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WAAM技術(shù)本質(zhì)上是一個熔化焊絲連續(xù)堆焊的過程,鋁合金是一種高熱導(dǎo)率和高熱膨脹系數(shù)的合金,由非平衡凝固行為和殘余應(yīng)力導(dǎo)致的變形和不均勻收縮、氣孔熱裂紋、力學(xué)性能低等問題嚴重限制了鋁合金WAAM技術(shù)的工程應(yīng)用。針對鋁合金在快速凝固、循環(huán)加熱和冷卻條件下的組織演化等過程,深入分析絲材熔化過程液滴的過渡和穩(wěn)定性,研究工藝參數(shù)對微觀組織生長和缺陷生成機制,控制成形過程熱應(yīng)力和變形,采用合理的強化機制調(diào)控力學(xué)性能是WAAM成形過程的關(guān)鍵。
1)原材料質(zhì)量問題 鋁合金絲材的化學(xué)成分和表面質(zhì)量共同決定了材料的熱物性和力學(xué)性能,只有使用高質(zhì)量絲材和特定的WAAM工藝,才能有效控制氣孔的形成,同時保證力學(xué)性能。傳統(tǒng)的GMAW工藝熱輸入過大,導(dǎo)致成形飛濺大,堆積層缺陷多,微觀組織不均勻。金屬絲作為原材料,如果其內(nèi)外質(zhì)量存在問題,成形部件會產(chǎn)生大量的缺陷,因此需要制定相應(yīng)的工藝規(guī)范和控制策略嚴格控制此過程。并且WAAM在循環(huán)加熱和冷卻過程中會產(chǎn)生較大的內(nèi)部拉應(yīng)力,絲材質(zhì)量的穩(wěn)定性、沉積參數(shù)等直接影響沉積速率、熔池中的熱傳輸以及沉積質(zhì)量,絲材的直徑變化、裂紋以及刮痕直接會造成沉積材料的氣孔缺陷,WAAM過程對絲材的質(zhì)量及穩(wěn)定性的要求更高于普通焊絲材料。 2)幾何精度問題 WAAM工藝過程參數(shù)對于理解和控制逐層沉積方式中的金屬熔化和凝固過程十分重要。逐層堆焊過程在焊道開始、結(jié)束以及重疊區(qū)域極易出現(xiàn)裂紋和氣孔等缺陷。如何通過調(diào)控工藝參數(shù),控制焊道起始處的熱量,降低液態(tài)金屬不受控制的流動以及焊道駝峰的形成,實現(xiàn)堆積層的幾何尺寸控制,目前尚無有效解決的方法。由于金屬熔化后流動性差,逐層堆焊過程在焊道首末尾處容易出現(xiàn)塌陷,如何準(zhǔn)確定義鋁合金相鄰焊道之間的搭接距離,需在充分的理論分析和實驗驗證的基礎(chǔ)上,考慮金屬流動性、潤濕性、粘度和表面張力等材料特性的影響,結(jié)合成形結(jié)構(gòu)件的完整性建立最佳搭接模型。為了避免因工藝參數(shù)不穩(wěn)產(chǎn)生的駝峰影響生產(chǎn)效率,需要確定焊槍的移動范圍,通過控制保護氣體流量或適合WAAM工藝的特定焊槍角度,從而減少或消除液態(tài)金屬的流動特性,或采用精確控制層間溫度等方式,研究表面張力、揮發(fā)性元素的影響、功率密度與分布、搭接成形等因素與駝峰之間的相關(guān)性,對提高WAAM工藝的幾何尺寸精度有十分重要的意義。 3)氣孔、熱裂紋和殘余應(yīng)力問題 針對高強鋁合金采用WAAM工藝,金屬熔滴過渡過程中電弧弧柱溫度高、熔滴比表面積大,更容易吸氫,產(chǎn)生大量氣孔。成形過程中隨著共晶濃度增加,裂紋敏感度增加,鋁合金極易產(chǎn)生凝固裂紋,熱影響區(qū)溫度提升,使得熱影響區(qū)經(jīng)歷回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長大的過程。當(dāng)熔池局部區(qū)域的溫度超過合金固溶體溫度時,可能發(fā)生局部凝固裂紋。由于復(fù)雜的熱作用及熱循環(huán)的影響,導(dǎo)致成形過程中形成不同的相和組織,進而形成非均勻的材料特性。如何有效減少或消除鋁合金成形過程中的內(nèi)部氣孔和熱裂紋問題,揭示工藝參數(shù)對該缺陷的影響機制,闡明內(nèi)部缺陷的形成機理,特別是針對氣孔敏感度高的CMT工藝,需要進一步深入研究金屬液滴過渡過程中的熔池冶金動力學(xué)行為、液滴過渡機制及其傳熱傳質(zhì)特性。針對鋁合金為實現(xiàn)中大型結(jié)構(gòu)件的成形,分析、統(tǒng)計和計算研究構(gòu)件和基板上的殘余應(yīng)力分布十分關(guān)鍵。在逐層堆積過程中金屬將在各層累積大量的熱量,在構(gòu)件和基板上產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。為了使成形部件中的殘余應(yīng)力最小化,目前諸多學(xué)者通過計算機輔助模擬來了解殘余應(yīng)力分布并相應(yīng)地生成最佳路徑和成形策略,但針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制策略研究甚少。為了控制成形過程中的殘余應(yīng)力和變形,需深入分析WAAM工藝材料特性、焊接電流、焊接電壓、送絲速度、環(huán)境溫度、保護氣流量等工藝參數(shù)對變形和殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。 4)組織和力學(xué)性能問題 鋁合金WAAM成形時由于冷速快、熱應(yīng)力大等原因,往往容易出現(xiàn)沉積缺陷,在成形交叉結(jié)構(gòu)或多層多道復(fù)雜結(jié)構(gòu)時,與鑄件不同,WAAM成形的構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力大,如果熱處理方式不當(dāng),殘余應(yīng)力未完全消除,會導(dǎo)致固溶、淬火過程中構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生熱裂紋。因此,特別是針對大型結(jié)構(gòu)件需要研究制定適用于WAAM成形構(gòu)件的熱處理方式。目前,WAAM工藝成形的高強鋁合金在高溫電弧的作用下,金屬凝固后存在偏析、組織不均勻和枝晶較多等問題,無法直接應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。如何通過機械強化和建立合理的熱處理強化制度,確定快速凝固條件下鋁合金組織演化與力學(xué)性能的關(guān)系,提升WAAM工藝成形鋁合金的性能穩(wěn)定性是亟待解決的問題。