智能结构在军事、航空航天、汽车和医学等领域得到了广阔应用,使其越来越成为研究热点。智能结构在复合材料零件的设计与制造中已取得了令人瞩目的成果,但由于金属结构制备和传感器埋入等技术尚未解决,金属智能结构的设计与制造一直没有突破性进展。本文采用一种将光纤传感器在熔焊成型过程中埋入金属结构内部的方法来实现智能金属结构的制造。熔焊成型金属零件由全焊缝组成,其致密度高,满足金属零件的强度和性能要求,而且以焊丝作为熔焊成型的材料,成本低。本文针对GTAW熔焊成型技术的特点和光纤智能金属结构的制造要求,对熔焊成型工艺,熔焊热过程进行了研究。实现了熔焊过程的实时控制,并采用电弧钎焊技术,将保护后的FBG传感器在熔焊成型过程中埋入金属结构中,本文完成的主要工作如下:(1)建立了智能金属结构熔焊快速成型系统,该系统能够实时获取焊枪在成型过程中的位置,根据熔焊成型的要求对焊接工艺参数进行自动调整。成型过程中,能够实现焊机的起弧、熄弧以及送丝机的送丝、停丝的自动控制。同时还可以对光纤传感器的进行保护。(2)在分析金属熔焊成型过程的基础上,对影响熔焊成型的因素进行分析,将焊接电流,焊接速度,送丝速度作为可控的影响因素。采用二次回归旋转设计,建立了焊接电流、焊接速度、送丝速度这三个因素与成型零件几何尺寸的关系模型,并分析了这三个参数对零件几何尺寸的影响。对一般的金属结构件进行解构,得到了单道多层、单层多道和倾角三种基本结构,采用实验与建模相结合的方法,找到了相关的控制参数,实现了基本结构的可控成型。(3)采用有限元方法模拟了熔焊成型热过程,得到了熔焊成型中的温度分布情况,分析了采用不同的成型轨迹对温度场分布的影响。对得到的金属结构进行金相分析,得到了在金属结构不同位置的金相组织。发现在熔焊金属结构表面组织为快冷的针状马氏体、贝氏体混合组织,而在金属结构内部为类似于正火组织的等轴晶组织,也是因为该原因,在金属结构表面的硬度要高于金属结构内部的硬度。通过拉伸试验可知,采用熔焊成型方法制备的金属结构力学性能达到或者超过焊丝熔敷金属的力学性能,并且在沿焊缝方向可以承受更大的载荷。(4)研究了焊接电压与焊接电流、电弧长度之间的关系,得出了在焊接电压、焊接电流和电弧长度三者之间的函数关系。设计了基于焊接电压反馈的熔焊快速成型尺寸模糊控制系统。该系统通过采集焊接电压来间接测量焊缝高度,并以此焊接电压作为反馈量,通过模糊控制器来实时调整焊接参数以达到控制焊缝尺寸的目的。试验结果表明,该系统能够实时调整焊接参数并对焊缝尺寸进行控制。明显提高成型精度。(5)提出了一种分段成型-铣削的金属成型技术,将热加工与冷加工结合起来,克服了熔焊直接成型零件尺寸精度不高,表面粗糙度大的缺点,与传统的去除成型技术相比又具有较少的加工余量,使用该方法进行了多种金属零件的制备。获得了较满意的结果。(6)采用实验和模拟的方法分析了光纤传感器在埋入金属结构过程中的受热与受力情况,确定埋入位置应与熔池距离为5mm。将电镀后的光纤传感器采用感应钎焊的方法封装入一金属块中达到保护的目的,将该金属块在熔焊成型中埋入金属结构,得到了能够感知外部温度变化的金属结构。