最新刊期
      2023 年 第 2 期

      西南交通大学 熊俊教授

        专题讨论——电弧增材制造

      • 张含嫣,熊俊,陈勇,陈辉
        2023, 53(2): 1-11. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.02.01
        摘要：电弧增材制造作为金属增材制造技术的一个重要分支，以电弧为载能束采用逐层堆积的方式制造金属构件，因其制造成本低、成形效率高、材料利用率高等优势，在航空航天、国防领域具有广阔的应用前景。沉积层热输入与丝材熔化效率的解耦控制是推进电弧增材制造技术高效、高质量发展与应用必须解决的关键科学与技术难题。分析了热输入与成形效率强耦合的主要原因，重点阐述现有的高效成形方法、热积累控制方法、低热输入热源的研究进展与不足，指出了未来电弧增材制造低热输入高效成形的主要发展方向。  
        关键词：电弧熔丝增材制造;热输入;成形效率;热积累   
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        发布时间：2023-03-02
      • 赵淘,闫朝阳,蒋凡,陈树君
        2023, 53(2): 12-23. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.02.02
        摘要：电弧熔丝增材制造是一种高效快速近净成形制造技术，凭借其低成本、高柔性的显著优势成为中/大型金属零件制造的热点研究方向及首选方案。概述了近年来电弧熔丝增材制造技术在成形轨迹及工艺规划方面的研究进展，总结了三维模型切片方法、具有不同几何特征的二轮轮廓路径规划方法、典型结构的特殊路径规划策略及成形工艺参数优化与控制策略，介绍了多方面提高表面质量与成形精度的工艺方法及悬垂结构、倾斜结构的无支撑打印策略，最后总结了电弧熔丝增材制造技术当前研究进展，指出了未来提升电弧增材制造装备及工艺控制的智能化水平的研究方向。  
        关键词：电弧增材制造;工艺规划;切片方法;路径规划   
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      • 丁东红,纪江,张子轩,丁小飞
        2023, 53(2): 24-40. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.02.03
        摘要：数字孪生技术是充分利用物理模型、传感器信息、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程。该技术与增材制造相结合，是实现制造物理世界和信息世界智能互联与交互融合、减少工艺参数试错实验、控制增材制造打印件组织性能和节省打印成本的潜在手段。因此讨论了数字孪生驱动增材制造的背景与意义；介绍了建立增材制造数字孪生系统的关键要素；阐述了增材制造的模型优化设计、分层切片、路径规划、机理模型、传感与控制、统计模型、大数据和机器学习等方面的发展现状以及目前存在的一些挑战；提出了数字孪生驱动增材制造的未来发展方向和研究重点。  
        关键词：增材制造;数字孪生;智能制造;数字模型;实时传感;数据分析;预测与控制   
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      • 曹千卉,曾才有,张睿泽,王海波,齐铂金,从保强
        2023, 53(2): 41-51. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.02.04
        摘要：镁合金是航空航天装备结构件轻量化制造的重要结构材料之一，电弧增材制造技术为大型、整体、高性能难加工金属构件的低成本、高效率制造提供了新的途径。采用电弧增材制造大尺寸镁合金复杂构件可满足航空航天高端装备轻量化、低能耗、高质量、高效率的迫切需求。综述了国内外研究团队在镁合金电弧增材制造方面取得的研究成果和进展，系统归纳了不同电弧增材工艺对镁合金构件控形改性的影响，从增材成形质量、构件组织性能和内部缺陷调控三个方面论述了镁合金电弧增材的成形特征、显微组织演化、冶金缺陷及力学性能特点，指出了镁合金电弧增材制造目前存在的问题及未来需重点关注的研究方向。  
        关键词：镁合金;电弧增材制造;成形质量;凝固缺陷;组织性能   
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        发布时间：2023-03-02
      • 方学伟,杨健楠,陈瑞凯,黄科,卢秉恒
        2023, 53(2): 52-67. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.02.05
        摘要：增材制造技术是制造业信息化、数字化、智能化的重要组成内容，而电弧增材技术在铝合金成形中具有较好的应用优势。从金属增材制造技术分类、发展历程、标准规范、技术原理等方面，对比分析了不同增材制造技术的优势与局限。特别介绍了以冷金属过渡技术为代表的电弧增材技术，讨论了电弧增材技术的自身优势与局限性，及其应用于铝合金结构件一体化制造的优势。从成形工艺、气孔缺陷、强韧化技术等多方面综述了国内外铝合金电弧增材技术的研究发展，介绍了目前国内外在铝合金电弧增材制造方向的研究工作以及遇到的主要问题，重点分析了铝合金电弧增材制造样品强韧化方法与效果，介绍了国内外的相关优秀案例。最后总结了未来铝合金电弧增材制造技术需要着重解决的问题与方向，包括原材料质量问题、几何精度问题、气孔、热裂纹和残余应力问题、组织和力学性能问题。  
