南京航空航天大學(xué)：2319鋁合金電弧增材制造熔滴過渡與成形質(zhì)量的關(guān)系,！

來源：焊接科學(xué)

電弧增材制造(WAAM)因其高沉積速率而受到廣泛研究,。然而,，與其他增材制造技術(shù)相比,，WAAM樣品的成形質(zhì)量較差,。樣品成形質(zhì)量與后續(xù)機(jī)械加工所需的時(shí)間直接相關(guān)。因此,，通過控制成形質(zhì)量可以進(jìn)一步縮短周期時(shí)間,。此外，更好的成形質(zhì)量可以減少材料浪費(fèi),。因此,，樣品的成形質(zhì)量一直是WAAM關(guān)注的焦點(diǎn)。

2023年9月13日,，南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院占小紅教授,、王磊磊副教授團(tuán)隊(duì)與航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司合作在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》期刊發(fā)表最新研究成果，高速相機(jī)拍攝WAAM的液滴轉(zhuǎn)移過程,。占小紅教授和王磊磊副教授為共同通訊作者,，碩士生竇志威為第一作者。

該研究從熔滴過渡的角度解釋W(xué)AAM成形過程，并評(píng)估熔滴過渡對(duì)側(cè)表面成形質(zhì)量的影響機(jī)制,。使用高速攝影來提取熔池尺寸和熔滴轉(zhuǎn)移頻率,。該研究還探討了這些因素隨送絲速度和層數(shù)的變化�,；�于高速攝影結(jié)果建立二維液滴傳遞模型來研究液滴傳遞過程,。接下來,，構(gòu)建3D樣品模型以獲得沉積樣品的粗糙度,。最后，通過擬合平面研究了成形質(zhì)量與熔滴過渡過程之間的關(guān)系,。得到送絲速度,、熔池長度/熔滴轉(zhuǎn)移頻率和粗糙度的關(guān)系模型。當(dāng)送絲速度為5.5~6.5m/min時(shí),，側(cè)面粗糙度隨著送絲速度的增加而增大,。然而，當(dāng)送絲速度為7.0m/min時(shí),，側(cè)面的粗糙度突然降低,。研究人員使用液滴轉(zhuǎn)移運(yùn)動(dòng)規(guī)則來解釋成形質(zhì)量的這種變化。

圖1. WAAM中液滴傳遞過程的實(shí)驗(yàn)與模擬對(duì)比：a, f t=25 ms,；b,g t=43毫秒,；c,h t=44毫秒；d,I t=54毫秒,；e, j t=74 毫秒,。

圖2. 不同工藝參數(shù)下的電流/電壓波形：a-b WFS=5.5 m/min；c-d WFS=5.5 m/min,；e–f WFS=5.5 m/min,；g–h WFS=5.5 m/min

圖3. 不同工藝參數(shù)下的液滴直徑和池長：a WFS=5.5 m/min；b WFS=6.0m/min,；c WFS=6.5 m/min,；d WFS=7.0 m/min

關(guān)鍵結(jié)論
該研究采用高速相機(jī)觀察2319鋁合金樣品在WAAM中的液滴轉(zhuǎn)移過程。通過三維掃描儀掃描并重建樣品的表面形貌,。計(jì)算側(cè)面的粗糙度,。根據(jù)研究結(jié)果，關(guān)于熔滴過渡過程與成形質(zhì)量之間的關(guān)系,，可以得出以下結(jié)論：

（1）隨著送絲速度的增加,，熔池長度和熔滴轉(zhuǎn)移頻率也相應(yīng)增加。熔滴直徑隨著送絲速度的增加而減小,，且在7.0m/min時(shí)出現(xiàn)明顯的階梯式減�,。�

（2）使用3D掃描儀獲得WAAM樣品的表面形貌，并提取側(cè)面形貌以計(jì)算側(cè)面的粗糙度,。在5.5~6.5m/min范圍內(nèi),，側(cè)面粗糙度隨著送絲速度的增大而增大。但當(dāng)送絲速度達(dá)到7.0m/min時(shí),，側(cè)面粗糙度突然下降,；

（3）隨著送絲速度的增加，熔池長度和熔滴過渡頻率逐漸增加,，熔滴直徑減小,，因此側(cè)池流動(dòng)增強(qiáng)。側(cè)面粗糙度隨著送絲速度的增大而相應(yīng)增大,。然而,，當(dāng)送絲速度增加到7.0m/min時(shí)，雖然熔體和熔滴過渡頻率池的長度進(jìn)一步增加,，但由于熔滴直徑突然減小,，熔池的波動(dòng)減小。這種波動(dòng)的減少導(dǎo)致側(cè)表面粗糙度的降低和成形質(zhì)量的提高,。

