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。

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。