        关键词：电弧增材制造;铝合金;成形工艺;质量控制;研究进展   
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        发布时间：2023-03-02
      • 董博伦,蔡笑宇,夏云浩,林三宝
        2023, 53(2): 68-75. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.02.06
        摘要：电弧增材制造技术适用于铝合金大型复杂构件的一体化成形制造，当前国内外学者已针对不同系列的铝合金进行了大量研究。梳理了近年来铝合金电弧增材制造技术的相关研究，总结了针对Al-Cu、Al-Mg、Al-Si、Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si和Al-Zn-Mg-Cu多个系列铝合金的电弧增材研究进展，包括各系列铝合金的组织性能特点、成形效果等方面的研究成果。介绍了铝合金电弧增材制造中常见的组织缺陷，如电弧增材铝合金组织中的孔洞、热裂纹等，以及采用合适的工艺参数和合金设计等解决办法。通过对不同系列铝合金的增材现状和组织缺陷的分析，为铝合金电弧增材制造技术的进一步发展提供了有益的参考。  
        关键词：电弧增材制造;铝合金;微观组织;力学性能   
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        发布时间：2023-03-02
      • 徐田秋,敬晨晨,毛昊,李坤,韩骁,鲁涛,马树元,刘长猛
        2023, 53(2): 76-86. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.02.07
        摘要：金属点阵结构是一种轻质多功能结构，具有高比强度、高比刚度、抗爆吸能、减振降噪等优势，在飞行器、船舶、车辆、建筑等领域具有广泛的应用前景。然而，迄今为止点阵结构件的应用规模仍然十分有限，主要原因是受到制造技术的严重制约。电弧增材制造技术因其离散堆积的成形特点有望实现点阵复杂结构的一体化高效低成本制造。综合分析了电弧增材制造金属空间杆结构与点阵结构的研究现状，从制造原理、成形工艺与方法、制造特点等方面进行论述，并归纳了现阶段各研究机构对于金属点阵电弧增材制造的研究进展。最后介绍了电弧增材造金属点阵结构存在的掣肘，重点分析了现有电弧增材制造在点阵制造与成形控制方面的研究进展与不足，指出了未来电弧增材制造金属点阵结构的主要发展方向。  
        关键词：电弧增材制造;点阵结构;成形工艺;空间杆结构   
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        发布时间：2023-03-02
      • 郑博,余圣甫,禹润缜,李勇杰,唐论
        2023, 53(2): 87-96. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.02.08
        摘要：电弧增材制造技术是制备点阵结构的有效方法。研究了点阵结构电弧增材制造装备、铝基药芯焊丝设计与制备技术、激光约束电弧工艺和点阵杆件直径、角度控制方法，制备了典型点阵结构示范件。点阵结构电弧增材制造装备由增材制造单元、激光单元与监测单元组成。设计自生Al2O3相铝合金药芯丝材Al-Cu-NiO合金体系，制备出直径1.2 mm的药芯丝材，堆积杆件具有较低的热导率。激光激发大量中性粒子电离，使电弧中的带电粒子大幅度增加，对电弧存在约束和稳定作用，提高成形精度。控制电弧增材制造熔滴体积与个数，可制备直径为2.5~7.0 mm的点阵单元杆件。控制电弧增材制造电弧枪纵向与横向运动量，可制备角度为15°~90°的点阵单元杆件。利用点阵结构电弧增材制造技术实现了平面点阵结构、圆柱面点阵结构和曲母线面点阵结构的高精度成形， 点阵结构的平均压缩强度为58.53 MPa，具有较高的承载性能。在点阵测试件的上表面施加均匀热源，热源温度为500 ℃，时间600 s，测试件下表面温度约93 ℃，具有较高的隔热性能。  
        关键词：金属点阵结构;电弧增材制造;铝合金;装备;药芯丝材   
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      • 韩庆璘,何澳,李鑫磊,张广军,黎文航
        2023, 53(2): 97-103. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.02.09
