2023年, 第44卷, 第10期 
刊出日期:2023-10-25

  • 全选
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    增材制造与先进再制造技术
  • 李文亚, 邢词皓
    焊接学报. 2023, 44(10): 1-11. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20230308002
    摘要 ( 83 ) PDF全文 ( 52 )   可视化   收藏
    冷喷涂固态增材制造技术因其沉积效率高、喷涂速度快、热影响小等优点,逐渐成为各国研究热点. 但由于沉积原理与目前发展较为成熟的传统激光增材制造技术具有显著不同,沉积体的形貌控制成为了限制其应用的难点. 基于现有的冷喷涂条件对沉积体形貌影响的研究结果,结果表明,数值模拟成为了形貌预测与控制的主要方法. 因此,综述了冷喷涂沉积体形貌预测的不同数值模拟方法,总结了各个方法的特点,最后对冷喷涂沉积体形貌模拟的现存难题及未来发展方向进行了展望.
  • 朱杰, 周庆军, 陈晓晖, 冯凯, 李铸国
    焊接学报. 2023, 44(10): 12-17. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20230306002
    摘要 ( 83 ) PDF全文 ( 32 )   可视化   收藏
    在不同铺粉厚度下使用相同的激光工艺参数制备GH3625合金,并对选区激光熔化GH3625的组织与力学性能的进行了分析. 结果表明,在较大的工艺窗口内,铺粉厚度由0.02 mm增加至0.03 mm不会影响打印质量,并且在优化的工艺参数窗口下均能制备得到致密度99.9%以上的块体. 铺粉厚度的增加会导致熔池形态发生改变,也会明显改变晶粒形态. 当铺粉厚度为0.02 mm 时,晶粒多为细长形,平均晶粒尺寸约为18.128 μm,晶粒有明显的择优取向. 此时,相邻的熔池形态差别较大,呈现一道次较深较宽,另一道次较浅较窄的现象. 而铺粉厚度增加至0.03 mm 后温度梯度差异减少,相邻熔池形态差别较小,组织中细长形晶粒减少,平均晶粒尺寸降低至11.921 μm,晶粒的择优取向也相应减弱. 由于晶粒形态的改变,在垂直方向上,铺粉厚度为0.03 mm的样品的屈服强度相比于铺粉厚度为0.02 mm的屈服强度提高了5%,有效抑制了打印态样品的各向异性程度.
  • 周亚举, 尹圣铭, 夏永中, 易果强, 薛丽红, 严有为
    焊接学报. 2023, 44(10): 18-26. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20221011001
    摘要 ( 99 ) PDF全文 ( 69 )   可视化   收藏
    采用电弧熔丝增材制造(wire and arc additive manufacturing, WAAM)技术制备了低活化铁素体/马氏体钢(reduced activation ferrite/martensite steel,RAFM钢),通过光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等观察微观组织变化,通过拉伸试验进行力学性能测试,研究了热处理工艺对其微观组织和力学性能的影响.结果表明,打印态的RAFM钢微观组织为铁素体 + 回火马氏体的双相组织,平均晶粒尺寸约为1.51 μm. 经过热处理,RAFM钢的晶粒尺寸没有明显增长(1.84 μm),并在微观组织中保留了高密度位错. 此外,热处理后高数密度TiO2二次相纳米颗粒在基体中析出,并弥散分布在基体中,其尺寸在5 ~ 10 nm. 热处理后的RAFM钢抗拉强度显著提高,断后伸长率略微下降,其室温抗拉强度为1080 MPa,在650 ℃下测试的抗拉强度仍可达285 MPa.
  • 李星燃, 刘政麟, 姜鹏飞, 聂明皓, 张志辉
    焊接学报. 2023, 44(10): 27-33. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20230307001
    摘要 ( 107 ) PDF全文 ( 26 )   可视化   收藏
    采用激光增材制造技术制备了组织致密且无缺陷的Ti6Al4V/NiTi仿生功能梯度材料 (bionic function graded materials, BFGM),并对其界面微观结构、析出相特征和力学性能进行了研究. 结果表明,Ti6Al4V/NiTi BFGM呈现由多种晶粒形貌和不规则异常共晶组织组成的非均匀组织,主要为富钛和富镍的固溶体以及(Ti, Ni)化合物. 随着 NiTi合金含量增加,不同沉积层中析出相的数量和形态发生了显著变化. BFGM的显微结构发生了一系列转变:α + β双相组织→柱状晶 + 不规则共晶结构→柱状晶→等轴晶→等轴晶 + 柱状晶. 凝固过程中的相聚集、分离和偏析现象严重影响BFGM的力学性能,BFGM最大显微硬度为730.9 HV,归因于脆性Ti2Ni相的存在. BFGM的抗拉强度为202 MPa,断后伸长率为6.5%,显著高于直接连接的Ti6Al4V/NiTi异种材料. 拉伸断口具有脆性断裂特征,多个次级裂纹沿晶扩展.
