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GMAW再制造多重堆积路径对质量影响及优化方法研究

作　者: 赵慧慧
导　师: 吴林
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: GMAW再制造路径优化温度场解析残余应力变形模糊综合评价
分类号: TH16
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

GMAW(Gas Metal Arc Welding)多重堆积再制造是修复较大金属构件破损的重要手段，其热过程复杂、影响因素多，是目前再制造领域研究的热点之一。本文以实现GMAW再制造多重堆积路径优化为目标，以单热源多重加热模式下的热过程为重点，对成形过程多次加热温度场理论解析进行了探索，采用有限元模拟和实验方法对其多重加热模式下的复杂应力、变形、路径影响规律进行了系统研究，并建立了多重堆积路径模糊综合评价系统，实现了多指标路径优化。为大型构件高效率、高质量再制造的实际应用建立了理论基础，并为再制造堆积路径优化提供一种可行的技术手段。首先，对GMAW多道堆积多次加热温度场理论解析进行探索研究，采用集中点热源、三维分布双椭球热源，在静止、运动坐标系下推导出电弧热源多次加热、道间冷却及最终冷却过程动态温度场解析公式。在Matlab环境下编程实现了多道堆积加热目标区域温度场、热循环、道间等待时间范围等特征参数的计算。进而研究了多道堆积过程前道热积累对后道的预热，以及后道对前道的后热作用，对比分析了不同堆积方向、不同规范下的热循环特点。同向比交错式堆积散热好，规范过大会导致热积累严重，工件过热。分析了道间等待时间对热循环的影响规律，可利用道间等待时间有效控制多重堆积的热量积累。上述研究为预估再制造工艺参数范围提供了依据。根据基体对熔覆层的外部约束形式将所研究的GMAW再制造修复工件划分为：一维、二维约束两种情况。采用数值模拟研究方法，建立了一维约束的平板堆积和二维约束的块状基体堆积修复有限元模型，并分析其温度场、应力场、变形的规律。研究表明，层内前道、后道之间存在预热、后热交互作用，后道对前道有应力释放作用；层间前层对后层预热，后层对前层后热并具有应力释放作用。多重堆积过程经历单热源多次加热，热积累严重，容易导致整体过热、成形变差，可通过设置合理道间等待时间避免工件过热。在确定的规范参数下，随着道数增加，一维约束平板堆积过程横向道间应力逐渐降低，而二维约束块状基体修复过程横向约束大，横向道间应力逐渐升高。在三个方向变形中高度方向翘曲变形最大，对修复表面平整度影响也最大。进一步研究了过程参数对多重堆积过程的影响规律。堆积长度越长，拉压应力过渡越陡。道间等待时间越长，道间应力、层间应力升高，残余应力降低。在成形效率允许范围内，尽量选择较长道间等待时间，避免工件过热，有利于成形均匀，降低残余应力。针对两种约束情况，研究了层内、不同层间堆积顺序和方向对温度场、应力场、翘曲变形的影响。散热状况方面同向堆积优于交错式堆积，残余应力方面交错式堆积优于同向堆积。其它参数不变，可通过调整堆积路径而改善温度场、应力、翘曲变形状况。再制造多重堆积路径组合多、评价指标多，导致最优路径选择困难。本文以堆积路径影响规律为数据支撑，模拟人的思维决策模式，开发了再制造多重堆积路径模糊综合评价方法，实现了多指标下的路径优化。多指标包括：散热状况、成形状况、残余应力、翘曲变形、成形效率。通过评价指标因素集、评价结果向量、模糊词集、论域的确立，以及精确量模糊化、模糊推理及模糊量非模糊化，建立了模糊综合评价模型。并在Visual C++编程环境下开发了友好的系统交互界面。专家级用户根据知识和经验直接输入权重；非专家级用户根据产品质量要求采用层次分析法计算权重。最后，选取火车钩舌磨损件进行了实例验证。结合前述得出的路径影响规律，分析了钩舌S面从外到里同向、交错式方向，以及从里到外同向、交错式方向四种堆积路径，在各指标下对堆积路径进行了排序，并采用数值模拟和实验方法进行了验证。根据火车钩舌修复质量要求，对指标重要性排序为：残余应力、成形状况、散热状况、效率、翘曲变形。采用所开发的路径模糊综合评价系统，确定了最优路径为由外到内交错式堆积。进而采用钩舌再制造修复专机对磨损件进行修复，测试了成型件力学性能，结果满足使用要求。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-15
第1章绪论  15-30
  1.1 课题背景及意义  15-16
  1.2 再制造技术研究现状  16-18
  1.3 快速成形技术研究现状  18-22
    1.3.1 快速成形技术  18-20
    1.3.2 以焊接电弧为热源的快速成形制造技术  20-22
  1.4 以电弧为热源的再制造多重堆积过程分析  22-23
  1.5 多重堆积质量及路径影响规律相关领域研究现状  23-28
    1.5.1 以焊接电弧为热源的热过程理论解析  23-24
    1.5.2 堆积成形应力变形及路径影响规律研究  24-26
    1.5.3 多重堆积成形热过程对组织性能影响  26-28
  1.6 本文的主要研究内容  28-30