        摘要：双钨极TIG电弧具有低电弧压力特性，能够在大电流下避免驼峰、咬边等缺陷，提高熔敷效率。为将其应用于增材制造，采用单丝输送和双丝输送两种模式，针对200 A以上的大电流双钨极TIG电弧，研究熔敷电流、送丝速度、行走速度对熔敷成形的影响。结果表明，在单丝输送模式下， 200~350 A电流范围内，送丝速度过快会导致熔敷道铺展不良，而在350 A以上，送丝速度过快会导致插丝缺陷；采用双丝输送模式，能提高电弧熔丝热效率，有效降低插丝倾向，提高熔敷效率。最终得出200~650 A电流下的最大许用送丝速度和行走速度范围，为双钨极TIG电弧增材制造提供了成形良好的工艺窗口。双钨极TIG电弧增材在650 A熔敷电流下依然能够成形良好，熔敷效率达到5.36 kg/h。  
        关键词：双钨极TIG电弧增材制造;熔敷效率;双丝;工艺窗口   
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      • 张加恒,黄祎,郭顺,杨东青,闫德俊,李东,王克鸿
        2023, 53(2): 104-110. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.02.10
        摘要：多丝多弧的增材技术具有更高的成形效率，但是较大的热输入会影响形貌和性能，因而引入超音频电弧以达到细化晶粒并提高熔深的目的。以316L不锈钢作为试验材料，采用MIG焊工艺，自主搭建超音频三丝电弧增材制造平台，基于单丝单道模型，进行了三丝单道单层以及三丝单道多层增材工艺试验研究。结果表明，30 kHz超音频电弧可显著细化熔敷道组织并破坏树枝状结构，横向和水平平均抗拉强度分别提高了81 MPa和23 MPa，水平平均断裂延伸率从18.5%提升到39.3%，且整体提高试件的显微硬度。但若频率过高，超声波带来的能量会过高，从而减缓冷却速度，导致晶粒粗化。  
        关键词：电弧增材制造;超音频;多丝多弧;微观组织;力学性能   
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      • 张云舒,邵丹丹,丁东红,吴斌涛
        2023, 53(2): 111-116. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.02.11
        摘要：电弧熔丝增材制造中热量积累容易造成零部件成形质量差、沉积效率低等问题。层间强制冷却有利于提高电弧熔丝增材制造效率、改善成形质量，从而获得了一定关注。基于有限元数值模拟分析，模拟了自然对流冷却和层间强制冷却下电弧熔丝增材制造Ti6Al4V钛合金成形过程，分析了层间强制冷却对增材钛合金墙体结构温度场与应力场的影响，并通过实验结果进行了验证。结果表明：层间强制冷却可以有效增加成形过程中的散热，减小墙体结构热量积累、进一步改善成形件中的残余应力以及提升增材效率。  
        关键词：电弧熔丝增材制造;层间强制冷却;数值模拟;温度场;应力场   
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        发布时间：2023-03-02
      • 孙徕博,黄瑞生,武鹏博,徐富家,方乃文
        2023, 53(2): 117-124. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.02.12
        摘要：电弧熔丝增材制造低碳高强钢过程中产生的组织粗大和各向异性等问题一定程度上限制了该技术的应用和发展。在电弧熔丝增材制造过程中引入层间超声冲击处理，以改善制件的组织状态和各向异性，采用光学显微镜和扫描电子显微镜等手段对超声冲击前、后的组织状态进行了对比。结果表明，经过超声冲击处理后，具有明显方向性的典型柱状晶组织转变为均匀、细小的等轴晶组织；电子背散射衍射结果表明，超声冲击强化可改善组织的方向性并大幅细化晶粒。这是因为超声可以打破组织内部对位错运动的限制，促进位错合并和湮灭，进而形成大量亚结构，并在后续沉积层的热效应作用下发生部分再结晶。这种转变会阻碍柱状组织的生长，并将柱状组织分成具有小纵横比的胞状或等轴状组织。  
        关键词：电弧熔丝增材制造;超声冲击处理;低碳高强钢;组织特征   
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        发布时间：2023-03-02
      • 郑业兴,李永哲,张广军,陈新旸,李宸宇
        2023, 53(2): 125-131. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.02.13
        摘要：电弧增材再制造根据损伤零件的既有形貌实施修复，通常面临空间约束问题。焊枪运动轨迹规划不仅需避免与既有零件发生干涉，还需根据局部形貌变换堆积姿态保证成形质量。提出了面向机器人现场原位修复的焊枪运动轨迹规划方法，具体介绍了机器人原位增材修复的基本工艺流程，构建了基于损伤零件表面三维点云处理的随形堆积焊枪姿态求解算法，阐明了焊枪运动轨迹生成及焊枪运动稳定性提升机制。针对实际损伤件，生成了焊枪运动轨迹，验证了算法的有效性。与其他经典算法进行对比，结果表明本研究提出的算法在提升焊枪稳定性方面的优越性。  
        关键词：增材再制造;随形堆积;轨迹规划;稳定性分析;滤波算法   
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