  • 赵淘, 闫朝阳, 蒋凡, 肖珺, 陈树君
    焊接学报. 2023, 44(10): 34-40,63. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20230417003
    摘要 ( 73 ) PDF全文 ( 21 )   可视化   收藏
    传统轮廓偏置路径规划方法具有较高几何还原度,适合电弧增材制造中等尺寸的复杂零件,但轮廓连续偏置过程中的退化现象易形成欠填充区域,进而导致缺陷,形成待优化区. 针对上述问题,提出了基于布尔运算的待优化区域精确识别方法. 将原始多边形与经过正反两次等距偏置的回溯多边形进行布尔差运算,可获得需要优化的缺陷区域,将待优化区域过滤与合并,重新构建为骨架填充区. 结合最小矩形框确定每个骨架填充区的最优填充方向并生成往复直线路径,最后将轮廓偏置路径重新分类分区连接为连续成形路径,并按照骨架填充区成形路径优先打印原则输出为机器代码. 后续成形试验采用机器人电弧增材制造系统打印了螺旋桨零件,结果表明,零件成形尺寸达到预期,且表面不存在传统轮廓偏置法中的成形缺陷,证明文中方法具有较高的可行性与适用性.
  • 苗玉刚, 刘吉, 赵羽杨, 李春旺, 王子然, 张本顺
    焊接学报. 2023, 44(10): 41-48. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220630001
    摘要 ( 57 ) PDF全文 ( 34 )   可视化   收藏
    为了实现铝/钢复合结构的灵活制造,提出了“电弧 + 搅拌摩擦”复合增材制造的新方法,即先利用旁路分流熔化极惰性气体保护焊在镀锌的Q235钢表面沉积一层薄的铝合金过渡层,再搅拌摩擦增材制造过渡层和6061铝合金. 在电弧沉积过渡层过程中,镀锌层和旁路电弧促进了液滴在钢表面的润湿性和铺展性,获得了平整的表面成形,随后的搅拌摩擦增材制造过程消除了过渡层的气孔和裂纹缺陷,获得了表面成形良好且无缺陷的铝/钢复合结构. 研究了不同焊丝成分(Al-Si,Al-Mg)对铝/钢复合结构的组织和耐腐蚀性能影响,结果表明,焊丝成分不会影响焊缝成形,但会影响界面金属间化合物层厚度,Al-Si焊丝的Si元素偏聚在铝/钢界面层附近,可以有效阻止Fe,Al元素的相互扩散, 减少金属间化合物的产生.同时填充Al-Si焊丝的铝/钢结构耐腐蚀性好于填充Al-Mg焊丝,这是因为受到界面层金属间化合物的影响,金属间化合物会和基体发生电偶腐蚀,优先腐蚀铝基体,降低铝/钢复合结构耐腐蚀性能.
  • 杨高林, 郑权航, 钱浩凯, 樊文, 张群莉, 石岳林, 姚建华
    焊接学报. 2023, 44(10): 49-56. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20230307002
    摘要 ( 61 ) PDF全文 ( 28 )   可视化   收藏
    熔合不良是激光熔覆的常见工艺缺陷,为了探索道间搭接时熔合不良的产生机制,设计了单道单层熔覆试验、多道单层熔覆试验、多道重熔试验以及单层尾道重熔试验,并进行了单道熔覆时温度场的模拟仿真. 结果表明,熔合不良缺陷的产生机制是已沉积区域边缘靠上部分形状凸起,激光辐照其表面时散热较慢,较快熔化. 边缘根部激光能量输入较低同时形状内凹,散热较快,较慢熔化,靠上凸起部分熔融液体翻出并越过根部和基材的熔化部分联通,导致熔覆层根部与激光隔绝形成了空隙,产生了熔合不良缺陷;为了减少这种熔合不良缺陷的产生,根据熔合不良的产生机制设计了倾斜熔覆头单层多道搭接试验,结果表明,倾斜熔覆头进行熔覆可以有效减少熔合不良缺陷的产生.
