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

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)機械加工所需的時間直接相關(guān),。因此,，通過控制成形質(zhì)量可以進一步縮短周期時間。此外,，更好的成形質(zhì)量可以減少材料浪費,。因此,，樣品的成形質(zhì)量一直是WAAM關(guān)注的焦點。

2023年9月13日,，南京航空航天大學材料科學與技術(shù)學院占小紅教授,、王磊磊副教授團隊與航空工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司合作在《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WAAM成形過程,，并評估熔滴過渡對側(cè)表面成形質(zhì)量的影響機制,。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。當送絲速度為5.5~6.5m/min時,，側(cè)面粗糙度隨著送絲速度的增加而增大,。然而，當送絲速度為7.0m/min時,，側(cè)面的粗糙度突然降低,。研究人員使用液滴轉(zhuǎn)移運動規(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驗與模擬對比：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)移頻率也相應增加,。熔滴直徑隨著送絲速度的增加而減小，且在7.0m/min時出現(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。但當送絲速度達到7.0m/min時,，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)池流動增強。側(cè)面粗糙度隨著送絲速度的增大而相應增大,。然而,，當送絲速度增加到7.0m/min時，雖然熔體和熔滴過渡頻率池的長度進一步增加,，但由于熔滴直徑突然減小,，熔池的波動減小。這種波動的減少導致側(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,，工學博士，教授,、博士生導師,，國家重大人才工程計劃入選者，美國俄亥俄州立大學(OSU)訪問學者,，南航激光焊接與再制造技術(shù)研究所負責人,。獲省部級一等獎一項、二等獎兩項,，入選國家“萬人計劃”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“長空英才”等人才稱號,。擔任國家重點研發(fā)計劃項目會評專家、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,、焊接與先進連接、增材制造與再制造等領(lǐng)域的機理,、工藝,、裝備、建模仿真等相關(guān)研究,，致力于飛行器大尺寸復雜焊接結(jié)構(gòu)組織,、缺陷、應力,、變形精確求解方法與調(diào)控策略,，以及基于多物理場多尺寸定量求解以實現(xiàn)焊接與再制造結(jié)構(gòu)件缺陷診斷、壽命評估和結(jié)構(gòu)工藝優(yōu)化的研究,。主持了我國國產(chǎn)大型客機C919機身焊接結(jié)構(gòu),、某型飛機某大型主承力結(jié)構(gòu)、某型運載火箭貯箱,、XXX飛行器艙段,、XXX飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)等型號產(chǎn)品的研發(fā)。主持承擔國家自然科學基金3項,、國家重點研發(fā)計劃課題兩項,、國防基礎(chǔ)科研重點項目、科工局XXXX項目,、軍委裝備發(fā)展部領(lǐng)域基金重點項目,、173課題等國家級項目（含國家重點項目）10余項，承擔了中航工業(yè),、中國商飛,、航天科技、航天科工等單位重大型號研制項目10余項,；參與承擔國家863,、973等項目多項。主持了國產(chǎn)大型客機C919機身壁板焊接技術(shù)與裝備的研究,，突破了國內(nèi)首臺大型雙激光束雙側(cè)同步焊接裝備,；實現(xiàn)了某型飛機某大型復雜焊接結(jié)構(gòu)件的研制；完成了國內(nèi)首個激光焊接火箭貯箱的研制,；突破了長征系列運載火箭,、XXX型號等多個產(chǎn)品激光焊接工藝設計、焊接應力與變形精準調(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，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,。獲江蘇省科學技術(shù)獎一等獎一項,、江蘇省教學成果獎二等獎兩項、航空工業(yè)科技進步二等獎,、中國電子科技集團科學技術(shù)獎,、南京市自然科學優(yōu)秀學術(shù)論文獎、南京航空航天大學優(yōu)秀教學成果一等獎等,。

王磊磊,，男，湖北十堰人,，副研究員/碩士生導師,，江蘇省雙創(chuàng)博士，中國焊接學會機器人與自動化專業(yè)委員會委員,，中國電工技術(shù)學會電焊技術(shù)專業(yè)委員會委員,。2018年6月博士畢業(yè)于華南理工大學，博士期間曾在美國賓夕法尼亞州立大學聯(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，承擔國家重要飛行器的預研工作,。研究方向：（1）激光焊接與先進連接（2）激光再制造工藝與裝備（3）激光加工過程仿真,。

團隊介紹

“追光者”——南京航空航天大學激光焊接與精準再制造課題組

“追光者”是南京航空航天大學材料科學與技術(shù)學院占小紅教授為負責人的團隊——激光焊接與精準再制造課題組。課題組主要研究方向為激光焊接與先進連接技術(shù),、激光增材制造工藝,、金屬與復合材料/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,、工程機械,、船舶等領(lǐng)域復雜結(jié)構(gòu)件激光焊接工藝開發(fā)、焊接變形精準控制,、焊接工藝優(yōu)化與仿真研究等,。

團隊承擔國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、國家863計劃,、國防973項目,、軍委科技委173課題、軍委裝備發(fā)展部重點項目等科研項目40余項,，航空航天重點型號研制任務10余項,。發(fā)表學術(shù)論文200余篇（其中SCI論文160余篇）,，申請發(fā)明專利100余項,。獲江蘇省科學技術(shù)獎一等獎、江蘇省教學成果獎二等獎兩項,、南京航空航天大型教學成果一等獎,、南京市自然科學優(yōu)秀學術(shù)論文獎、中國電子科技集團公司科學技術(shù)獎,。

目前團隊已有教授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,，專注于航天航空激光連接與制造事業(yè),，是“追光者”團隊永恒不變的主題。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