摘要
增材制造(AdditiveManufacturing,AM)技术是一种基于离散堆积原理的新材料成形概念。而电弧增材制造(WireandArcadditivemanufacturing,WAAM)是AM技术重要分支，在制造大尺寸复杂零件上具有适应性高、成本低、生产周期短等优势。但其过程不稳定性易带来成形缺陷，从微观角度分析成形过程中的温度场和流场对提高其稳定性有指导意义。实验观测受限于技术难以分析其温度场与流场分布规律。因此本文采用数值模拟方法分析电弧增材制造电弧、熔滴和熔池温度场和流场分布，揭示成形过程中的传热传质特性，为WAAM工艺改进提供理论基础。 本文以316L不锈钢焊丝为原料，基于单层单道预实验，分析沉积电流与速度对熔覆层形貌尺寸参数的影响。发现沉积电流与熔覆层的层宽和高度呈正相关,而随着沉积速度增大，熔覆层的高度和宽度均呈下降趋势。并且根据焊道形貌，选取成形稳定的工艺参数用于后续模拟。 考虑熔滴生成并滴落过程中所受主要作用力，借助VOF流体体积函数结合CSF连续表面张力模型建立熔滴过渡数值模型。分析了不同电流参数对熔滴过渡的影响，基于高速摄影图像对比模拟与实验，分析焊丝熔化部分长度与过渡频率随电流变化趋势，认为电磁力沿轴线梯度绝对值的变化是熔池过渡类型改变的主要原因。针对过渡过程中多滴粘合集中过渡的现象,分析WAAM常见滴状过渡，熔滴内部速度场变化情况。建立了基于流体动力学和电磁学原理的三维WAAM电弧模型，模拟计算常见熔覆层表面的电弧能量形态，并提取截面不同路径上的电势、速度、温度与压强参数。研究发现熔覆层对电弧形态与参量分布影响较大。 建立气、液、固耦合状态下，电弧增材制造熔池流动数值模型，探究熔池温度场与流场的变化以及熔滴与熔池的交互作用。结果表明，基板温度随沉积时间的增加逐渐升高。熔池受热输入与散热平衡的影响，从初始阶段的圆形变成稳定后的椭圆，熔池宽度与深度保持相对固定。分析熔池稳定后熔滴过渡周期内熔池形态与速度场的变化，结果表明，熔滴过渡周期内熔池上表面呈震荡扩散，上表面的速度值远大于熔池内部。分析认为是熔池上表面受到电弧力、熔滴冲击力与表面张力的共同作用所致。分析熔池纵截面与横截面的速度场与流线分布，发现涡流易出现于熔池上表面边缘与熔滴正下方，对熔深与熔宽起到扩大作用。分析沉积速度对熔池形态、温度场和流场变化的影响，结果表明沉积速度增带会加大热源前方的温度梯度，熔池中的最高温度会降低，熔池流场分布范围减小，流速减小，熔覆层的宽度与高度也会降低。对比实验熔池尺寸，与模拟结果吻合良好。
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