第2章 GMAW 多重加热温度场理论解析探索研究  30-66
  2.1 引言  30
  2.2 理论解析解与数值模拟解  30
  2.3 多重堆积温度场解析求解基本假设  30-31
  2.4 GMAW 再制造多重堆积点热源加热过程  31-43
    2.4.1 点热源瞬时热传导过程  31-34
    2.4.2 点热源连续热传导过程  34-36
    2.4.3 点热源再制造多重堆积热传导过程  36-43
  2.5 GMAW 再制造多重堆积双椭球热源加热过程  43-57
    2.5.1 双椭球热源瞬时热传导过程  44-46
    2.5.2 双椭球热源连续热传导过程  46-49
    2.5.3 双椭球热源再制造多重堆积热传导过程  49-56
    2.5.4 有限厚度情况镜像辅助热源法  56-57
  2.6 多重堆积温度场公式在有限厚度基板情况的应用  57-64
    2.6.1 多重堆积温度场及热循环计算结果  57-62
    2.6.2 多重堆积道间等待时间范围及冷却时间的计算  62-64
  2.7 本章小结  64-66
第3章 GMAW 再制造多重堆积数值模拟分析  66-102
  3.1 引言  66
  3.2 再制造多重堆积过程分析  66-67
  3.3 多重堆积有限元模型的建立及验证  67-75
    3.3.1 多重堆积有限元模型的建立  67-71
    3.3.2 再制造多重堆积实验及模型的验证  71-75
  3.4 一维约束多重堆积热过程应力变形规律  75-95
    3.4.1 多层单道堆积过程  75-84
    3.4.2 单层多道堆积过程  84-89
    3.4.3 多层多道堆积过程  89-95
  3.5 二维约束多重堆积热过程应力变形规律  95-101
    3.5.1 单层堆积修补过程  95-99
    3.5.2 多层堆积修补过程  99-101
  3.6 本章小结  101-102
第4章 GMAW 再制造多重堆积影响因素分析  102-128
  4.1 引言  102
  4.2 堆积长度的影响  102-103
  4.3 多重堆积道间等待时间的影响  103-107
  4.4 多重堆积热过程对熔覆层组织性能的影响  107-112
    4.4.1 熔覆层组织分析  107-110
    4.4.2 力学性能测试  110-112
  4.5 再制造多重堆积路径影响规律  112-126
    4.5.1 一维约束情况  113-121
    4.5.2 二维约束情况  121-126
  4.6 本章小结  126-128
第5章基于模糊综合评价的多重堆积路径优化方法  128-143
  5.1 引言  128
  5.2 关于再制造多重堆积路径优化问题  128-129
  5.3 多重堆积路径模糊综合评价指标分析  129-130
  5.4 堆积路径模糊综合评价原理  130-134
    5.4.1 堆积路径模糊综合评价模型建立  130-132
    5.4.2 模糊变量赋值表的建立  132-133
    5.4.3 模糊综合评价  133-134
  5.5 多重堆积多指标权重集的计算方法  134-139
  5.6 模糊综合评价算法实现与系统界面  139-141
  5.7 本章小结  141-143
第6章再制造多重堆积修复火车钩舌实例验证  143-166
  6.1 引言  143
  6.2 火车钩舌修复质量要求  143-144
  6.3 火车钩舌再制造多重堆积修复分析  144-146
  6.4 火车钩舌再制造修复实验及有限元模型的建立  146-152
    6.4.1 火车钩舌再制造修复实验  147-148
    6.4.2 有限元模型的建立  148-150
    6.4.3 有限元模型的验证  150-152
  6.5 不同指标下堆积路径优化  152-159
    6.5.1 以散热状况为优化目标  152-154
    6.5.2 以残余应力分布为优化目标  154-155
    6.5.3 以翘曲变形量为优化目标  155-158
    6.5.4 以堆积效率为优化目标  158-159
  6.6 基于模糊综合评价的火车钩舌修复路径优化  159-160
  6.7 火车钩舌熔覆层及母材力学性能测试  160-165
    6.7.1 常温压缩剪切性能测试  160-161
    6.7.2 常温结合强度测试  161-162
    6.7.3 低温冲击韧性测试  162-164
    6.7.4 硬度分布测试  164-165
  6.8 本章小结  165-166
结论  166-168
参考文献  168-176
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  176-179
致谢  179-180
个人简历  180

GMAW再制造多重堆积路径对质量影响及优化方法研究

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