电弧增材铝/钢构件界面结构演变行为及性能调控机制研究

With the development and step forward of advanced manufacturing, Al/Steel dual metal structure obtains more and more preference due to their outstanding combination property. Aim at the manufacture problems for the large and complicated Al/Steel structure parts, such as large size, high cost in small-scale production, difficult to clamping and welding for the anomaly shape, an integrated produced method of welding arc additive manufactured (WAAM) Al/Steel structure is put forward in this project. The additive manufactured interface of WAAM Al/Steel part will be treated as the core research object, and the effect mechanism of thermal cumulation and cycle process in the WAAM on the evolution behavior of Al/Steel interface structure will be investigated systematically, which can provide a theoretical and technical support for the adjustable temperature controlling method in WAAM. In addition, better interface structure and stress state can be designed by the advantage of flexible WAAM process. Besides that, an axial magnetic field will be applied for controlling the generation behavior of Al-Fe intermetallic compound and WAAM thermal process to enhance the Al/Steel joining property. The interaction process among the magnetic field, weld arc and molten pool will be illuminated, and the effect mechanism of magnetic field on the growth behavior of intermetallic compounds at the interface will be revealed. The project research results show a significant meaning for establishing the technical foundation of dissimilar metal additive manufacturing method and further broaden the applied range of Al/Steel.

随着高端制造业的进步和发展，铝/钢双金属结构凭借优异的综合性能不断受到人们青睐。针对目前大型、复杂铝/钢结构部件的制造难题：结构尺寸大、小批量生产成本高，结构形状不规则难以进行装卡与焊接等问题，本申请提出电弧增材制造铝/钢构件的一体化制造方法。本申请以铝/钢增材连接界面为主要研究对象，系统研究增材制造过程中的热量累积和热循环过程对铝/钢界面结构演变行为的影响机制，为增材制造‘调温控性’方法提供理论和技术支撑；借助柔性电弧增材制造优势设计宏观界面连接结构、优化界面受力状态，实现‘调构控性’目的；引入轴向磁场对电弧增材热过程和铝-钢界面化合物生长行为进行调控，改善结构连接性能。分析磁场-电弧-熔池三者的交互作用过程，揭示磁场对界面处化合物生长的作用机理。项目研究成果对奠定异种金属增材制造技术基础，进一步拓宽铝/钢结构应用范围具有重要意义。

铝/钢复合结构在航空航天、船舶工程等领域轻量化结构的设计及制造有广泛应用前景，本项目通过电弧增材制造的方式实现了铝/钢异种金属结构的一体化制造，为目前大型、复杂铝/钢结构的低成本、灵活制造提供了解决方案和理论基础。内容上重点围绕增材热过程下铝/钢界面结构演变行为、磁场辅助界面调控方法及机制、增材结构应力分布优化策略三方面开展了系统的研究工作。通过对项目的研究，获得的主要结果如下：.1、阐明了磁场作用下电弧及熔滴过渡行为。磁场下电弧做旋转运动，随着磁场强度的增加电弧的旋转半径增大、电弧高度降低，熔滴过渡呈现旋转过渡特征，通过数值模拟对磁极结构进行了优化设计，选用圆台状磁极结构获得了轴向性良好的磁场分布，提高了焊接过程稳定性；.2、揭示了增材热过程对铝/钢增材界面结构的演变机制。随着增材层数的增加，铝/钢界面层由Al8Fe2Si向(Al, Si)13(Fe, Cr)4转变，转变程度与增材层间温度呈正相关，化合物层的厚度也随之增大。当增材温度超过250℃时，界面处会有脆性Fe2Al5相的生成。随着增材层数的增加，增材连接强度呈先增加，再下降，最后趋于稳定的趋势，最高强度可以达到95MPa。.3、揭示了磁场对铝/钢界面连接过程的影响机制。磁场引入后峰值温度由熔池中心转向熔池外围，铝/钢界面处的高温停留时间和温度也随之下降。熔池内部的流动特征由无磁场时的单一环流，转变为有磁场作用时的双环流流动特征，熔池内部的流速和流动范围有增大的趋势，促进了金属的润湿，同时也降低了界面前沿铁原子浓度。化合层中出现明显的硅元素富集现象，可促使化合物由(Al,Si)13Fe4向Al8Fe2Si相转变。. 4、利用增材制造的优势设计了不同的铝钢增材界面宏观结构，模拟了不同结构下的应力分布状态。半波形和全波形铝/钢增材结构等效应力沿 Y 轴对称分布，高应力值出现在堆积层两端与基板交界处以及堆积层中点附近的基板上，堆积层顶端应力较小。对称的铝/钢界面形状比不对称的界面形状对应力释放、缓解应力集中有着更好的效果。