  • 沈磊, 黄健康, 刘光银, 余淑荣, 樊丁, 宋闽
    焊接学报. 2023, 44(10): 57-63. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220918002
    摘要 ( 159 ) PDF全文 ( 54 )   可视化   收藏
    以等离子弧为热源,采用交流辅助的方法进行钛合金逐层熔丝增材制造,研究外加交流电流对增材件的微观组织和性能的影响,通过高速摄像观察外加交流电流对熔滴尺寸及熔滴过渡的影响,测量堆垛形貌的粗糙度,观测堆垛层的组织和显微硬度,分析辅助交流电流对堆垛层的压缩性能影响. 结果表明,外加交流电流会形成比较明显的交流电弧,并促使等离子弧摆动,对熔池起到振荡作用. 改善增材件的表面平整度以及增材件的晶粒尺寸,且晶粒尺寸随外加辅助交流的增大而变小,从未加交流到外加交流电流为30 A,晶粒尺寸减少了43.4%. 同时,外加交流电流可以明显提高增材件的硬度以及塑性,当外加交流电流为30 A时,硬度为454.15 HV,压缩应变为0.280%,未加交流电流时硬度为406.45 HV,压缩应变为0.110%,压缩应变比未加交流电流时提高了2.5倍.
  • 吴涛, 谭振, 王立伟, 梁志敏, 汪殿龙
    焊接学报. 2023, 44(10): 64-70. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20230305003
    摘要 ( 66 ) PDF全文 ( 25 )   可视化   收藏
    提出了一种新型异质双丝间接电弧增材制造(TWIA-AM)方法,同步送进ER2319和ER5356两种焊丝,制备了Al-3.5Mg-1.7Cu合金试样,并对沉积的Al-3.5Mg-1.7Cu铝合金试样的组织和力学性能进行了研究. 结果表明,Al-3.5Mg-1.7Cu合金试样第二相主要由Al,Mg和Cu元素组成,为α-Al相和S相(Al2CuMg),晶粒形态在层间区域呈现粗大的柱状晶,层中心区域为等轴晶和细小的胞状晶组成;试样平均硬度为73.7 HV,存在周期性低硬度区. 试样平行增材方向(BD方向)、垂直于增材方向的平均抗拉强度和断后伸长率分别为225,235 MPa和9.0%,13.0%,力学性能表现为各向异性,观察断口形貌呈现典型的韧性断裂特征.
  • 姚喆赫, 钱泓宇, 余沛坰, 陈雅伦, 张群莉, 刘云峰, 姚建华
    焊接学报. 2023, 44(10): 71-78. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20230307003
    摘要 ( 58 ) PDF全文 ( 23 )   可视化   收藏
    激光熔覆技术已广泛应用于关键部件的增材修复,其熔覆材料的输送主要采用送粉式或送丝式. 为研究送粉式与送丝式激光修复对Inconel 718高温合金修复质量的影响,结合数值模拟与试验研究对比分析了送粉与送丝方式对激光修复过程中V形槽温度场、熔池轮廓、修复区宏观形貌与微观组织的影响. 结果表明,送粉与送丝激光修复V形槽熔池的激光能量吸收与传递关系不同;相比于送丝式,送粉式激光修复过程中的V形槽底部能量集中,导致修复区熔深增大45.5%;送粉式修复过程中粉末以固态及半固态形式冲击进入熔池,修复区表面粗糙度显著增加,同时送粉式修复区晶粒尺寸随修复深度减小逐渐增大,修复区中部区域晶粒取向差异明显.
