浙江海洋大学李振华教授团队：舰载振动环境对电弧增材制造电弧熔滴特性及成形形貌...

来源：机械工程学报

引用论文

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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研究背景及目的

电弧增材制造技术克服了激光束、电子束等成形设备昂贵、不适合现场修复的劣势，为实现舰船装备随舰修造提供了可能性。但舰船的振动对其搭载设备的性能甚至是运行会造成巨大的影响，为探究舰载电弧增材制造的可行性，需深入研究舰载振动环境对成形的影响，弄清增材成形过程中电弧、熔滴过渡的演变规律和机理。

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论文亮点

（1）研究了电弧增材制造设备在舰载振动环境下的振动响应。

（2）探明了舰载振动环境下电弧形态、熔滴过渡行为的演变形式。

（3）揭示了舰载振动环境下电弧形态、熔滴过渡行为的失稳机制。

（4）验证了舰载电弧增材制造具有一定可行性。

图1 舰载振动环境下熔滴过渡行为及机理

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试验方法

将电弧增材制造设备置于振动平台上，通过正弦变频振动信号模拟舰船振动，进行ER50-6低碳钢的沉积实验，通过振动信号采集系统实时检测焊枪和工作基板的振动信号，高速摄像机监控系统拍摄记录电弧、熔滴过渡的信息，定量评定电弧弧锥角、弧偏角、熔滴过渡形式、熔滴直径、熔滴偏离角度和成形件的形貌精度，分析舰载振动环境中电弧、熔滴过渡的演变行为及对成形形貌的影响。

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结果

（1）在外部振动环境的影响下，电弧增材制造设备各部位会随之发生振动，其中对成形影响最大的焊枪和基板产生了差异性的振动，导致电弧和熔滴过渡行为发生改变，从而恶化成形形貌。

（2）电弧形态变得更不稳定，从钟罩形变成喇叭形、扇形、扫把形以及不规则形状等，弧偏角和弧锥角的波动范围远远超过了稳态的，平均值分别为9.8°和61.9°。

（3）熔滴偏离更严重，是稳态时的2倍；过渡形式也从稳态下的喷射过渡，出现了大量大滴过渡和短路过渡，平均熔滴过渡时间和熔滴直径均大于稳态的，分别为13.9ms和1.5mm。

（4）成形试样形貌有所恶化，但内部依然是致密、无缺陷。

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结论

确保电弧形态、熔滴过渡行为和熔池形貌的稳定是实现高质量成形的关键。本文通过实时检测电弧增材制造设备焊枪和工作基板的振动信号、记录成形过程中电弧、熔滴过渡行为的演变，分析了舰载振动环境是如何影响成形过程，从而导致成形件形貌改变的。该研究初步验证了电弧增材制造在舰载振动环境下具有较高的适用性，但恶劣振动工况下仍然面临挑战，有待进一步研究。

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前景与应用

“舰载增材制造”是将增材制造设备搬到舰船上，充分发挥增材制造技术能快速按需制备零部件的特点，对于深远海的开发应用和舰船的维修维护具有重要作用。但迄今为止，增材制造随舰修造仍处于探索和评估阶段，特别是质量认证严格的金属零部件还未见成功案例的报道。电弧增材制造具有良好的环境适应性和容错性，具备上舰制造的发展潜力和应用前景。

团队带头人介绍

李振华，教授，浙江海洋大学海洋工程装备学院副院长。浙江省“151 人才工程”第三层次、舟山市111人才。主持完成国家自然科学基金项目1项，省部级项目10余项。近年来发表学术期刊论文30 余篇，其中 SCI 期刊发表 10余篇，获得专利授权20余项。获得上海市自然科学奖三等奖 1 项、中国有色金属工业科学技术奖二等奖 1 项、中国商业联合会科学技术奖三等奖1项。担任中国机械工程学会摩擦学分会第十届委员会委员，浙江省女科协第二届理事、浙江省振动工程学会理事，舟山市热处理学会理事。

作者介绍

石学智（本文第一作者/通讯作者），浙江海洋大学海洋工程装备学院机械工程系主任，主要从事面向海洋领域的增材制造技术研究。近年来主持浙江省、舟山市等各类科研项目多项，发表学术论文20余篇，授权专利10余项。

团队研究方向

面向海洋领域的增材制造技术研究，包括：(a)舰载增材制造技术；(b)人工鱼礁3D打印技术；(c)高性能金属材料的激光选区熔化技术。


近年团队发表文章

[1] Shi Xuezhi, Huang Yunfeng, Li Zhenhua, Feng Wuwei, Ma Shuyuan. Effect of substrate

preheating, remelting, in-situ presintering on the formation of cracking of Ti-47Al-2Cr-2Nb

fabricated by Selective Laser Melting, Rare Metal Materials and Engineering, 2022, 51(8): 2739-2744.

[2] Zhen-Hua Li, Yu-Yue Wang, Jian Wang, et al. Effect of Cryogenic Heat Treatment and Heat Treatment on the Influence of Mechanical, Mechanical, Energy, and Wear Properties of 316L Stainless Steel by Selective Laser Melting[J]. JOM, 2022.

[3] Xuezhi Shi, Huaxue Wang, Wuwei Feng, Yulian Zhang, Shuyuan Ma, Jun Wei. The crack and pore formation mechanism of Ti-47Al-2Cr-2Nb alloy fabricated by selective laser melting, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2020, 91: 105247.

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[5] Xuezhi Shi, Yunqian Long, Huiqiu Zhang, Liqiao Chen, Yingtang Zhou, Xiaoming Yu, Xuan Yu, Lu Cai, Zhe Leng. Role of LPSO Phase in Crack Propagation Behavior of an As-Cast Mg-Y-Zn Alloy Subjected to Dynamic Loadings, Materials, 2019, 12(3): 498.

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[10] Bo Yin, Meiguang Cao, Yu Sun, Angang Cao, Zhonglin Zhang, Zhe Leng, Wuwei Feng, Xuezhi Shi, Ruiqi Han. Enhanced crack buffering of additively manufactured Ti-6Al-4V alloy using calcium

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