摘要
电弧增材制造技术是以电弧为热源，采用逐层堆焊的方式成形金属构件的新兴制造方法，具有制造成本低廉、成形效率高的突出特点，在航空航天、汽车船舶等领域有广阔的应用前景。尽管电弧增材制造技术已经得到了快速的发展，但仍存在组织性能调控困难、增材构件残余应力与变形大等问题，这都与构件在成形过程中受到的反复热循环有关。通过研究增材构件热量变化特征，对提高构件的性能与形状控制，具有重要作用。电弧作为增材制造的热源，直接决定了构件的输入热量，准确测量增材电弧温度等热力学参数对分析增材制造过程中构件热量变化规律具有重要意义。TIG(TungstenInertGasWelding)电弧增材制造具有较低的能量输入、不易飞溅、组织形貌稳定性高等特点，应用十分广泛。因此，本文以TIG增材电弧为研究对象，阐明增材热力学参数等物理特性，为增材构件微观组织与机械性能控制提供理论基础。 本文针对TIG增材电弧中焊丝的干扰性、电弧的非对称性等特点，提出了TIG增材电弧光谱诊断新方法，通过对增材电弧温度等物理特性以及增材电弧中金属元素的分析，揭示了增材电弧温度的变化特点及影响因素，阐明了增材电弧温度的变化规律及金属蒸汽的运动规律。主要内容如下： 首先提出了TIG增材电弧的标准温度法，并对热力学非平衡状态及平衡状态的增材电弧温度进行了光谱诊断。通过与Boltzmann光谱诊断方法计算的增材电弧温度进行对比，认为两种方法具有较好的一致性。利用标准温度法计算了热力学非平衡状态的增材第一层电弧温度场及热力学平衡状态的增材第十一层电弧温度场，计算结果表明增材一层电弧中心温度达到19500K，增材第十一层电弧中心温度达到18000K。焊丝的加入，减小了增材电弧半径，降低了增材电弧的温度，焊丝侧增材电弧温度比无焊丝侧降低300K左右；与无焊丝侧相比，焊丝侧半径减小约8%。 其次，分析了增材过程中构件形态及构件温度对增材电弧温度的影响，结果表明，构件温度和构件形貌均会使电弧温度降低。增材第一层与第十一层的构件温度变化导致增材电弧温度整体降低了180K，构件形貌变化导致增材电弧温度整体降低了500K。 最后，分析了增材电弧中的金属元素及其运动情况。利用增材电弧光学信息分析可知，在TIG增材316L不锈钢直壁构件的增材电弧中，主要金属蒸汽为Cr。通过高速摄影配合不同中心波长的窄带滤光片获得了不同元素的增材电弧特征谱强度分布，结果表明，金属蒸汽主要分布在增材电弧的外侧，增材第十一层电弧中金属铬金属含量比增材第一层含量高，电弧中金属蒸汽的增加会使得电弧温度降低。 本文的研究结果丰富了增材制造的基础理论，为电弧增材过程中热源能量的定量计算提供了新方法，为增材构件的性能控制提供了理论依据。
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