浙江海洋大學(xué)李振華教授團(tuán)隊(duì)：艦載振動(dòng)環(huán)境對(duì)電弧增材制造電弧熔滴特性及成形形貌...

來源：機(jī)械工程學(xué)報(bào)

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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1
研究背景及目的

電弧增材制造技術(shù)克服了激光束、電子束等成形設(shè)備昂貴、不適合現(xiàn)場修復(fù)的劣勢，為實(shí)現(xiàn)艦船裝備隨艦修造提供了可能性。但艦船的振動(dòng)對(duì)其搭載設(shè)備的性能甚至是運(yùn)行會(huì)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(dòng)環(huán)境對(duì)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(jī)理。

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論文亮點(diǎn)

（1）研究了電弧增材制造設(shè)備在艦載振動(dòng)環(huán)境下的振動(dòng)響應(yīng)。

（2）探明了艦載振動(dòng)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(dòng)環(huán)境下電弧形態(tài)、熔滴過渡行為的失穩(wěn)機(jī)制。

（4）驗(yàn)證了艦載電弧增材制造具有一定可行性。

圖1 艦載振動(dòng)環(huán)境下熔滴過渡行為及機(jī)理

3
試驗(yàn)方法

將電弧增材制造設(shè)備置于振動(dòng)平臺(tái)上，通過正弦變頻振動(dòng)信號(hào)模擬艦船振動(dòng)，進(jìn)行ER50-6低碳鋼的沉積實(shí)驗(yàn)，通過振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測焊槍和工作基板的振動(dòng)信號(hào)，高速攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)拍攝記錄電弧、熔滴過渡的信息，定量評(píng)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(dòng)環(huán)境中電弧、熔滴過渡的演變行為及對(duì)成形形貌的影響。

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結(jié)果

（1）在外部振動(dòng)環(huán)境的影響下，電弧增材制造設(shè)備各部位會(huì)隨之發(fā)生振動(dòng)，其中對(duì)成形影響最大的焊槍和基板產(chǎn)生了差異性的振動(dòng)，導(dǎo)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(dòng)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yán)重，是穩(wěn)態(tài)時(shí)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(shí)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(jié)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(shí)現(xiàn)高質(zhì)量成形的關(guān)鍵。本文通過實(shí)時(shí)檢測電弧增材制造設(shè)備焊槍和工作基板的振動(dòng)信號(hào)、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(dòng)環(huán)境是如何影響成形過程，從而導(dǎo)致成形件形貌改變的。該研究初步驗(yàn)證了電弧增材制造在艦載振動(dòng)環(huán)境下具有較高的適用性，但惡劣振動(dòng)工況下仍然面臨挑戰(zhàn)，有待進(jìn)一步研究。

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前景與應(yīng)用

“艦載增材制造”是將增材制造設(shè)備搬到艦船上，充分發(fā)揮增材制造技術(shù)能快速按需制備零部件的特點(diǎn)，對(duì)于深遠(yuǎn)海的開發(fā)應(yīng)用和艦船的維修維護(hù)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(píng)估階段，特別是質(zhì)量認(rèn)證嚴(yán)格的金屬零部件還未見成功案例的報(bào)道。電弧增材制造具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和容錯(cuò)性，具備上艦制造的發(fā)展?jié)摿�和�?yīng)用前景。

團(tuán)隊(duì)帶頭人介紹

李振華，教授，浙江海洋大學(xué)海洋工程裝備學(xué)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(xué)基金項(xiàng)目1項(xiàng)，省部級(jí)項(xiàng)目10余項(xiàng)。近年來發(fā)表學(xué)術(shù)期刊論文30 余篇，其中 SCI 期刊發(fā)表 10余篇，獲得專利授權(quán)20余項(xiàng)。獲得上海市自然科學(xué)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)、中國有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)、中國商業(yè)聯(lián)合會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。擔(dān)任中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)摩擦學(xué)分會(huì)第十屆委員會(huì)委員，浙江省女科協(xié)第二屆理事、浙江省振動(dòng)工程學(xué)會(huì)理事，舟山市熱處理學(xué)會(huì)理事。

作者介紹

石學(xué)智（本文第一作者/通訊作者），浙江海洋大學(xué)海洋工程裝備學(xué)院機(jī)械工程系主任，主要從事面向海洋領(lǐng)域的增材制造技術(shù)研究。近年來主持浙江省、舟山市等各類科研項(xiàng)目多項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，授權(quán)專利10余項(xiàng)。

團(tuán)隊(duì)研究方向

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


近年團(tuán)隊(duì)發(fā)表文章

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