通訊作者
占小紅,，工學(xué)博士，教授,、博士生導(dǎo)師,，國家重大人才工程計(jì)劃入選者，美國俄亥俄州立大學(xué)(OSU)訪問學(xué)者,，南航激光焊接與再制造技術(shù)研究所負(fù)責(zé)人,。獲省部級(jí)一等獎(jiǎng)一項(xiàng)、二等獎(jiǎng)兩項(xiàng),，入選國家“萬人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才,、江蘇省“六大人才高峰”高層次人才、省“333人才”,、南京航空航天大學(xué)“長空英才”等人才稱號(hào),。擔(dān)任國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目會(huì)評(píng)專家、國家民航局“十四五”規(guī)劃專家組專家等,。主要從事激光加工,、焊接與先進(jìn)連接、增材制造與再制造等領(lǐng)域的機(jī)理,、工藝,、裝備、建模仿真等相關(guān)研究,，致力于飛行器大尺寸復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)組織,、缺陷,、應(yīng)力、變形精確求解方法與調(diào)控策略,，以及基于多物理場(chǎng)多尺寸定量求解以實(shí)現(xiàn)焊接與再制造結(jié)構(gòu)件缺陷診斷,、壽命評(píng)估和結(jié)構(gòu)工藝優(yōu)化的研究。主持了我國國產(chǎn)大型客機(jī)C919機(jī)身焊接結(jié)構(gòu),、某型飛機(jī)某大型主承力結(jié)構(gòu),、某型運(yùn)載火箭貯箱、XXX飛行器艙段,、XXX飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)等型號(hào)產(chǎn)品的研發(fā),。主持承擔(dān)國家自然科學(xué)基金3項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題兩項(xiàng),、國防基礎(chǔ)科研重點(diǎn)項(xiàng)目,、科工局XXXX項(xiàng)目、軍委裝備發(fā)展部領(lǐng)域基金重點(diǎn)項(xiàng)目,、173課題等國家級(jí)項(xiàng)目（含國家重點(diǎn)項(xiàng)目）10余項(xiàng)，承擔(dān)了中航工業(yè),、中國商飛,、航天科技、航天科工等單位重大型號(hào)研制項(xiàng)目10余項(xiàng),；參與承擔(dān)國家863,、973等項(xiàng)目多項(xiàng)。主持了國產(chǎn)大型客機(jī)C919機(jī)身壁板焊接技術(shù)與裝備的研究,，突破了國內(nèi)首臺(tái)大型雙激光束雙側(cè)同步焊接裝備,；實(shí)現(xiàn)了某型飛機(jī)某大型復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)件的研制；完成了國內(nèi)首個(gè)激光焊接火箭貯箱的研制,；突破了長征系列運(yùn)載火箭,、XXX型號(hào)等多個(gè)產(chǎn)品激光焊接工藝設(shè)計(jì)、焊接應(yīng)力與變形精準(zhǔn)調(diào)控難題,。在Journal of Materials Science & Technology,、Journal of Materials Processing Technology、Materials Science and Engineering A,、Materials & Design,、Journal of Manufacturing Processes、Journal of Alloys and Compounds,、Science and Technology of Welding and Joining,、Optics and laser technology等雜志發(fā)表SCI論文200余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利60余項(xiàng),，出版《航空航天高性能鋁合金雙激光束雙側(cè)同步焊接技術(shù)》專著1部,。獲江蘇省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)一項(xiàng),、江蘇省教學(xué)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)兩項(xiàng)、航空工業(yè)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng),、中國電子科技集團(tuán)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng),、南京市自然科學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文獎(jiǎng)、南京航空航天大學(xué)優(yōu)秀教學(xué)成果一等獎(jiǎng)等,。

王磊磊,，男，湖北十堰人,，副研究員/碩士生導(dǎo)師,，江蘇省雙創(chuàng)博士，中國焊接學(xué)會(huì)機(jī)器人與自動(dòng)化專業(yè)委員會(huì)委員,，中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電焊技術(shù)專業(yè)委員會(huì)委員,。2018年6月博士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，博士期間曾在美國賓夕法尼亞州立大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)1年,，在新加坡制造技術(shù)研究院從事博士后研究1年,。主要從事激光焊接與再制造等研究，承擔(dān)國家重要飛行器的預(yù)研工作,。研究方向：（1）激光焊接與先進(jìn)連接（2）激光再制造工藝與裝備（3）激光加工過程仿真,。

團(tuán)隊(duì)介紹

“追光者”——南京航空航天大學(xué)激光焊接與精準(zhǔn)再制造課題組

“追光者”是南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院占小紅教授為負(fù)責(zé)人的團(tuán)隊(duì)——激光焊接與精準(zhǔn)再制造課題組。課題組主要研究方向?yàn)榧す夂附优c先進(jìn)連接技術(shù),、激光增材制造工藝,、金屬與復(fù)合材料/陶瓷的連接、材料加工工藝建模與仿真等,，長期從事航空,、航天、軌道交通,、工程機(jī)械,、船舶等領(lǐng)域復(fù)雜結(jié)構(gòu)件激光焊接工藝開發(fā)、焊接變形精準(zhǔn)控制,、焊接工藝優(yōu)化與仿真研究等,。

團(tuán)隊(duì)承擔(dān)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金,、國家863計(jì)劃,、國防973項(xiàng)目、軍委科技委173課題,、軍委裝備發(fā)展部重點(diǎn)項(xiàng)目等科研項(xiàng)目40余項(xiàng),，航空航天重點(diǎn)型號(hào)研制任務(wù)10余項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇（其中SCI論文160余篇）,，申請(qǐng)發(fā)明專利100余項(xiàng),。獲江蘇省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng),、江蘇省教學(xué)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)兩項(xiàng)、南京航空航天大型教學(xué)成果一等獎(jiǎng),、南京市自然科學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文獎(jiǎng),、中國電子科技集團(tuán)公司科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。

目前團(tuán)隊(duì)已有教授1人,，副教授2人,，講師1人，博士研究生8人,、碩士研究生40人,。身處“國防七子”之一的南京航空航天大學(xué)，專注于航天航空激光連接與制造事業(yè),，是“追光者”團(tuán)隊(duì)永恒不變的主題,。打造軍工品質(zhì)，培養(yǎng)卓越人才,，我們的征途是星辰大海,！

論文引用

Dou, Z., Lyu, F., Wang, L. et al. Relationship between droplet transfer and forming quality in wire arc additive manufacturing of 2319 aluminum alloy. Int J Adv Manuf Technol (2023). https://doi.org/10.1007/s00170-023-11879-z