文 献 综 述
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- 课题背景及意义
氮作为合金元素使用始于1938年,由于在常压下炼钢氮气分压较低,钢中氮的浓度很低,其作用不明显,不足以引起冶金和材料学家的重视。随着氮加压冶金技术的发展,氮作为强间隙原子加入钢中,其廉价又便于获得,所以氮在钢中所发挥的作用引起了国内外广泛的重视。高氮钢的研究及开发应用近些年来发展很快，在国际上也很受重视。目前是国际上研究最热门的材料之一。在金属增材制造领域，以电弧作为热源的金属零件增材制造技术具有设备简单、材料利用率高、生产效率高等优点。同时，由福尼斯公司 2002 年研制的冷金属过渡技术（CMT）实现了送丝过程与焊接过程的统一，具有焊接热输入低、变形小、焊接速度快、电弧稳定、飞溅小和焊缝质量重复精度高等优点。故而CMT技术特别适用于增材制造，以便控制热输入以及成形。本实验利用高氮钢进行增材实验，同时结合CMT技术，采用蓝光光栅扫描技术进行形貌检测，利用光学系统实现对三维实物表面上的点进行连续和快速测量。胡建文、韩庆璘等人用传统回归模型或人工神经网络模型建立工艺参数与形貌之间的关系，但是对于表面质量评价却没有给出具体标准。由于电弧增材焊道表面存在大量的凸起、凹坑和沟槽等缺陷，因此对增材表面质量进行合理评价非常有必要。固希望采用最小二乘法、高斯滤波和基于双树复小波变换的滤波方法等恰当方法对表面进行粗糙度提取，建立一个表面质量评价体系，以便增材过程成形精度控制。
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- 高氮钢焊接/增材成形问题
高氮钢是近年来随着冶金科技的进步出现的一种新型工程材料。从广义上讲所谓“高氮钢”是指材料中的实际氮含量超过了在常压下（0.1MPa）制备材料所能达到的极限值的钢。一般认为根据氮在奥氏体不锈钢中的含量,可将含氮奥氏体不锈钢分为控氮型(氮含量0.05%-0.10%)、中氮型(氮含量0.10%-0.40%)和高氮型(氮含量在0.40%以上),而铁素体、马氏体不锈钢中的氮含量大于0.08%时,便可被称为高氮钢。
从1988年开始召开第一届高氮钢国际会议,到现今已经举行了多届,高氮钢国际会议的连续召开极大地推动了世界高氮钢的发展。先后有德国、奥地利、日本、瑞士、美国、保加利亚、前苏联、法国、瑞典、意大利、印度等国开展了研究。我国已开展低含N 量加入对不锈钢等的组织和性能改善的研究，并取得了一些研究成果。但在高氮含量的不锈钢方面研究并不充分。冶金和金属材料研究人员发现氮能扩大铁基合金奥氏体相区，降低合金奥氏体向铁素体转变的温度，提高奥氏体的稳定性。提高氮的含量还能明显改善奥氏体不锈钢的耐蚀性和热加工等性能。由于氮和碳在钢中的过饱和固溶，将促进弥散细小的碳、氮化物析出，改善钢的强、韧性配合。目前,氮作为合金元素在许多钢中有应用,如不锈钢、高速工具钢、模具钢和结构钢等。然而,高氮钢目前的主要研究热点是高氮不锈钢,尤其是高氮奥氏体不锈钢。氮作为钢中的间隙原子,通过与其它合金元素（Mn、Cr、Mo、V、Nb和Ti等）的协同作用,能改善钢的多种性能,包括高强度、高韧性、高的蠕变抗力、高的耐磨性、良好的耐腐蚀性能。
在文献[6]中可以发现，高氮钢增材也问题比较严重，缺陷较多，如气孔和凹坑较多、焊道铺展不开、未完全融合、轻微蛇形焊道、形成褶皱等，虽然问题很多，但是由于焊接过程的动态性以及复杂性，要想完全建立一个准确模型或体系来进行表面质量评价是比较开困难的，同时，进行形貌检测和建立一个表面质量评价体系是很有必要的。
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- 电弧增材制造成形研究现状
增材制造技术是基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动，采用材料逐层累加的方法制造实体零件的快速成形技术。该成形方法是将产品数字化设计、制造、分析高度一体化，不仅能够显著缩短研发周期和研发成本，而且越是结构复杂、原材料附加值高的产品，其快速高效成形的优势越显著。
现阶段已经使用的金属结构增材制造技术有很多，例如选择性激光烧结、电子束熔化、形状沉积制造以及电弧增材制造技术等。根据用于金属沉积的能量源不同，送丝增材制造技术主要分为激光、电弧焊和电子束三种。其中，基于电弧焊的增材制造技术具有降低成本和较高沉积速率的优点。
电弧增材制造技术原理，电弧增材制造技术是采用逐层堆焊的方式制造致密金属实体构件，因以电弧为载能束，热输入高，成形速度快，适用于大尺寸复杂构件低成本、高效快速近净成形。面对特殊金属结构制造成本及可靠性要求，其结构件逐渐向大型化、整体化、智能化发展，因而该技术在大尺寸结构件成形上具有其他增材技术不可比拟的效率与成本优势。电弧增材制造3D打印技术是将焊接方法与计算机辅助设计结合起来的一种加工技术，即用计算机提供的三维数据来控制焊接设备，然后通过分层扫描和堆焊的方法来制造金属元件。
在增材制造领域，以电弧作为热源的金属零件增材制造技术具有设备简单、材料利用率高、生产效率高等优点。电弧增材制造技术采用电弧作为热源将金属丝材熔化，按设定成形路径在基板上堆积层片，层层堆敷直至金属零件成形。成形零件由全焊缝金属组成，致密度高、冶金结合性能好、化学成分均匀、力学性能好。因此，电弧增材技术是低成本金属零件直接制造的重要研究方向。但是，电弧增材制造过程是以高温液态金属熔滴过渡的方式进行的。随堆积层数的增加，堆积零件热积累严重、散热条件差、熔池过热、难于凝固、堆积层形状难于控制。特别在零件边缘堆积时，由于液态熔池的存在，使得零件的边缘形态与成形尺寸的控制变得更加困难。这些问题都直接影响零件的冶金结合强度、堆积尺寸精度和表面质量。由此可见，成形形貌的控制是金属零件增材制造技术的主要瓶颈。
增材制造过程是一个不稳定过程，伴随着工艺参数波动、材料冶金行为、热力耦合作用等现象，如果不加以控制，成形尺寸将偏离设定值，成形件精度以及成形过程可持续性难以得到保障。一些增材制造系统采用熔敷与铣削相结合的方式：在每层熔敷之后进行铣削，以保证成形精度要求。该方法虽然结合了增材制造与切削加工的优点，但是成形零件的结构也受到了铣削工艺的限制。因此，通过控制增材制造的过程来保证成形精度，是增材制造成形控制研究的主要方向。
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