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电弧增材制造技术应用现状

发布时间:2022-6-30 16:51 来源:董巍、程远、吴晓(南京英尼格玛工业自动化技术有限公司) 观看:

WAAM由于其整体制造周期短,柔性化程度高,能够实现数字化、智能化和并行化制造等优势在汽车、军事、航空航天以及船舶等领域体现了巨大的优越性,在产品快速开发、个性化定制、传统工艺替代、材料-结构-功能一体化、模具修复等方面实现了广泛应用。WAAM以连续焊缝作为基本结构单元,适用于飞机内部框架、加强肋及壁板结构的快速成型。目前,大型整体钛、铝合金结构件在航空航天领域应用广泛,在钛合金WAAM技术应用研究方面,英国克兰菲尔德大学走在国际前列,与欧洲航天局、洛克希德·马丁公司和庞巴迪公司开展了广泛合作,成功制造出飞机机翼翼梁和起落架支撑外翼肋,并能成型高复杂度的零件,如图1所示。目前,其钛合金沉积效率达1~2 kg/h,构件力学性能达到锻件水平,钛合金零件最大单方向成型尺寸达1.5m,较传统方法极大地缩短了加工周期并节省材料69kg。

图1:英国克兰菲尔德大学WAAM 的钛合金零件

克兰菲尔德大学还开展了大量的铝合金WAAM技术应用研究,试制了诸多铝合金零件,如图2所示,处于国际领先水平。基于灵活的构型能力进行结构设计,电弧增材制造可以替代传统加工制造的部分环节。国内抚顺东工冶金利用电弧增材制造开发舱段壳体,如图3所示,它无需模具,极大程度降低了产品开发周期成本。

图2:英国克兰菲尔德大学WAAM 的铝合金零件

南京英尼格玛利用921A高强度可焊接合金结构钢打印潜艇耐压壳体,如图 3所示,传统的构件采用拼装焊接的工艺制造,由于热影响区粗晶区在焊接热循环的作用下变化明显,在不同热输入条件下焊接热影响区出现软化现象。采用对应丝材进行电弧增材制造,通过严格控制热输入量,打印的构件抗拉强度可达720Mpa,屈服强度可达620Mpa。

图3:潜艇耐压壳体

在中国制造创新版图上,电弧作为核心技术之一,正从航空航天、汽车电子、军事国防、等方面全面推进相关发展。“材料-结构-功能”的一体化制造概念成为我国智能制造发展的重要方向,材料与制造的相辅相成已成为主要趋势。 

南京理工大学2014年已开展“材料-结构-功能”一体化微观异构增材、电弧受控、智能控制等技术研究,如图4所示,研制了500MPa高强铝、1100MPa高氮钢和1200~1600MPa超高强钢等高性能复杂构件和结构-功能一体化构件,通过层叠镶嵌、软硬交织的微观异构结构设计和异质多丝电弧增材工艺,获得了特殊的性能和功能,为新材料、超材料的制备提供了一种新思路、新方法,为结构与功能构件的个性化设计提供了全新的视觉和广阔的想象空间。此外,电弧增材制造技术的出现和发展为模具修复及再制造提供了新思路,采用该技术修复及再制造模具能够实现修复过程自动化,提高生产效率,同时节约大量焊材。

图4:电弧增材制造快速试制工件

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