摘 要

电弧增材制造技术是一种低成本直接制造金属零件的技术，其中堆焊增材制造是目前正在研究开发的一种可用于小批量、大尺寸、复杂零件制造的技术。具体来说就是通过三维设计软件建立零件的实体模型，过程中以电弧作为热源将焊丝金属熔化，按设定的成形路径逐层堆积得到所需的三维实体零件。

本文首先采用实验的方法进行了GMAW在平板表面连续堆焊直壁墙并得到温度、应力、金相组织等结果，再借助仿真模拟软件SYSWELD和Visual-Environment针对采用GMAW方法在平板表面连续堆焊直壁墙的过程进行了三维数值模拟，得到温度、应力、金相组织等结果。对两种方法得到的结果进行了比较，验证了焊接数值模拟的真实可靠性。另外，由温度、应力、金相组织等结果分析得到堆焊过程中焊接温度场、应力场分布和组织性能的变化规律，这对我们理解电弧增材制造有很大的帮助。

论文主要验证了GMAW在平板表面连续堆焊直壁墙实验和模拟的结果的吻合性，研究了GMAW在平板表面连续堆焊直壁墙的过程及焊接温度场、应力场分布和组织性能的变化规律。

研究结果表明：

1. 本文利用Visual-Environment和SYSWELD软件建立了GMAW在平板上连续堆焊直壁墙的有限元模型，并模拟计算出了焊接实际过程及焊接温度场、应力场分布和组织性能的变化规律。
2. 本文使用了实验和数值模拟的方法分别实现了GMAW在平板上连续堆焊3层直壁墙的过程并得到结果，比较两种方式得到的结果，发现相互吻合，证明了数值模拟的真实可靠性。
3. 在与传统实验方式的对比中，数值模拟技术可以让研究者得到更多模拟过程和结果的数据，可以更加全面地分析所建模型；并且在数值模拟的过程中还可以及时地修改不合适的参数或结构，获得最优化的设计方案；而且这种方式绿色环保、节约资源，在工业制造、设计与研发中有着不可或缺的作用。

关键词：电弧增材制造；焊接数值模拟；SYSWELD；Visual-Environment

Abstract

The additive manufacturing technology by electric arc is one of the most important technologies of direct manufacturing for metal parts with low cost, the additive manufacturing by overlaying is one of the developed technology used for manufacturing large-scale complex parts and small batch production. Specifically, we use the 3-dimensional design software to set up the solid model of parts. The process uses the heat generated by an electric arc to fuse the welding wire, then it is deposited layer by layer along the predetermined forming path, finally we get 3-dimensional solid parts.

This paper firstly does experiments of overlaying deposited wall by GMAW on the plate surface and obtain the thermal, mechanical and metallographic results, then simulates the model of overlaying of the deposited wall of three layers by SYSWELD and Visual-Environment software, and also obtain the thermal, mechanical and metallographic results. Next compares the results obtained by these two different methods and verifies the reliability of numerical simulation technology. And also, from these results we can understand the distribution of welding temperature field and the welding stress field and the change of metallographic structures.

This paper mainly verifies the agreement of experimental and simulated results of overlaying deposited wall by GMAW on plate surface, and research its distribution of welding temperature field and the welding stress field and the change of metallographic structures.

The results show that,

1. this paper simulates the model of overlaying of deposited wall of three layers by SYSWELD and Visual-Environment software, and obtain the distribution of welding temperature field and the welding stress field and the change of metallographic structures.
2. this paper uses these two methods (experiment and numerical simulation) to

verify the agreements of experimental and simulated results of overlaying the deposited wall by GMAW on plate surface.

(3)compared with the traditional experiment method, the numerical simulation method can make us understand more about the modeling. And we can adjust the unreasonable parameters and structures. And also, this method can save more experiment resources. So, it plays an important role in industrial manufacturing, design and development.

Key Words:additive manufacturing by electric arc; numerical simulation; SYSWELD; Visual-Environment

目 录

第1章 绪论 1

1.1 本课题研究的背景与意义 1

1.2 国内外的研究现状概述 2

1.2.1 基于焊接的增材制造 2

1.2.2 焊接过程数值模拟 3

1.3 软件介绍 4

1.3.1 SYSWELD软件介绍 4

1.3.2 Visual-Environment软件介绍 4

1.4 GMAW方法介绍及选用 4

1.4.1 GMAW方法介绍 4

1.4.2 气体保护焊方法介绍 4

1.4.3 GMAW方法的选用 5

第2章 平板表面连续堆焊直壁墙的实验研究 6

2.1 测量焊接温度场实验 6

2.1.1 实验条件 6

2.1.2 实验方法 6

2.1.3 实验结果 7

2.2 测量焊接残余应力实验 8

2.2.1 实验原理 8

2.2.2 实验条件 9

2.2.3 实验方法 9

2.2.4 实验结果 9

2.3 测量焊缝几何尺寸及变形实验 11

2.3.1 实验条件 11

2.3.2 实验方法 11

2.3.3 实验结果 12

2.4 观察焊缝组织实验 13

2.4.1 实验条件 13

2.4.2 实验方法 13

2.4.3 实验结果 14

第3章 平板表面连续堆焊3层直壁墙的模拟与分析 17

3.1 建立模型 17

3.2 焊接温度场分析 17

3.2.1 连续堆焊过程的温度场分布 17

3.2.2 连续堆焊过程中最高温度位置分布 18

3.2.3 温度曲线 19

3.3 残余应力分析 20

3.3.1 横向残余应力 20

3.3.2 纵向残余应力 21

3.3.3 总残余应力 22

3.4 结构变形分析 23

3.5 金相组织分析 24

3.5.1 金相曲线 24

3.5.2 金相云图 27

第4章 模拟结果与实验结果的对照 28

4.1 焊接温度结果 28

4.2 焊接残余应力结果 28

4.3 结构变形结果 30

4.4 金相组织结果 30

4.5 模拟与实验结果对比总结 30

第5章 平板表面连续堆焊20层直壁墙的模拟与分析 31

5.1 建立模型 31

5.2 焊接温度场分析 32

5.2.1 连续堆焊过程的温度场分布 32

5.2.2 连续堆焊过程中最高温度位置分布 33

5.2.3 温度曲线 33

5.3 焊接残余应力分析 34

5.3.1 横向残余应力 35

5.3.2 纵向残余应力 36

3.3.3 总残余应力 37

5.4 结构变形分析 38

5.5 金相组织分析 40

5.5.1 金相曲线 40

5.5.2 金相云图 42

第6章 结论与展望 43

6.1 结论 43

6.2 研究展望 43

参考文献 45

附录A 47

致 谢 62

第1章 绪论

1.1 本课题研究的背景与意义

在实际机械制造过程中，我们往往先采用一般的成形方法将材料制成零件的毛坯，如铸造、焊接、压力加工等；再通过切削加工制成我们所需要的尺寸精确的零件。但是基本的成型加工方法可能很难或者需要十分复杂的工序来制造一些小批量、材料特殊、结构复杂、加工环境特别、成本限制等的特定零件。这时我们需要一种特殊的成型技术——快速成型技术（rapid protyping，RP），也叫“Free Form Fabrication，Layered Manufacturing”。

快速成型技术是以增材制造为思想，综合了机械工程、计算机、激光技术、数控技术及材料科学等多方面技术，以降维制造为手段，实现三维零件的先进制造技术^[1]。随着RP技术日益成熟，它主要使用专用设备和材料来实现功能零件的快速成形，故又称为快速成形技术（rapid forming，RF）。