Al-Mg铝合金双脉冲电弧增材制造技术及工艺研究

作     者：何磊 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：冯曰海

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：双脉冲 电弧增材制造 Al-Mg铝合金 低频频率 电弧特性参数 气孔 组织性能 

摘      要：双脉冲电弧增材制造以双脉冲电弧为热源、丝材为增添材料,快速直接成型致密性、力学性能较好的金属材料复杂几何构件,可极大提高材料的利用率、缩短产品的生产周期、降低生产成本,大幅提高生产效率和制造技术的核心竞争力。本课题基于机器人双脉冲电弧增材制造工艺技术,以增材制造过程及工艺为研究对象,对Al-Mg高强铝合金成型制造构件的外观形貌、关键尺寸、气孔、显微组织、机械性能开展分析研究。首先就多层单道构件进行工艺试验研究,探究低频频率和电弧特性参数对多层单道直壁体组织及性能的影响及其规律。当仅改变低频频率时,发现双脉冲电弧消除气孔效果较直流脉冲电弧好,除根部气孔外直壁体上端气孔率低。多层单道截面组织主体由等轴晶组成,基体为α-Al,晶界处密集分布中间相Alo.56Mg0.44,分布形态呈网状结构。随着低频频率从1Hz提高到9Hz,晶粒尺寸和延伸率先减小后增大,显微硬度和抗拉强度先增大后减小,3Hz时取极值。水平拉伸试样比垂直试样的抗拉强度平均高了 8.4MPa,同时,延伸率高了约5%。随电弧特性参数的增大,电流电压波形从矩形转变为梯形再转变为三角形,且脉冲电流变化速率di/dt逐渐降低。随着脉冲电流变化速率di/dt从高到低变化,多层单道直壁体侧表面粗糙度降低,同时上表面的鱼鳞纹越来越浅。平均晶粒尺寸和实际热输入趋势呈W型变化趋势,平均显微硬度和抗拉强度呈现的M型变化趋势,而垂直拉伸件的延伸率呈持续递增趋势。进一步建立简易多层多道构件算法模型,优化改进最优焊道间距的算法,并对其进行实体成型检验,实验结果和理论结果吻合度较高。同时对不同焊道间距的堆敷构件内部气孔作分析比较,发现气孔分布位置主要位于道间和层间的交界,以及焊道底部的中央位置,且当焊道间距为最优距离时,气孔相对最少。最后采用双脉冲电弧增材制造的方法,建立三维几何模型,并进行路径规划和优化轨迹,在线设计编写机器人程序并采用相对最佳的堆敷工艺参数自动堆敷实体构件,最后检测成型尺寸,发现外壁的倾斜角度与理论值相比误差率仅为1.7%,外倒锥体壁厚的离散系数为2.288%,内十字筋壁厚的离散程度为1.898%,两者壁厚均比较均匀,故用此系统通过参数优化和路径规划可堆敷得到预期设计的高强铝合金构件。