摘要
铝合金薄壁壳体零部件在航空、航天等领域有着广泛的应用，但其加工时往往90%的材料被去除，对铝合金材料和刀具材料造成了极大的浪费。近年来，增材制造技术的发展为这一问题的解决提供了新的思路。电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM）以逐层堆积的方式直接成形零件的近净形状，具有低成本和高沉积速率的优点，是金属零件直接成形的重要研究方向。 本文以钨极惰性气体保护焊（GTAW）技术为基础。在零件成形控制研究中，提出通过视觉检测和反馈控制电弧长度的方法，实现电弧检测和成形控制，并设计了电弧长度视觉检测及反馈控制模块。试验结果证明，该方法能够有效的控制电弧长度，保证沉积丝材和熔池过渡状态的一致性。在增材制造系统搭建的基础上，本文结合单层单道沉积层的尺寸和有限元温度场模拟，通过正交试验的方法，研究了脉冲周期和沉积工艺参数（峰值电流、沉积速度、送丝速度）对沉积层尺寸的影响，确定5356铝合金增材制造的工艺窗口。进行了薄壁框架沉积层的工艺试验，通过光学显微镜观察了薄壁框架沉积层的气孔分布和显微组织，并利用图像统计方法研究了沉积层气孔和晶粒的分布规律，分析了成形过程中峰值电流占比和层间冷却时间对气孔和晶粒的影响。结果表明，薄壁框架沉积层晶粒随沉积方向增加逐层细化；当热输入较大时，气孔尺寸和数量明显增加。在力学性能方面，通过纳米压痕仪测试了薄壁框架沉积层不同沉积高度的晶粒硬度。结果表明，硬度随沉积层高度的增加而增加。通过拉伸试验机测试了薄壁成型件的力学性能。试验结果表明，GTAW工艺增材制造的5356铝合金薄壁件拉伸强度为230±10MPa，延伸率在16%左右，其力学性能与拉拔成形的同质材料近似。对拉伸断口进行观察，结果表明，薄壁成型件的断口形貌为均匀分布的韧窝，符合韧性断裂特征，说明成形件塑性性能较好。
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