摘要
镁合金具有密度低、导热性好、抗冲击性好、比强度高、比刚度高和生物相容性好等特点，在汽车、军工、航空航天、生物医疗和3C行业等领域具有广阔的应用前景。电弧增材制造（wire arc additive manufacturing，WAAM）可以缩短复杂结构件制造周期，实现小批量快速制造。使用基于冷金属过渡（cold metal transfer，CMT）技术的WAAM方法进行镁合金零部件的制造，可以有效降低堆积过程中的熔滴飞溅，从而保证制造构件的成形稳定可控；同时，与传统电弧焊接方法相比，CMT焊接过程中的热输入相对较低，能够更好满足镁合金WAAM构件的控性要求。针对镁合金较差的焊接性、WAAM试样成形精度较低和单壁墙有效壁厚较小的问题，开展镁合金CMT-WAAM技术的研究，对于镁合金构件的制造以及产品的应用推广具有重要的理论意义和工程价值。 本文首先对AZ91镁合金CMT堆积过程中的电参数波形特征及熔滴过渡过程进行分析，结合镁合金材料属性以及熔滴受力情况，揭示了镁合金CMT电参数波形变化规律及熔滴过渡行为。其次，开展AZ91镁合金CMT-WAAM单壁墙成形试验，得出了工艺参数对试样成形的影响规律及工艺优化方案；对试样微观组织及力学性能进行测试分析，弄清了微观组织演变规律，并找出了影响单壁墙试样力学性能的主要因素。最后，将电弧摆动应用于AZ91镁合金CMT-WAAM中，研究并阐明了电弧摆动热作用对单壁墙试样成形、微观组织和力学性能的影响规律及作用机理。 研究结果表明，在镁合金CMT短路阶段引入短路脉冲，可以促进熔滴过渡中缩颈的形成，从而实现无飞溅的短路过渡过程；同时还可以改善焊缝表面均匀性。AZ91镁合金CMT增材制造单壁墙试样容易出现“S”形特征，堆积层宽度越大、上表面越平整，单壁墙试样成形质量越高；试样由α-Mg等轴晶基体和沿晶界分布的条纹状β-Mg17Al12构成；试样的抗拉强度为205.0MPa~236.4MPa，高于铸态AZ91镁合金的抗拉强度（160MPa），但略低于铸态+T4时效处理AZ91镁合金的抗拉强度（240MPa）。引入电弧摆动后，单壁墙试样的有效壁厚从7.0mm提升至18.7mm，有效使用率从84.2%提升至91.0%；α-Mg晶粒等轴晶特征更为明显，β-Mg17Al12相变得细小且弥散；电弧摆动可以有效提升试样的力学性能，试样的抗拉强度可以达到245.2MPa~250.3MPa，比未加入摆动的试样抗拉强度高出10%左右。
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