丝材电弧增材制造拐角区域成形优化方法研究

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得益于丝材电弧增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)的独特优势,在制造大尺寸或薄壁特征构件方面具有广阔的应用前景与发展潜力。目前,采用WAAM工艺制备具有尖角拐角特征构件中的一个主要难题是如何控制尖角处的沉积过程。针对具有尖角结构特征的零件,由于在拐角处的沉积过程中,无法避免地产生自重叠现象,因此难以控制拐角成形形状。在拐角处冗余的材料沉积与过量的热输入,不仅降低了沉积结构的形状精度,还影响了沉积过程的稳定性。为此,本文提出了拐角成形形状控制策略,主要通过局部优化拐角处的焊接工艺参数以及沉积路径,进而减少形状误差、提高成形质量,为实现丝材电弧增材制造工艺制备具有更好形状精度和材料利用率的拐角结构提供有效途径。首先,建立了一个拐角截面模型,该模型建立了焊道轮廓与拐角自重叠区域焊接工艺参数之间的关系。为此,利用所提出的拐角焊道截面模型对拐角过重叠区域的焊接速度进行了局部优化。然后,在15°到60°的拐角角度变化区间内,选取4个不同角度的拐角来研究所提出的拐角截面模型的性能。通过对具有不同角度的薄壁铝结构进行单道多层成形实验,验证了所提出的截面模型对拐角成形的控制作用。根据实验分析结果可知,沿沉积方向所累积的高度误差随拐角夹角的变化而变化,在角度为60°的拐角处,在构件平均沉积高度为55.2 mm时,高度误差从3.56 mm减小到1.75mm,误差有效降低了50%以上,表明所提出的拐角截面模型控制策略能有效改进拐角成形质量。接着,通过分析拐角多道沉积时产生的沉积空隙现象,提出了适用于多道沉积的拐角路径局部优化策略。该路径优化策略结合焊接工艺参数共同对拐角成形形状进行控制。最后,基于所提出的拐角路径优化策略,采用建立的焊道尺寸数据库,进行路径优化策略焊道成形试验以及拐角多道多层对比成形实验,根据实验成形形貌测量分析结果可知,结合参数控制的拐角路径优化策略能有效实现拐角区域变尺寸焊道沉积。此外,根据拐角沉积空隙分析以及成形表面形貌测量结果表明,以焊道拐角处内边界轮廓交点位置作为空隙补偿路径的拐点时,其拐角区域的沉积空隙缺陷得到明显的改善,整体成形形貌和质量得到有效控制。
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