浙江海洋大學李振華教授團隊：艦載振動環(huán)境對電弧增材制造電弧熔滴特性及成形形貌...

來源：機械工程學報

引用論文

Xuezhi Shi, Chengheng Cai, Pengfei Bao, Zhenhua Li. Influence of Ship-based Vibration on Characteristics of Arc and Droplet and Morphology in Wire Arc Additive Manufacturing. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2023, 2(1): 100067.
https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100067.

https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2772665723000065‍
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研究背景及目的

電弧增材制造技術克服了激光束、電子束等成形設備昂貴、不適合現(xiàn)場修復的劣勢，為實現(xiàn)艦船裝備隨艦修造提供了可能性。但艦船的振動對其搭載設備的性能甚至是運行會造成巨大的影響，為探究艦載電弧增材制造的可行性，需深入研究艦載振動環(huán)境對成形的影響，弄清增材成形過程中電弧、熔滴過渡的演變規(guī)律和機理。

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論文亮點

（1）研究了電弧增材制造設備在艦載振動環(huán)境下的振動響應。

（2）探明了艦載振動環(huán)境下電弧形態(tài)、熔滴過渡行為的演變形式。

（3）揭示了艦載振動環(huán)境下電弧形態(tài)、熔滴過渡行為的失穩(wěn)機制。

（4）驗證了艦載電弧增材制造具有一定可行性。

圖1 艦載振動環(huán)境下熔滴過渡行為及機理

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試驗方法

將電弧增材制造設備置于振動平臺上，通過正弦變頻振動信號模擬艦船振動，進行ER50-6低碳鋼的沉積實驗，通過振動信號采集系統(tǒng)實時檢測焊槍和工作基板的振動信號，高速攝像機監(jiān)控系統(tǒng)拍攝記錄電弧、熔滴過渡的信息，定量評定電弧弧錐角、弧偏角、熔滴過渡形式、熔滴直徑、熔滴偏離角度和成形件的形貌精度，分析艦載振動環(huán)境中電弧、熔滴過渡的演變行為及對成形形貌的影響。

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結果

（1）在外部振動環(huán)境的影響下，電弧增材制造設備各部位會隨之發(fā)生振動，其中對成形影響最大的焊槍和基板產(chǎn)生了差異性的振動，導致電弧和熔滴過渡行為發(fā)生改變，從而惡化成形形貌。

（2）電弧形態(tài)變得更不穩(wěn)定，從鐘罩形變成喇叭形、扇形、掃把形以及不規(guī)則形狀等，弧偏角和弧錐角的波動范圍遠遠超過了穩(wěn)態(tài)的，平均值分別為9.8°和61.9°。

（3）熔滴偏離更嚴重，是穩(wěn)態(tài)時的2倍；過渡形式也從穩(wěn)態(tài)下的噴射過渡，出現(xiàn)了大量大滴過渡和短路過渡，平均熔滴過渡時間和熔滴直徑均大于穩(wěn)態(tài)的，分別為13.9ms和1.5mm。

（4）成形試樣形貌有所惡化，但內(nèi)部依然是致密、無缺陷。

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結論

確保電弧形態(tài)、熔滴過渡行為和熔池形貌的穩(wěn)定是實現(xiàn)高質(zhì)量成形的關鍵。本文通過實時檢測電弧增材制造設備焊槍和工作基板的振動信號、記錄成形過程中電弧、熔滴過渡行為的演變，分析了艦載振動環(huán)境是如何影響成形過程，從而導致成形件形貌改變的。該研究初步驗證了電弧增材制造在艦載振動環(huán)境下具有較高的適用性，但惡劣振動工況下仍然面臨挑戰(zhàn)，有待進一步研究。

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前景與應用

“艦載增材制造”是將增材制造設備搬到艦船上，充分發(fā)揮增材制造技術能快速按需制備零部件的特點，對于深遠海的開發(fā)應用和艦船的維修維護具有重要作用。但迄今為止，增材制造隨艦修造仍處于探索和評估階段，特別是質(zhì)量認證嚴格的金屬零部件還未見成功案例的報道。電弧增材制造具有良好的環(huán)境適應性和容錯性，具備上艦制造的發(fā)展?jié)摿�和應用前景�?br />
團隊帶頭人介紹

李振華，教授，浙江海洋大學海洋工程裝備學院副院長。浙江省“151 人才工程”第三層次、舟山市111人才。主持完成國家自然科學基金項目1項，省部級項目10余項。近年來發(fā)表學術期刊論文30 余篇，其中 SCI 期刊發(fā)表 10余篇，獲得專利授權20余項。獲得上海市自然科學獎三等獎 1 項、中國有色金屬工業(yè)科學技術獎二等獎 1 項、中國商業(yè)聯(lián)合會科學技術獎三等獎1項。擔任中國機械工程學會摩擦學分會第十屆委員會委員，浙江省女科協(xié)第二屆理事、浙江省振動工程學會理事，舟山市熱處理學會理事。

作者介紹

石學智（本文第一作者/通訊作者），浙江海洋大學海洋工程裝備學院機械工程系主任，主要從事面向海洋領域的增材制造技術研究。近年來主持浙江省、舟山市等各類科研項目多項，發(fā)表學術論文20余篇，授權專利10余項。

團隊研究方向

面向海洋領域的增材制造技術研究，包括：(a)艦載增材制造技術；(b)人工魚礁3D打印技術；(c)高性能金屬材料的激光選區(qū)熔化技術。


近年團隊發(fā)表文章

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