GMAW再制造多重堆積路徑對質量影響及優(yōu)化方法研究.pdf

1、GMAW(Gas Metal Arc Welding)多重堆積再制造是修復較大金屬構件破損的重要手段,其熱過程復雜、影響因素多,是目前再制造領域研究的熱點之一。本文以實現(xiàn) GMAW再制造多重堆積路徑優(yōu)化為目標,以單熱源多重加熱模式下的熱過程為重點,對成形過程多次加熱溫度場理論解析進行了探索,采用有限元模擬和實驗方法對其多重加熱模式下的復雜應力、變形、路徑影響規(guī)律進行了系統(tǒng)研究,并建立了多重堆積路徑模糊綜合評價系統(tǒng),實現(xiàn)了多指標路徑優(yōu)化。

2、為大型構件高效率、高質量再制造的實際應用建立了理論基礎,并為再制造堆積路徑優(yōu)化提供一種可行的技術手段。
　　首先,對GMAW多道堆積多次加熱溫度場理論解析進行探索研究,采用集中點熱源、三維分布雙橢球熱源,在靜止、運動坐標系下推導出電弧熱源多次加熱、道間冷卻及最終冷卻過程動態(tài)溫度場解析公式。在Matlab環(huán)境下編程實現(xiàn)了多道堆積加熱目標區(qū)域溫度場、熱循環(huán)、道間等待時間范圍等特征參數(shù)的計算。進而研究了多道堆積過程前道熱積累對后道的預熱

3、,以及后道對前道的后熱作用,對比分析了不同堆積方向、不同規(guī)范下的熱循環(huán)特點。同向比交錯式堆積散熱好,規(guī)范過大會導致熱積累嚴重,工件過熱。分析了道間等待時間對熱循環(huán)的影響規(guī)律,可利用道間等待時間有效控制多重堆積的熱量積累。上述研究為預估再制造工藝參數(shù)范圍提供了依據(jù)。
　　根據(jù)基體對熔覆層的外部約束形式將所研究的GMAW再制造修復工件劃分為:一維、二維約束兩種情況。采用數(shù)值模擬研究方法,建立了一維約束的平板堆積和二維約束的塊狀基體堆積

4、修復有限元模型,并分析其溫度場、應力場、變形的規(guī)律。研究表明,層內(nèi)前道、后道之間存在預熱、后熱交互作用,后道對前道有應力釋放作用;層間前層對后層預熱,后層對前層后熱并具有應力釋放作用。多重堆積過程經(jīng)歷單熱源多次加熱,熱積累嚴重,容易導致整體過熱、成形變差,可通過設置合理道間等待時間避免工件過熱。在確定的規(guī)范參數(shù)下,隨著道數(shù)增加,一維約束平板堆積過程橫向道間應力逐漸降低,而二維約束塊狀基體修復過程橫向約束大,橫向道間應力逐漸升高。在三個方

5、向變形中高度方向翹曲變形最大,對修復表面平整度影響也最大。
　　進一步研究了過程參數(shù)對多重堆積過程的影響規(guī)律。堆積長度越長,拉壓應力過渡越陡。道間等待時間越長,道間應力、層間應力升高,殘余應力降低。在成形效率允許范圍內(nèi),盡量選擇較長道間等待時間,避免工件過熱,有利于成形均勻,降低殘余應力。針對兩種約束情況,研究了層內(nèi)、不同層間堆積順序和方向對溫度場、應力場、翹曲變形的影響。散熱狀況方面同向堆積優(yōu)于交錯式堆積,殘余應力方面交錯式堆積

6、優(yōu)于同向堆積。其它參數(shù)不變,可通過調整堆積路徑而改善溫度場、應力、翹曲變形狀況。
　　再制造多重堆積路徑組合多、評價指標多,導致最優(yōu)路徑選擇困難。本文以堆積路徑影響規(guī)律為數(shù)據(jù)支撐,模擬人的思維決策模式,開發(fā)了再制造多重堆積路徑模糊綜合評價方法,實現(xiàn)了多指標下的路徑優(yōu)化。多指標包括:散熱狀況、成形狀況、殘余應力、翹曲變形、成形效率。通過評價指標因素集、評價結果向量、模糊詞集、論域的確立,以及精確量模糊化、模糊推理及模糊量非模糊化,建

7、立了模糊綜合評價模型。并在Visual C++編程環(huán)境下開發(fā)了友好的系統(tǒng)交互界面。專家級用戶根據(jù)知識和經(jīng)驗直接輸入權重;非專家級用戶根據(jù)產(chǎn)品質量要求采用層次分析法計算權重。
　　最后,選取火車鉤舌磨損件進行了實例驗證。結合前述得出的路徑影響規(guī)律,分析了鉤舌S面從外到里同向、交錯式方向,以及從里到外同向、交錯式方向四種堆積路徑,在各指標下對堆積路徑進行了排序,并采用數(shù)值模擬和實驗方法進行了驗證。根據(jù)火車鉤舌修復質量要求,對指標重要性