МОДЕЛЮВАННЯ ВПЛИВУ СКЛАДУ ЗАХИСНОГО ГАЗУ НА ГЕОМЕТРІЮ НАПЛАВЛЕНОГО ШАРУ ПРИ ТЕХНОЛОГІЇ ДУГОВОГО АДИТИВНОГО ВИРОБНИЦТВА З ВИКОРИСТАННЯМ ДРОТУ (WAAM)
DOI:
https://doi.org/10.15588/1607-6885-2026-1-8Ключові слова:
технологія дугового адитивного виробництва з використанням дроту (WAAM), захисний газ, наплавлений шар, геометрія валика, термокапілярна конвекція, зварювальна ванна, математичне моделювання, проплавлення.Анотація
Мета роботи. Розроблення узагальненого теоретичного підходу до опису впливу складу захисного газу на геометрію наплавленого шару при технології WAAM з урахуванням теплофізики дуги, поверхневих явищ та термогідродинаміки зварювальної ванни.
Методи дослідження. Використано методи аналізу й узагальнення наукових публікацій, положення теорії теплопереносу та механіки рідини з вільною поверхнею, фізичне моделювання термокапілярної конвекції, а також метод напівемпіричного математичного опису із введенням інтегральних індексів газового середовища.
Отримані результати. Сформовано причинно-наслідкову схему впливу складу захисного газу на ефективне тепловкладення, поверхневу активність розплаву та геометричні параметри наплавленого шару. Запропоновано термофізичний індекс газу , що характеризує вплив газової суміші на тепловий стан дуги, та індекс газової активності , який відображає вплив активних компонентів на термокапілярну відповідь ванни розплаву. Побудовано структуру напівемпіричної моделі, яка пов’язує склад газу з шириною валика, висотою шару та глибиною проплавлення.
Наукова новизна. Запропоновано інтегрований підхід до опису впливу захисного газу на формування геометрії наплавленого шару при WAAM, у якому газове середовище розглядається як фізично змістовний параметр процесу. Уперше в межах даної постановки введено систему інтегральних індексів та для формалізованого врахування хімічно-поверхневого та термофізичного каналів впливу газової суміші.
Практична цінність. Отримані результати можуть бути використані як теоретична основа для вибору складу захисного газу, прогнозування геометрії наплавленого шару, подальшої калібровки моделі за експериментальними даними та розроблення алгоритмів керування процесом WAAM.
Посилання
Ding, D., Pan, Z., Cuiuri, D., & Li, H. (2015). Wire-feed additive manufacturing of metal components: Technologies, developments and future interests. The International Journal of Advanced Manufacturing Tech-nology, 81, 465–481. https://doi.org/10.1007/s00170-015-7077-3
Jafari, D., Vaneker, T. H. J., & Gibson, I. (2021). Wire and arc additive manufacturing: Opportunities and challenges to control the quality and accuracy of manu-factured parts. Materials & Design, 202, 109471. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109471
Pattanayak, S., & Sahoo, S. K. (2021). Gas metal arc welding based additive manufacturing: A review. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 33, 398–442. https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2021.04.010
Cunningham, C. R., Flynn, J. M., Shokrani, A., Dhokia, V., & Newman, S. T. (2018). Invited review arti-cle: Strategies and processes for high quality wire arc additive manufacturing. Additive Manufacturing, 22, 672–686. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.06.020
Pan, Z., Ding, D., Wu, B., Cuiuri, D., Li, H., & Nor-rish, J. (2018). Arc welding processes for additive manu-facturing: A review. In Transactions on intelligent welding manufacturing (pp. 3–24). Springer. https://doi.org/10.1007/978-981-10-5355-9_1
Teixeira, F. R., Jorge, V. L., Scotti, F. M., Siewert, E., & Scotti, A. (2024). A methodology for shielding-gas selection in wire arc additive manufacturing with stainless steel. Materials, 17(13), 3328. https://doi.org/10.3390/ma17133328
Silwal, B., Nycz, A., Masuo, C. J., Noakes, M. W., Marsh, D., & Vaughan, D. (2020). An experimental inves-tigation of the effectiveness of Ar-CO₂ shielding gas mix-ture for the wire arc additive process. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 108, 1285–1296. https://doi.org/10.1007/s00170-020-05395-7
Roy, S., Silwal, B., Nycz, A., Noakes, M., Cakmak, E., Nandwana, P., & Yamamoto, Y. (2021). Investigating the effect of different shielding gas mixtures on microstructure and mechanical properties of 410 stainless steel fabricated via large scale additive manu-facturing. Additive Manufacturing, 38, 101821. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101821
Jorge, V. L., Teixeira, F. R., Scotti, A., Scotti, F. M., & Siewert, E. (2023). The significance of supplementary shielding in WAAM of aluminium thin walls. Journal of Manufacturing Processes, 106, 520–536. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2023.09.063
Pires, I., Quintino, L., & Miranda, R. M. (2007). Analysis of the influence of shielding gas mixtures on the gas metal arc welding metal transfer modes and fume formation rate. Materials & Design, 28(5), 1623–1631. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2006.02.012
Lu, S., Fujii, H., & Nogi, K. (2004). Marangoni convection and weld shape variations in Ar-O₂ and Ar-CO₂ shielded GTA welding. Materials Science and Engi-neering: A, 380(1–2), 290–297. https://doi.org/10.1016/j.msea.2004.05.057
Bai, X., Colegrove, P., Ding, J., Zhou, X., Diao, C., Bridgeman, P., Hönnige, J., Zhang, H., & Williams, S. (2018). Numerical analysis of heat transfer and fluid flow in multilayer deposition of PAW-based wire and arc addi-tive manufacturing. International Journal of Heat and Mass Transfer, 124, 504–516. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.03.085
Oliveira, J. P., Santos, T. G., & Miranda, R. M. (2020). Revisiting fundamental welding concepts to im-prove additive manufacturing: From theory to practice. Progress in Materials Science, 107, 100590. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2019.100590
Kah, P., & Martikainen, J. (2013). Influence of shielding gases in the welding of metals. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 64, 1411–1421. https://doi.org/10.1007/s00170-012-4111-6
Gurčík, T., Kovanda, K., & Rohan, P. (2019). In-fluence of shielding gas on geometrical quality of WAAM technology. In METAL 2019: 28th International Confer-ence on Metallurgy and Materials, Conference Proceed-ings, 715–721. https://doi.org/10.37904/metal.2019.871
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
Положення про авторські права Creative Commons
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
-
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
-
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
-
Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