  • 梁晖, 李攀, 沈鑫, 陈力帆, 戴俊辉, 李东, 杨东青
    焊接学报. 2023, 44(10): 79-85,119. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20230304003
    摘要 ( 63 ) PDF全文 ( 21 )   可视化   收藏
    采用有限元分析方法对附加超声冲击下电弧增材制造2219铝合金的过程进行数值模拟,并研究了其应力场变化以及工件变形情况的变化. 结果表明,附加超声冲击能使多层多道沉积过程中沉积件边缘处以及基板中靠近沉积件的区域的应力集中程度下降. 多层多道沉积过程中附加超声冲击能有效降低沉积件内部的应力. 在附加超声冲击后道间交界处的应力范围由156.1 ~ 211.6 MPa下降至138.8 ~ 181.9 MPa,表面平均残余应力下降22.3%. 附加超声冲击下,多层多道电弧增材构件最大变形量由0.61 mm下降至0.53 mm,平均变形量由0.33 mm下降至0.27 mm. 试验实际测量所得的与有限元计算的多层多道沉积件上表面的应力分布规律相近,证明模拟结果的可靠.
  • 王强, 王磊磊, 高转妮, 杨兴运, 占小红
    焊接学报. 2023, 44(10): 86-93. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220524001
    摘要 ( 56 ) PDF全文 ( 29 )   可视化   收藏
    采用电流恒定的快速电弧模式对316L不锈钢进行电弧增材制造.探索了构件的工艺成形性,并采用金相显微镜与场发射扫描电子显微镜对比研究了成形件不同区域微观组织与力学性能.结果表明,在单层熔覆层内,一次枝晶随着沉积方向从针状树枝晶,薄带状树枝晶向柱状树枝晶转变.同时,二次枝晶尺寸也随着沉积层堆积高度逐渐增大.在试样底部,中部与顶部的二次枝晶臂尺寸分别为11.54 μm,12.50 μm,15.52 μm,其尺寸随着热累积的增加而不断增大.此外,试样沿沉积方向与扫描方向的抗拉强度为517 MPa和527 MPa,均超过了锻材强度.试样断后伸长率为22.5%和15.0%.两种方向的拉伸试样断裂模式均为韧性断裂,但沿扫描方向制造的试样塑韧性优于沉积方向试样.
  • 李科, 牛犇, 潘琳琳, 易江龙, 邹晓东
    焊接学报. 2023, 44(10): 94-101. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20221214003
    摘要 ( 68 ) PDF全文 ( 21 )   可视化   收藏
    为了研究热输入对电弧增材制造超级双相不锈钢组织和性能的影响,使用直径为1.2 mm的ER2594超级双相不锈钢焊丝,在Q345低碳合金钢的基板上使用不同的热输入进行MIG电弧增材制造单墙体试验,并对其微观组织和力学性能进行分析,结果表明,当热输入由435.6 J/mm增加至517.3 J/mm时,由于热输入量增加和冷却速率较慢造成奥氏体含量升高,其含量由31%增加至43%. 当热输入增加至599.0 J/mm时,由于N元素烧损使奥氏体含量降低的程度大于提高热输入使其增加的程度,奥氏体含量由43%减少至41%. 随着热输入的增大(435.6 J/mm增加至599.0 J/mm)显微硬度先降低后升高,其原因在于显微硬度与铁素体含量呈正相关. 热输入取中间值(517.3 J/mm)时的试样由于奥氏体含量较多使得其拉伸性能略优.
  • 王猛, 张立平, 赵琳瑜, 吴军, 熊然, 蒙永胜, 李军红
    焊接学报. 2023, 44(10): 102-110. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20221114001
    摘要 ( 72 ) PDF全文 ( 20 )   可视化   收藏
    采用增材制造方法制备航空航天大尺寸构件经常会受到加工效率、设备最大加工尺寸的限制,开发增材制造和焊接相结合的复合制造技术有望解决这一问题. 因此,开展了增材制造和锻造TC11钛合金激光焊试验,研究了增材制造TC11(TC11-AM)/锻造TC11(TC11-R),TC11-AM/TC11-AM和TC11-R/TC11-R 3种接头的焊接性,开展了焊接接头微观组织、硬度和拉伸试验,并观察了拉伸试样的断口形貌. 结果表明,3种接头的焊缝区均未发现明显的气孔缺陷. 由于熔池温度梯度大、冷却速度快,焊缝组织均为内部布满α′马氏体相的粗大柱状晶粒. 3种接头抗拉强度分别约为1 575,1 687 MPa和1 593 MPa. TC11-R/TC11-R接头和TC11-AM/TC11-AM接头横截面显微硬度呈高斯分布,硬度值分别为445 HV ± 31 HV和424 HV ± 6 HV.由于接头不同区域的组织差异明显,TC11-AM/TC11-R接头显微硬度呈台阶状分布,硬度值为432 HV ± 21 HV. 3种接头的拉伸试样均为韧性断裂,发现断裂面均有大量韧窝.通过对比接头的抗拉强度可知,TC11-AM/TC11-R接头和TC11-AM/TC11-AM接头具有良好的焊接性.
