多場復合電弧增材成形過程中宏微觀數值模擬研究.pdf

1、電弧增材成形是采用電弧作為成形熱源的一種金屬增材制造技術，具有熔積效率和能量利用率高，設備成本低等優(yōu)點，因此在航空航天、國防軍工、軌道交通等領域高強度、大中型金屬零件低成本、高效快速制造方面具有獨特的優(yōu)勢，是最可望實現與激光、電子束增材制造方法優(yōu)勢互補的金屬增材制造技術。相比傳統(tǒng)的電弧熔積連接工藝，電弧增材成形過程具有更加復雜的堆疊熔積和搭接熔積方式以及微觀組織演變過程，但目前關于電弧增材成形不同熔積方式和磁場輔助熔積過程中復雜的傳熱傳

2、質現象，以及熔積過程中微觀組織演變過程的數值模擬和實驗研究基本處于空白或者不完善狀態(tài)。
　　本文建立了基于GMAW的多場復合的電弧增材成形過程中宏微觀數值仿真模型，主要包括電弧增材成形過程中電弧和金屬輸運的電磁、熱、流體流動耦合分析的三維數值模型，提出了電弧和金屬熔池之間的弱耦合建模方法，同時還建立了電弧熔積-微軋制復合增材成形過程中微觀組織演變的數值模型，力圖揭示電弧增材成形過程中的多物理場耦合作用下的復雜傳熱傳質現象以及微觀組

3、織演變機理，為電弧增材制造提供理論指導。
　　首先，基于磁流體動力學的基本理論，建立了電弧增材成形過程中純氬保護氣電弧的三維數值模型，研究了電弧增材成形過程中不同的熔積方式下不同的熔積層形貌對電弧形態(tài)以及相應的溫度場、流場、電流密度、電磁力、電弧壓力分布規(guī)律的影響。針對搭接情況下電弧速度與壓力不對稱造成保護氣體對熔積區(qū)域出現保護不完備的現象，提出了采用偏轉焊槍或者施加隨焊方向的橫向穩(wěn)態(tài)磁場的方法調控電弧形態(tài)以平衡電弧兩側電弧壓力和

4、氣流，模擬和實驗結果表明適當的焊槍偏轉角度或一定強度及方向的橫向穩(wěn)態(tài)磁場能夠有效平衡電弧壓力，獲得理想的保護氣流分布。
　　其次，率先提出了一種電弧熔積成形的電弧和金屬弱耦合建模方法，即基于實驗觀測結果發(fā)現熔積過程中熔池形貌和尺寸保持穩(wěn)定，首先根據熔池和焊道的實際形貌將熔池簡化為固態(tài)，建立電弧仿真模型并對熔積過程中電弧進行仿真，并提取熔池電磁力數據以及熔池表面熱流、等離子剪切力、電弧壓力數據導入所建立的金屬輸運模型進行金屬過渡和熔

5、池動態(tài)仿真。借助上述弱耦合建模方法建立電弧增材成形過程中單道和搭接熔積的電弧和熔池金屬輸運模型，其熔池和焊道的初始形貌采用電弧模型相同的方法進行初始化，模擬結果揭示了單道和搭接熔積過程中復雜的傳熱傳質現象。模擬結果與實驗結果很好的吻合，證明本文所提出的弱耦合建模方法的有效性。
　　再次，基于上述弱耦合建模方法，建立了外加縱向和橫向穩(wěn)態(tài)磁場輔助的電弧增材成形單道熔積電弧和熔池輸運數值模型。與普通熔積相比，外加縱向穩(wěn)態(tài)磁場能擴張電弧以

6、及在熔池中形成周向的電磁攪拌，推動了熔融金屬向熔池邊界運動，最終形成寬高比大的熔積層形貌。橫向磁場使熔池中產生沿頭部至尾部的強制對流，熔池中熔融金屬被更多被輸運至熔池后方，從而利于直接沖刷熔池的固液結晶面。普通熔積和外加縱向穩(wěn)態(tài)磁場輔助的熔積的對比實驗不僅驗證了縱向磁場能夠改善搭接，提高熔積層表面精度，還發(fā)現縱向穩(wěn)態(tài)磁場能夠細化晶粒，提高鐵素體占比，抑制冶金缺陷，以及提高成形樣件力學性能、減小各向異性。此外，還采用實驗方法對比研究了頻率

7、隨層變化的縱向和橫向交變磁場對單道多層熔積各層微觀組織的影響，并提出了一種磁控梯度晶粒材料的電弧增材成形方法并進行了實驗驗證。
　　最后，基于元胞自動機和有限體積耦合的方法建立了電弧熔積-微軋制復合增材成形過程中微觀組織演變的數值模型，模擬了單道兩層熔積過程中第一層熔池和第二層熔池凝固結晶過程，并對單道的軋制過程中的動態(tài)再結晶的形核和晶粒長大過程進行了模擬，模擬結果揭示了電弧熔積-微軋制復合增材成形過程中微觀組織動態(tài)演變的過程。相

8、同工藝參數的實驗結果表明模擬結果和實驗結果在晶粒形貌和尺度上都很好的吻合。
　　總之，本文對電弧增材成形過程的電弧和金屬輸運、外加磁場對電弧和金屬輸運及成形過程的影響，以及熔積-微軋制復合增材成形微觀組織演變過程進行了數值模擬和實驗研究，揭示了多場復合電弧增材成形過程中電弧熔積的復雜的傳熱、傳質、微觀組織轉變現象，以及熔積-微軋制復合增材成形過程中微觀組織的動態(tài)演變過程。研究結論可為“形”和“性”并行控制的電弧增材制造技術提供了理