ER120S-G高强钢电弧增材制造的工艺优化

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2023.02.012

摘要/Abstract

摘要： 针对ER120S-G高强钢电弧增材制造搭接间距的工艺优化问题，采用脉冲熔化极气体保护焊（GMAW-P）工艺，对5组单层焊道进行Canny边缘提取和高斯平滑滤波，并选用不同函数对单道形貌进行拟合。比较了常规搭接模型和优化的斜顶搭接模型，并计算出它们的最优搭接间距。研究结果表明，对于高强钢GMAW-P工艺，采用正弦函数拟合焊道边缘的效果最佳，并且采用优化的斜顶搭接模型得到的最优搭接间距为0.66倍的单道宽度。基于上述优化结果试验成形了多层多道块体样件，成形表面质量良好无缺陷，块体组织主要为针状铁素体、粒状贝氏体以及M-A组元等，抗拉强度呈现一定的各向异性。

关键词: 电弧增材制造, 高强钢, 表面形貌, 力学性能

Abstract: Aiming at the problems of lap spacing optimization for ER120S-G high-strength steel based on wire and arc additive manufacturing process， the pulsed gas metal arc welding（GMAW-P）processes were adopted to perform Canny edge extraction and Gaussian smoothing filtering for 5 sets of single-layer weld passes， and different functions were selected to fit the single-pass morphology. Conventional lap model and optimized slant-top lap model were compared， and the optimal lap spacing of them was calculated. The results show that， the sine function fits the weld contour best in the GMAW-P process of high-strength steel， and the optimal lap spacing from the optimized slant-top lap model is as 0.66 times of the weld width. Based on the above results， multi-layer multi-pass bulk samples were fabricated， and the surface quality is good and without obvious defects. The bulk mainly contains needle ferrite， granular bainite， and M-A elements. The tensile strength is anisotropic.

Key words: wire and arc additive manufacturing, high strength steel, surface topography, mechanics property

中图分类号:

TG444.77

方学伟, 蒋笑, 王喆, 武晓康, 黄科. ER120S-G高强钢电弧增材制造的工艺优化[J]. 中国机械工程, 2023, 34(02): 218-225.

FANG Xuewei, JIANG Xiao, WANG Zhe, WU Xiaokang, HUANG Ke. Forming Process Optimization of Wire and Arc Additive Manufactured High-strength Steel ER120S-G[J]. China Mechanical Engineering, 2023, 34(02): 218-225.

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cmemo.org.cn/CN/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.02.012

https://www.cmemo.org.cn/CN/Y2023/V34/I02/218

参考文献

［1］卢秉恒，李涤尘. 增材制造（3D打印）技术发展［J］. 机械制造与自动化， 2013， 42（4）：1-4.
LU Bingheng， LI Dichen. Development of the Additive Manufacturing（3D Printing）Technology［J］. Machine Building & Automation， 2013， 42（4）：1-4.
［2］李涤尘，田小永，王永信，等. 增材制造技术的发展［J］. 电加工与模具， 2012（S1）：20-22.
LI Dichen， TIAN Xiaoyong， WANG Yongxin， et al. Developments of Additive Manufacturing Technology［J］. Electromachining & Mould， 2012（S1）：20-22.
［3］FANG X， ZHANG L， LI H， et al. Microstructure Evolution and Mechanical Behavior of 2219 Aluminum Alloys Additively Fabricated by the Cold Metal Transfer Process［J］. Materials， 2018， 11（5）：812.
［4］DONOGHUE J， ANTONYSAMY A A， MARTINA F， et al. The Effectiveness of Combining Rolling Deformation with Wire-arc Additive Manufacture on β-grain Refinement and Texture Modification in Ti-6Al-4V［J］. Materials Characterization， 2016， 114：103-114.
［5］SHEN C， PAN Z， CUIURI D， et al. Fabrication of Fe-FeAl Functionally Graded Material Using the Wire-arc Additive Manufacturing Process［J］. Metallurgical and Materials Transactions B， 2016， 47（1）：763-772.
［6］EVERTON S K， HIRSCH M， STRAVROULAKIS P， et al. Review of In-situ Process Monitoring and In-situ Metrology for Metal Additive Manufacturing［J］. Materials & Design， 2016， 95：431-445.
［7］乌日开西·艾依提，赵万华，卢秉恒，等. 基于脉冲微束等离子弧焊的快速成形中的搭接参数［J］. 机械工程学报， 2006， 42（5）：192-197.
WURIKAIXI Aiyiti， ZHAO Wanhua， LU Bing-heng， et al. Overlapping Parameters of Rapid Prototyping Based on Pulsed Micro-plasma Arc Welding［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2006， 42（5）：192-197.
［8］KIM I S， SON J S， YARLAGADDA P K D V. A Study on the Quality Improvement of Robotic GMA Welding Process［J］. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing， 2003， 19（6）：567-572.
［9］KIM I S， SON J S， PARK C E， et al. A Study on Prediction of Bead Height in Robotic Arc Welding Using a Neural Network［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2002， 130：229-234.
［10］KIM I S， SON J S， KIM I G， et al. A Study on Relationship between Process Variables and Bead Penetration for Robotic CO2 Arc Welding［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2003， 136（1/3）：139-145.
［11］XUE Y， KIM I S， SON J S， et al. Fuzzy Regression Method for Prediction and Control the Bead Width in the Robotic Arc-welding Process［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2005， 164：1134-1139.
［12］CUI P Z. Research on Remanufacturing Modeling and Forming Path Planning Based on the Robot［D］. Dissertation：The Academy of Armored Forces Engineering， 2007.
［13］XIONG J， ZHANG G， GAO H， et al. Modeling of Bead Section Profile and Overlapping Beads with Experimental Validation for Robotic GMAW-based Rapid Manufacturing［J］. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing， 2013， 29（2）：417-423.
［14］方学伟，白浩，姚云飞，等. 冷金属过渡电弧增材制造多道搭接工艺研究［J］. 机械工程学报， 2020， 56（1）：141-147.
FANG Xuewei， BAI Hao， YAO Yunfei， et al. Research on Multi-bead Overlapping Process of Wire and Arc Additive Manufacturing Based on Cold Metal Transfer［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2020， 56（1）：141-147.

