组织、力学性能方面的差异,以揭示两种工艺成型零件的差异。结果表明,在所选的工艺窗口内,激光在冷基板上沉积首层的结合效果要好于等离子。等离子定向能量沉积和激光定向能量沉积的工艺参数对单道尺寸的影响程度不同:在等离子定向能量沉积过程中,电流对层宽的影响最大,然后依次为送粉量和扫描速度,送粉量对层高的影响最大,之后依次是电流和扫描速度;在激光定向能量沉积过程中,扫描速度对层宽的影响最大,然后依次是送粉量和激光功率,送粉量对层高的影响最大,之后依次为扫描速度和激光功率。拉伸试验和显微硬度的测试结果表明:等离子定向能量沉积样件与激光定向能量沉积样件的力学性能相近,激光成型试样的抗拉强度可达593 MPa,等离子成型试样的抗拉强度可达570 MPa;但两者的显微组织存在较大差别,等离子成型试样中以定向生长的细长柱状晶为主,而激光成型试样中的柱状晶较短,不同区域的柱状晶生长方向各异。

为了研究多层单道电弧增材表面3-D成形特征, 采用激光视觉传感系统采集电弧增材制造表面条纹图像。提出基于边界约束条件的感兴趣区域(ROI)提取法对焊缝特征曲线进行定位, 获取ROI的激光条纹像素坐标。进行了理论分析和实验验证, 得到电弧增材表面的3-D离散点数据, 采用Delaunay三角剖分对离散点拟合形成3-D实体表面。结果表明, 锯齿靶标的线性标定方法, 3-D重构精度在0.2mm以内;基于边界约束条件的ROI提取方法能准确定位电弧增材上表面和侧表面的条纹特征曲线。这一结果对电弧增材表面的3-D成形检测是有帮助的。

以316L不锈钢粉末为原料,采用等离子弧沉积技术在高沉积速率下获得了致密无缺陷的单道试样。首先研究了沉积电流、扫描速度、送粉速度与沉积层高度、沉积层宽度、沉积角之间的关系,然后对沉积试样的微观组织和组成成分进行了检测与分析。结果表明:沉积角随着送粉速度的增大而增大,随着沉积电流的增大而减小;沉积角主要是锐角,有利于试样的沉积;沉积电流对沉积层宽度的影响最大,扫描速度对沉积层高度的影响最大,稀释率随着扫描速度的增大而减小,随着沉积电流的增大而增大,随送粉速度增大而减小;沉积试样成分均匀,凝固组织为奥氏体和铁素体。

高效率、低成本、制造周期短且无需模具的电弧增材制造技术为大型复杂金属结构件的生产提供了新方法。基于ANSYS参数化设计语言APDL,借助Jmatpro得到了高温下ER50-6碳钢焊丝材料的物理参数,采用生死单元法实现了电弧增材制造过程的动态模拟仿真。模拟分析了单道单层焊接以及焊后冷却过程的温度场分布及温度的变化规律,并与实验结果进行对比,验证了模拟的可行性与正确性。在此基础上分析了不同基板厚度下电弧增材制造温度场的变化规律,得到了增材制造的最佳基板厚度,并研究了直壁零件单道多层增材制造过程中温度场的变化规律。实验得到的焊道温度变化规律可为增材制造后借助堆焊余温对成形件进行锻打改性的时机的选择提供重要的理论依据。

针对多层单道电弧增材制造侧表面成形检测问题,通过激光视觉传感三维重构系统获取不同焊接条件下焊缝侧表面轮廓深度点云信息,利用RANSAC(Random Sample Consensus)和KNN(K-Nearest Neighbors)点云处理算法提取堆积层侧表面的三维点云。分析多层单道焊缝堆积的层间分布情况,量化堆积层侧表面粗糙度,进而探索堆积过程中焊丝末端与板材间距对堆积层三维成形的影响。研究结果表明,激光视觉传感系统能够准确判断电弧增材侧表面成形情况,三维点云算法可用于电弧增材侧表面的三维重构和特征提取,能够直观地描述和量化堆积层的三维成形特征,为电弧增材制造表面成形检测和量化分析提供了一种新方法。

利用激光冲击强化(LSP)与电弧增材制造(WAAM)复合技术,改善增材构件微观组织及应力状态,并研究LSP前后WAAM 2319铝合金的微观组织、显微硬度以及深度方向残余应力分布。研究结果表明,LSP能够减小WAAM 2319铝合金的晶粒尺寸,优化残余应力分布。LSP后,增材构件的平均晶粒直径由冲击前的68.86 μm减小到34.32 μm,显微硬度由冲击前的67.8 HV增大到100.6 HV;残余压应力的最大值约为90 MPa,影响深度为0.65 mm。

介绍了铝合金增材制造的相关技术研究进展。着重阐述了选区激光熔化、电弧填丝增材制造、激光-电弧复合增材制造在铝合金增材制造领域的优势与发展前景。研究结果表明,选区激光熔化的研究主要集中在成形件致密度的改善、微观组织控制和力学性能提升等方面,现阶段的成形件的致密度已接近100%,微观组织和力学性能优于铸件的但差于锻件的;电弧填丝增材制造的研究主要集中在大型结构的尺寸控制,但较大的热输入量限制了成形结构的性能提升;激光-电弧复合铝合金增材制造的相关研究较少,完善相应的工艺技术及激光与电弧的耦合行为是其发展方向。