多場復(fù)合電弧增材成形過程中宏微觀數(shù)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(shù)，具有熔積效率和能量利用率高，設(shè)備成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此在航空航天、國防軍工、軌道交通等領(lǐng)域高強(qiáng)度、大中型金屬零件低成本、高效快速制造方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，是最可望實(shí)現(xiàn)與激光、電子束增材制造方法優(yōu)勢互補(bǔ)的金屬增材制造技術(shù)。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(fù)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(guān)于電弧增材成形不同熔積方式和磁場輔助熔積過程中復(fù)雜的傳熱傳

2、質(zhì)現(xiàn)象，以及熔積過程中微觀組織演變過程的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)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(fù)合的電弧增材成形過程中宏微觀數(shù)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(yùn)的電磁、熱、流體流動(dòng)耦合分析的三維數(shù)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(shí)還建立了電弧熔積-微軋制復(fù)合增材成形過程中微觀組織演變的數(shù)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(fù)雜傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象以及微觀組

3、織演變機(jī)理，為電弧增材制造提供理論指導(dǎo)。
　　首先，基于磁流體動(dòng)力學(xué)的基本理論，建立了電弧增材成形過程中純氬保護(hù)氣電弧的三維數(shù)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(yīng)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(hù)氣體對熔積區(qū)域出現(xiàn)保護(hù)不完備的現(xiàn)象，提出了采用偏轉(zhuǎn)焊槍或者施加隨焊方向的橫向穩(wěn)態(tài)磁場的方法調(diào)控電弧形態(tài)以平衡電弧兩側(cè)電弧壓力和

4、氣流，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明適當(dāng)?shù)暮笜屍D(zhuǎn)角度或一定強(qiáng)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(hù)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(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)熔積過程中熔池形貌和尺寸保持穩(wěn)定，首先根據(jù)熔池和焊道的實(shí)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(jìn)行仿真，并提取熔池電磁力數(shù)據(jù)以及熔池表面熱流、等離子剪切力、電弧壓力數(shù)據(jù)導(dǎo)入所建立的金屬輸運(yùn)模型進(jìn)行金屬過渡和熔

5、池動(dòng)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(yùn)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(jìn)行初始化，模擬結(jié)果揭示了單道和搭接熔積過程中復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yùn)數(shù)值模型。與普通熔積相比，外加縱向穩(wěn)態(tài)磁場能擴(kuò)張電弧以

6、及在熔池中形成周向的電磁攪拌，推動(dòng)了熔融金屬向熔池邊界運(yùn)動(dòng)，最終形成寬高比大的熔積層形貌。橫向磁場使熔池中產(chǎn)生沿頭部至尾部的強(qiáng)制對流，熔池中熔融金屬被更多被輸運(yùn)至熔池后方，從而利于直接沖刷熔池的固液結(jié)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(shí)驗(yàn)不僅驗(yàn)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(xiàn)縱向穩(wěn)態(tài)磁場能夠細(xì)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(xué)性能、減小各向異性。此外，還采用實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　最后，基于元胞自動(dòng)機(jī)和有限體積耦合的方法建立了電弧熔積-微軋制復(fù)合增材成形過程中微觀組織演變的數(shù)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(jié)晶過程，并對單道的軋制過程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核和晶粒長大過程進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果揭示了電弧熔積-微軋制復(fù)合增材成形過程中微觀組織動(dòng)態(tài)演變的過程。相

8、同工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yùn)、外加磁場對電弧和金屬輸運(yùn)及成形過程的影響，以及熔積-微軋制復(fù)合增材成形微觀組織演變過程進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，揭示了多場復(fù)合電弧增材成形過程中電弧熔積的復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)、微觀組織轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，以及熔積-微軋制復(fù)合增材成形過程中微觀組織的動(dòng)態(tài)演變過程。研究結(jié)論可為“形”和“性”并行控制的電弧增材制造技術(shù)提供了理