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电弧增材制造非对称熔池形貌的演化机制及抑制策略

电弧增材制造,倾斜基板,熔池行为,非对称形貌,抑制策略

电弧增材制造是基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动，采用电弧熔丝自下而上逐层累加的方法制造实体零件的先进数字化制造技术，具有沉积效率高、制造成本低的特点，在大型金属构件制造成形方面具有独特优势，适用于大尺寸复杂构件低成本、高效近净成形。均匀的焊道形貌是电弧增材制造三维构件的基础。然而，复杂构件的电弧增材制造过程将不局限于水平基体上的沉积成形，倾斜基面上的沉积行为在重力的诱导下容易导致不良的熔池行为、不对称的焊道形貌，甚至产生成形缺陷。因此，需要揭示倾斜基面上的非对称熔池形貌的演化机制并提出相应的抑制策略。基于此，本文在不同的倾斜基板表面开展了一系列电弧增材制造沉积实验以研究焊道形貌的变化规律，并引入特征参数定量分析了基板倾斜角度对焊道成形精度的影响。为了深入了解非对称熔池形貌的演化规律，通过数值模拟结合高速摄像的方法研究了倾斜基面连续沉积过程中熔池温度场、速度场、动力学行为的演化规律。最后，提出了一种针对不良熔池行为和非对称焊道形貌的抑制策略，在此基础上，开发了一种变焊枪倾角的交替沉积方法，以优化打印件的成形质量，并通过定量比较验证了所提方法的可行性。