  • 张晨昊, 陈兵, 刘恒, 向鹏宇, 苟国庆
    焊接学报. 2023, 44(10): 111-119. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20230414001
    摘要 ( 79 ) PDF全文 ( 25 )   可视化   收藏
    随着增材制造在各个领域更为广泛和深入应用,越来越多的增材制造产品需要快速、无损的质量检测.孔隙率作为决定增材制造产品力学性能的重要指标,其检测更是重中之重. 通过调整激光功率、扫描速度改变体积能量密度,得到不同孔隙率的AlSi10Mg试样.分别采用超声横波、纵波对各试样进行检测,得到对应声速与衰减系数.结果表明,横、纵波声速均与孔隙率成反比关系,衰减系数与孔隙率均成正比关系.使用声速对孔隙率进行表征时,纵波声速绝对值变化更大,所以精度更佳.又由于纵波声速相较横波声速所对应的剪切模量变化更大,所以线性程度比横波提高22%;而使用衰减系数对孔隙率表征时,由于同频率横波波长更短,对极化方向更敏感,所以横波精度优于纵波,线性程度相较纵波提高13%.
  • 刘帅旗, 刘仁培, 李忠民, 杜心伟, 沈泳华
    焊接学报. 2023, 44(10): 120-126. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220621001
    摘要 ( 54 ) PDF全文 ( 36 )   可视化   收藏
    在实际生产的过程中,应用电弧增材制造技术对失效模具进行修复时,会在边缘部位出现缺肉、凹陷、过堆积等成形不良的问题,从而导致熔覆层各处厚度不一、起伏较大,对实际的增材制造结果造成精度上的较大误差. 为了减少上述缺陷,提出了一种变层厚分层切片算法,主要包括模型前处理、焊接参数的确定、对模型实际切片厚度的修正,并完成最终的增材制造过程. 变层厚分层切片算法通过调节熔覆过程中的搭接率从而实现对成形件层厚变化的精准把握,提高成形精度的同时,还可以减少缺肉、凹陷、过堆积等缺陷. 通过选取不同的模型对其进行变层厚分层切片以及对应的路径规划,验证了算法的适用性. 最后,采用变层厚分层切片算法对棱台结构模型进行处理,并进行熔覆试验. 结果表明,理论计算得到的填充路径可以对当前分层面实现完全填充,实际的熔覆高度和平面尺寸与理论计算值相差较小,在热积累较小的时候,成形精度可以达到工业要求.
  • 吴凯, 卜智翔, 况小草, 魏李庚, 王立世
    焊接学报. 2023, 44(10): 127-132. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20221121002
    摘要 ( 60 ) PDF全文 ( 42 )   可视化   收藏
    为解决电弧连续增材时,由于热积累效应导致堆敷层的塌陷问题,在基板底部加装水冷铝板,制备了水冷断续、水冷连续两种不同工艺的4047铝合金直壁构件,并制备无水冷条件下的增材构件作为对照. 通过对比3种工艺条件下的构件基板热循环曲线、晶粒形貌、抗拉强度、硬度和断后伸长率,研究水冷条件对增材构件宏观形貌、微观组织和力学性能的影响. 结果表明,水冷断续条件能够有效降低热量积累,增材构件侧壁更加平整. 水冷连续条件下增材直壁构件成形最好,两端无塌陷产生,且成形效率最高. 3种增材构件底部晶粒都以等轴晶为主,其余部位都以柱状晶和树枝晶为主. 水冷连续条件下构件的晶粒尺寸最大,水冷断续条件下晶粒尺寸最小. 各增材工艺制备的构件力学性能与ZL102铸造铝合金相当,其中水冷断续工艺制备的增材构件力学性最好.
  • 焊接学报. 2023, 44(10): 133-140.
    摘要 ( 68 ) PDF全文 ( 23 )   可视化   收藏