[1]	熊晓晨, 周岩, 周祥曼, 吴海华, 华林, 胡泽启, 秦训鹏, 邓少华. 随动热锤辅助水轮机关键过流部件电弧增材再制造强塑协同调控[J]. 中国机械工程, 2025, 36(12): 3010-3016.
[2]	易斌, 刘延斌, 付玲, 薛丁琪, 柳志诚, 王江超. 高强钢AH36薄板随焊热拉伸焊接失稳控制及其机理[J]. 中国机械工程, 2025, 36(12): 3030-3039.
[3]	闫祖龙, 庞启龙, 熊建龙. 基于深度学习的KDP晶体三维已加工表面形貌预测[J]. 中国机械工程, 2025, 36(10): 2329-2334.
[4]	齐英杰, 李伟, 刘增华, 周亚波, 温泽峰. 针对地铁车辆晃动的轨道几何不平顺敏感波长分析[J]. 中国机械工程, 2025, 36(09): 1925-1933.
[5]	王亚辉1, 2, 3, 黄亮1, 2, 刘翔1, 2. 固溶处理对锻/增复合成形TC4钛合金件的显微组织和力学性能的影响[J]. 中国机械工程, 2025, 36(06): 1314-1321.
[6]	莫帅1, 2, 3, 黄轩1, 2, 黄祖瑞1, 2, 张伟1. 连续多稳态齿轮元胞机械超结构及其力学性能[J]. 中国机械工程, 2025, 36(04): 857-863，887.
[7]	姜世杰1, 2, 许子沼1, 李曙光1, 王菲1, 黄绪震3. 17-4PH不锈钢材料的金属熔丝成形及其制品力学性能研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(03): 593-603.
[8]	成艾国1, 王超1, 于万元2, 何智成1. 铆钉裂纹对自冲铆接力学性能影响的仿真与试验研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(02): 197-208.
[9]	吴石, 高增阔, 王明珠, 赵成睿. 斜齿轮表面形貌分形特征对时变接触刚度的影响[J]. 中国机械工程, 2025, 36(01): 59-68,77.
[10]	李旭阳, 代亮成, 池茂儒, 赵明花, 周荻. 电力动车组变刚度转臂节点的半主动控制[J]. 中国机械工程, 2025, 36(01): 160-167,176.
[11]	罗自荣, 徐毓泽, 陈善军, 王圣引, 卢钟岳, 朱一鸣. 2-(U+UPS)PU+UPU平动机器人腿机构设计与力速性能分析[J]. 中国机械工程, 2024, 35(12): 2193-2202.
[12]	万步炎1, 2, 彭奋飞1, 2, 3, 金永平1, 2 , 刘德顺1, 2 , 彭佑多1, 2. 海洋探测装备收放缆力学性能研究综述[J]. 中国机械工程, 2024, 35(09): 1521-1533.
[13]	张武昆1, 2, 赵剑2, 谭永华1, 2, 高玉闪1, 2, 王珺1, 2, 韩子月3, 耿小亮4. 不同增强方向的带支柱体心立方点阵及其填充结构的压缩力学性能分析[J]. 中国机械工程, 2024, 35(09): 1642-1652.
[14]	倪敬, 崔智, 何利华, 付新, 朱泽飞. 聚四氟乙烯材料切削工艺和应用研究进展[J]. 中国机械工程, 2024, 35(03): 498-514.
[15]	包锐, 刘阔, 张杰, 韩灵生, 李建明, 左月帅, 刘海波, 王永青. 聚碳酸酯超低温冷却车削表面形貌试验研究[J]. 中国机械工程, 2024, 35(02): 201-207.