基于等离子焊接增材技术的三维金属零件制造的研究

作     者：SVIATOSLAV PELESHENKO 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨永强

授予年度：2017年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：增材制造 弧焊 微束等离子技术 三维金属零件 计算机模拟 

摘      要：通过3D打印制造复杂形状的金属制品在现代工业中变得越来越迫切。激光技术(如SLM和SLS)以及电子束技术(如EBF3)常常用于3D打印中。使用这些技术制作出来的成品虽然具有比较高的机械性能,但同时具有相当高的成本和较低的效率。近几年来,焊接技术应用于3D打印领域在全世界已成为了一种趋势,其中最常应用的是电弧焊工艺。已进行的研究表明,焊接工艺作为3D打印技术不仅能提高生产效率而且使工艺成本降低几倍。但是使用电弧技术有一个重大的缺陷,它们把制造零件的物理机械特性降低。等离子(微束等离子)焊接工艺却能够解决这个问题和克服传统电弧焊工艺的缺点。作为一个成熟的焊接技术,等离子焊接技术(堆焊技术)可以提供更好的电弧参数和更好的物理性能,可以几倍提高制品的质量。因此,本文的目的为研究基于微束等离子弧焊工艺的三维金属零件制造技术以及基于获得的研究结果开发设备样机。论文研究内容与成果如下:(1)为了进行各种焊接工艺应用的实验,建立了增材焊接工艺综合实验室研究试验台;试验台包括等离子(微束等离子)弧焊电源、等离子模块、熔化极电弧焊、自动冷却机组、用于等离子焊丝堆焊的万能焊枪(在微束等离子及等离子弧焊两个模式下操作)、微束等离子粉末堆焊焊枪、实验室送丝机、粉末定量器。(2)进行了用于增材制造方面的微束等离子弧焊焊枪的设计和工艺参数优化的理论和试验研究。使用了基于纳维-斯托克斯方程式系统的Solidworks FlowSimulation计算程序包,借助这一程序包实现了对等离子弧焊焊枪(用于微束等离子增材制造)的气体动力学过程电脑建模。研究了填料粉末粒子的分布规律和运动轨迹,对多层堆焊过程的工艺参数进行了预测。选择了将粉末引入等离子体形成的和集中的喷嘴之间缝隙的同心方案,这一方案能保证添料粉末流的最佳浓度和堆焊区的最高保护程度。研究了微束等离子电弧和“微束等离子-添料粉末二相流对于堆焊层大小的影响。(3)对比试验研究了添料粉末微束等离子堆焊、添料焊丝微束等离子堆焊、带电流导线的电弧堆焊等工艺的条件对制造的三维金属模型“直高墙的形成特点和结构的影响。在使用15号碳结构钢粉末进行微束等离子堆焊时,获得了密集结构的样本,壁厚为2.5-2.8 mm,表面光滑,有不大的波浪形。使用?Sv-08G2S?牌号的钢丝作为添料材料,通过微束等离子和电弧MAG堆焊制造了类似的三维样本。微束等离子焊丝堆焊工艺也能保证3 mm的厚度,密集的结构,表面光滑。使用?MAG-焊丝?工艺制造这种样本时,样本的枝状微结构更加粗糙,在壁板上层中有非金属杂质和一些气孔;所获得的样本的厚度不少于4-5 mm。(4)制作了用于制造三维金属零件(如:空心筒、圆锥体、方形体,包括带有刚性边、不同形状的结合等)的数控自动化设备样机。在研发时遵循了以下标准:用户广泛、价格较低、维护简单、运行费用低;制造的体积金属零件没有大小的限制(相比机器人);包容性(除了微束焊接头可以替换各种焊接头),支持用粉末和焊丝为添料。样机设备整套包括900×900×900 mm工作区间的简单结构数控3D定位器(可以消除昂贵焊接机器人的应用)。通过研发的样机机制造了大尺寸(直径为80 mm、高度为70 mm)的筒形和锥形的三维金属制品。编制了用在增材制造方面的电弧、等离子、微束等离子和激光不同堆焊工艺的技术经济指标对比表。结果表明,虽然微束等离子工艺的生产效率不如MAG/MIG电弧焊工艺,但是每单位重量的能量消耗2-3次较少。同时微束等离子工艺在获得的金属制品的物理机械属性(强度极限、弹性极限、可塑性、冲击韧性)水平方面超过电弧工艺,以及制品的精度更高和毛糙度更小。另外,获得的单位重量能耗指标表明,微束等离子增材焊接工艺也显著超越激光堆焊工艺。研发的工艺和设备可以作为在工业中广泛用于制造大型工件的基础,尤其是在单次的或小批量的生产中,以及使用高强度非浇注钢和合金制造复杂行政的大型构件和零件。