基于微单元形态表征的钛合金MIG焊增材再制造生长调控

Dimensional control of deposited micro-unit is a essential issue during remanufacturing forming by MIG welding. Now, qualitative, cursory deposition with titanium alloy could be obtained, while quantitative and dim deposition could not be achieved. So the whole growth process of line(welded seam), plane(multipass weld) and block(multilayer weld-multipass weld) is dead zone. In this project, the hologram image of all-scaled sectional morphology is achieved by image processing, characterization parameters showing micro-unit pattern and deposited quality appraisal parameters with high sensitization and universality are determined by model building and data mining, and the whole growth procedure is bright. Active mechanism of deposited parameters to growth of micro-unit is disclosed by researching evolution of one-dimension micro-unit mathematical model. Effect pattern that relay and mass transfer mode of low-dimension micro unit on high-dimension size control is hold, the model of growth control from low dimension to high dimension is obtained and improved, and accurate size regulation and control of full-life growth will be realized. The research will have an important effect on in rebuilding original size and performance preservation of the worn titanium alloy pieces.

熔敷微单元尺寸控制是MIG焊接再制造成形的基础问题。当前，对钛合金焊接成形再制造只能做到"定性"、"粗略"熔敷，而不能做到"定量"、"定形"沉积，因而再制造微区从线（焊缝）、面（单层多道焊缝）、体（多层多道焊缝）的各维生长过程都是不可把握的"盲区"。为此，本研究拟通过图像处理实现各维生长形态的全息捕捉，确定最敏感、最能表征沉积微单元形态的特征参量与成形质量（几何尺寸）评价参量，实现生长全过程的"亮化"。在此基础上，通过研究一维微单元特征模型的演变过程，揭示堆积工艺参量对微单元熔敷生长过程的作用机理，把握低维微单元"接力"、"传质"方式对高维尺寸控制的影响规律，建立和完善钛合金MIG弧焊再制造过程中线→面→体沉积微单元各层次生长控制模型，进而实现再制造生长全过程的精确调控。本研究成果将对报废钛合金件的尺寸精确恢复和性能保持发挥重要作用。

为了提高钛合金MIG弧焊增材再制造宏观尺度上的成形精度，从生长堆积源头着手，在0维（熔滴）、1维（焊缝）、2维（单层多道）和3维（多层多道）尺度上，围绕微单元形态表征与评判、几何尺寸调控等基础问题开展了广泛研究：.（1）建立了熔滴碰撞模型，分析了熔滴凝固成形过程，研究了熔滴状态和基板热状态对熔滴形态的影响；设计研制了由船舟形刚性本体、柔性副体、连接套、支座、控制阀和气道等组成的熔池－焊缝双微区保护装置，船舟形刚性本体内部均匀设置有φ0.5mm~φ2.0mm的气孔；.（2）确定了适于MIG弧焊增材再制造成形的工艺参数范围：焊丝直径1.2mm，送丝速度4m/min～10.0m/min，焊接速度5mm/s～40mm/s，电感修正－3.0％～＋3.0％，弧长修正－2.4～＋2.6，熔池微区保护气体流量22L/min~28L/min，焊缝微区保护气体流量12L/min~35L/min，焊枪与焊缝夹角为85°～105°，焊枪与构件基板平面夹角为85°～95°；.（3）采用数据挖掘技术获得了包含堆积面积、半高宽、成形系数、边界曲线长度等在内的丰富的一维焊缝形态信息，并分析了焊接速度、送丝速度对上述表征参数的影响；.（4）基于“等量堆积”理论，建立了二维微单元生长调控模型，依据成形焊缝形态特征，将其划分为“上凸型”、“等积型”和“上凹型”，提出并定义了“适宜搭接系数”并分析了其在不同堆积模式下的取值范围：“上凸型”焊缝在顺序堆积和填充堆积条件下的适宜搭接系数范围分别为(0.5，1)和(1，2)、“等积型”焊缝在顺序堆积和填充堆积条件下的适宜搭接系数分别为0.5和1、“上凹型”焊缝在填充堆积下的适宜搭接系数小于1；.（5）提出并建立了基于三维“等量堆积”的单道多层路径计算模型，解决了平面向立体盲目生长的难题。分析了三维堆积微单元同序和异序两种堆积方式下的成形特性，针对磨损、断裂钛合金板、轴类零（构）件, 提出了具有良好适配性的成形再制造规划策略；.（6）探讨了成形微单元的的结构完整性，分析了缺陷的类别、发生位置及其演变机制。缺陷主要分布在表面、层内和层间，重熔、改变成形路径和工艺参数能够促进缺陷愈合。