基于CMT的不锈钢电弧增材制造温度场、应力场及成型工艺研究

摘要

电弧增材制造是以电弧为热源，均匀送入的焊丝为熔覆材料，直接快速成型致密度高、力学性能优良的金属复杂结构件，可极大提高材料的利用率、生产效率和制造技术的核心竞争力。课题基于CMT的不锈钢增材制造技术，以成型直壁件为研究对象，对增材制造过程中的温度场、应力场、增材制造工艺及成型件组织性能开展了研究。
　　首先对不锈钢CMT增材制造过程中的温度场及应力场进行了研究。建立了基于SYSWELD的增材制造有限元模型，对比了同向连续增材制造、S形连续增材制造及S形间隔时间增材制造三种常用的电弧增材制造路径下温度场及应力场，其结果表明，基板对前四层熔覆层的冷却速率影响较大，且基板能够影响的层数与增材制造方式无关;熔覆层的温度在其上熔覆一定层数后趋于稳定，稳定后的温度在奥氏体不锈钢敏感化温度区间以下，且控制层间温度可以获得较小的稳定温度值;CMT在连续熔覆时热累积作用不明显。奥氏体不锈钢增材制造后残余应力大于屈服强度;同向增材制造时出现较大的残余应力及变形;S形连续增材制造时残余应力分布特点为较大的应力分布在较小的区域，而控制层间温度时表现为较小的应力分布在较大的区域，且都呈现对称分布;增材制造过程中的重热作用相当于进行回火热处理，减小了熔覆层中的残余应力。
　　其次利用MATLAB软件建立了增材制造过程中保护气流量、送丝速度及熔覆速度与成型壁厚的数学模型。该模型表明，送丝速度越大，成型壁厚越大，且当送丝速度超过4.0m/min时，壁厚增加速度明显变慢;保护气流量当与送丝速度交互作用时对成型壁厚影响较为明显;三个因素对成型壁厚影响顺序大致如下:送丝速度=熔覆速度＞保护气流量。
　　最后对比了S形连续增材制造及S形间隔时间增材制造成型直壁件显微组织和力学性能。成型直壁件中组织按照经历的热循环过程的不同主要分为六个区域，其中Ⅰ区与Ⅱ区为底部及底部过渡区域，含有较多枝晶状的残余铁素体，Ⅲ区为熔覆层之间熔合形成的含有少量奥氏体柱状晶区域，Ⅳ区为中部稳定成型区域，铁素体较少，呈现较小树枝晶，Ⅴ区及Ⅵ六为顶部过渡区域及顶部区域，铁素体含量较多。控制层间温度时增加了相应区域的残余铁素体含量。成型直壁件抗拉强度达到了304冷轧后退火不锈钢基板的70％，且均高于铸造态及热轧状态，抗冲击性能达到基板的65％，硬度与基板相当;横向与纵向的拉伸强度、抗冲击性能及塑性表现为不明显的差异性;控制层间温度对不锈钢成型直壁件力学性能影响较小。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景

1．2 国内外增材制造技术研究现状

1．2．1 高能束流增材制造技术

1．2．2 电弧增材制造技术

1．3 增材制造数值模拟研究现状

1．4 研究目的与意义

1．5 主要研究内容

2 实验材料、设备及方法

2．1 实验材料

2．2 机器人CMT增材制造系统

2．3 CMT增材制造数值模拟相关软件

2．3．1 SYSWELD软件简介

2．3．2 SYSWELD软件简单二次开发

2．4 成型结构件性能测试

2．4．1 显微分析

2．4．2 力学性能分析

3 不锈钢CMT增材制造过程的数值模拟

3．1 弧焊增材制造数值模拟理论基础

3．1．1 有限元理论基础

3．1．2 焊接过程传热理论

3．2 焊接热源模型

3．2．1 表面热源模型

3．2．2 体热源模型

3．3 CMT增材制造数值模拟过程

3．3．1 材料数据库的建立

3．3．2 模型的建立与网格划分

3．3．3 热源模型的选择与热源校核

3．3．4 CMT增材制造热循环曲线的验证

3．4 CMT增材制造温度场模拟结果及分析

3．4．1 不同熔覆层热循环过程对比

3．4．2 熔覆层不同位置热循环过程对比

3．5 CMT增材制造应力场模拟结果及分析

3．5．1 三种不同增材制造方式熔覆过程中的瞬时应力对比

3．5．2 冷却后的成型直壁件变形及残余应力对比

3．6 本章小结

4 不锈钢CMT增材制造成形工艺研究

4．1 单道单层成形工艺参数研究

4．2 单道多层成型工艺研究及成型尺寸数学建模

4．2．1 二次回归方程基本表述

4．2．2 二次通用旋转组合实验设计

4．2．3 增材制造直壁件成型壁厚建模

4．3 本章小结

5 成型直壁件组织及力学性能分析

5．1 显微组织分析

5．2 显微硬度测试

5．3 成型直壁件拉伸性能

5．3．1 抗拉强度及延伸率分析

5．3．2 拉伸断口形貌分析

5．4 成型直壁件冲击性能分析

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献