【摘 要】
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电弧增材制造技术（WAAM）是丝材增材制造技术的一种,因其以焊接电弧作为热源,具有热输入效率高、成型效率高、可用于较大结构金属构建的高效、低成本成型等优势,因此是金属材料3D打印方向一个重要研究领域。电弧增材制造的基本原理是通过焊丝的逐层熔化堆积,最终获得所需的实体结构。本课题利用冷金属过渡（CMT）的电弧增材技术,以304不锈钢为基板材料,研究了电弧增材在制造复杂结构时会遇到的焊接线能量、焊道夹
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目（No.52005112）; 广州市科技项目（No.201807010035,201807010011）; 广东省科学院科技项目（No.2020GDASYL-20200402006,2020GDASYL-20200302013）
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电弧增材制造技术（WAAM）是丝材增材制造技术的一种,因其以焊接电弧作为热源,具有热输入效率高、成型效率高、可用于较大结构金属构建的高效、低成本成型等优势,因此是金属材料3D打印方向一个重要研究领域。电弧增材制造的基本原理是通过焊丝的逐层熔化堆积,最终获得所需的实体结构。本课题利用冷金属过渡（CMT）的电弧增材技术,以304不锈钢为基板材料,研究了电弧增材在制造复杂结构时会遇到的焊接线能量、焊道夹角角度、层间重叠率等工艺参数对其宏观成型、微观组织及力学性能的影响。主要结论如下:在电弧增材单层单道结构时,随着送丝速度的增加,单层单道焊道熔宽也随之增加,而焊道高度则先是增加后减小;而随着焊接速度的增加,单层单道焊道高度和熔宽均随之减小。在电弧增材制造结构中,底部为第一层焊道和基板共同形成的熔合区,中部主要为从不同方向逐渐向上生长的柱状晶,在顶部主要为较为均匀、细小的胞状晶,此外在层间存在明显的重熔层。随着焊接线能量的增加,电弧增材构件中柱状晶生长排列更加整齐,晶间距离增加,柱状晶的二次枝晶也随着线能量的增加而生长得更加连续明显。随着层间重叠率的减小,即构件倾斜度增加,柱状晶垂直向上生长时受限,也被迫发生倾斜,最终使得柱状晶连续性减弱、短且易破碎。随着焊道夹角角度的增加,在夹角区域的柱状晶生长时受限减少,因此其柱状晶生长空间增加,连续性更强,晶间距离增加。电弧增材直壁/曲面结构在沿高度方向上,其硬度均逐渐降低,从约210HV降低到150HV左右,下降了约28.5%左右,并最终在150HV上下波动。随着线能量的增加,则会使电弧增材结构显微硬度有所降低。焊道夹角角度和层间重叠率对其影响不大,但会使其层间硬度变化波动更大。电弧增材制造结构的抗拉强度普遍大于同材料的标准抗拉强度40～90MPa,约为7%～17%左右。而其延伸率则普遍小于标准5～10%左右,试验中当焊接线能量增加150J/cm时,其抗拉强度随之增加约7.3%。
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