通過(guò)光束振蕩實(shí)現(xiàn)鋁合金激光-電弧混合增材制造的沉積穩(wěn)定性和成形特性!

來(lái)源：焊接科學(xué)

2024年8月15日,，西南交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在《International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology》期刊發(fā)表最新研究文章“Deposition Stability and Forming Characteristics in Laser-Arc Hybrid Additive Manufacturing of Aluminum Alloy Through Beam Oscillation”，研究了通過(guò)光束振蕩實(shí)現(xiàn)鋁合金激光-電弧混合增材制造（LAHAM）的沉積穩(wěn)定性和成形特性,。

該研究旨在解決鋁合金電弧增材制造（WAAM）中存在的沉積穩(wěn)定性差和成形精度低的問(wèn)題,。通過(guò)采用不同光束振蕩頻率（0-500 Hz）的激光-電弧混合增材制造技術(shù),，發(fā)現(xiàn)頻率為300 Hz的LAHAM能優(yōu)化WAAM中的液滴轉(zhuǎn)移模式,，將液滴從排斥模式轉(zhuǎn)變?yōu)閲娚淠Ｊ�,，并將轉(zhuǎn)移時(shí)間從5.2 ms減少至3.9 ms。此外,，該技術(shù)不僅將沉積薄壁的孔隙率從0.36%減少到小于0.01%,，還使平均晶粒尺寸減少了20%。這些改進(jìn)提高了成形精度37%,，減少了顯微硬度波動(dòng)61%,，并增加了伸長(zhǎng)率54%。

實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)中使用的填充材料是直徑為1.6 mm的ER4047鋁合金焊絲,，主要成分為鋁和硅,，該合金以其良好的流動(dòng)性、低熱膨脹系數(shù)以及較高的抗腐蝕和抗熱裂性而被廣泛應(yīng)用,�,；�材為厚��10 mm的6082鋁合金板，尺寸為450×150 mm²,，選用該基材的原因在于其與填充材料的成分相近,。

在沉積前，基材表面首先進(jìn)行磨削和清潔,，以去除氧化膜和雜質(zhì),，隨后用酒精進(jìn)行二次清潔。保護(hù)氣體為純氬氣,，流量控制在30-40 L/min之間,。實(shí)驗(yàn)裝置包括一臺(tái)最大輸出功率為10 kW的Trumpf Laser TruDisk 10002激光器、Fronius Transpuls Synergic 4000電弧焊機(jī),、ABB IRB2600六軸機(jī)器人及IPG D50振蕩掃描頭,。光束振蕩由振蕩頭控制，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)掃描器進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng),。激光波長(zhǎng)為1030 nm,，焦點(diǎn)直徑約為533 μm。

在激光-電弧混合增材制造中,，電弧焊機(jī)處于脈沖模式,，電弧電流為121 A，電弧電壓為17 V,，沉積速度為0.6 m/min,。填充焊絲的送絲速度為4.0 m/min，振蕩模式為逆時(shí)針圓形振蕩,，振蕩頻率從0到500 Hz不等,。為了避免局部熱積累對(duì)成形質(zhì)量的影響,，每層沉積完成后，等待上一層冷卻至室溫后再繼續(xù)沉積,。高頻激光振蕩的引入使得沉積過(guò)程中的液滴轉(zhuǎn)移行為得到優(yōu)化,，有效降低了液滴對(duì)熔池的沖擊，并形成了高速旋轉(zhuǎn)的渦流,，以捕獲液滴,。

高精度相機(jī)用于記錄沉積過(guò)程中的液滴轉(zhuǎn)移和熔池動(dòng)態(tài)，攝像速率為3600 fps,，分辨率為1024×1024像素,。沉積完成后，使用數(shù)字相機(jī)記錄沉積薄壁的宏觀形貌,，顯微結(jié)構(gòu)的樣品則通過(guò)電線切割機(jī)加工制備,。樣品隨后進(jìn)行水磨和機(jī)械拋光，并使用Keller試劑進(jìn)行顯微觀察,。通過(guò)光學(xué)顯微鏡（OM）,、掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS）分析微觀結(jié)構(gòu)及材料的成分分布。

圖1. WAAM和OLAHAM的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖,。

圖2. 高速攝像機(jī)觀察過(guò)程中捕獲的圖像及示意圖,。

圖3. 不同工藝條件下沉積薄壁的機(jī)械性能測(cè)試示意圖。

圖4. WAAM,、LAHAM及不同頻率OLAHAM沉積薄壁的宏觀形貌圖,。

圖5. X射線NDT檢測(cè)結(jié)果圖。

圖6. 不同工藝條件下沉積薄壁的橫截面形貌圖,。

圖7. WAAM沉積過(guò)程中的高頻視頻幀圖像,。

圖8. LAHAM沉積過(guò)程中的高頻視頻幀圖像。

圖9. 300 Hz OLAHAM沉積過(guò)程中的高頻視頻幀圖像,。

圖10. OLAHAM典型沉積微觀結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡（OM）圖像,。

圖11. 不同工藝條件下的光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)圖像對(duì)比,。

圖12. 不同工藝條件下的SEM和EDS分析結(jié)果,。

論文總結(jié)
研究結(jié)果表明，通過(guò)引入光束振蕩的OLAHAM工藝有效提高了鋁合金增材制造的沉積穩(wěn)定性和成形精度,。特別是在振蕩頻率為300 Hz時(shí),，液滴轉(zhuǎn)移時(shí)間減少了25%，從而顯著改善了材料的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能,。實(shí)驗(yàn)表明,，光束振蕩能夠優(yōu)化液滴從排斥模式轉(zhuǎn)變?yōu)閲娚淠Ｊ剑�并形成一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的渦流,，減小液滴沖擊對(duì)熔池的干擾,，進(jìn)一步提升沉積穩(wěn)定性,。此外，該工藝還能減少沉積材料的孔隙率,，并改善晶粒結(jié)構(gòu)的均勻性,，使平均晶粒尺寸減少了20%。這使得沉積薄壁的顯微硬度波動(dòng)降低了61%,，伸長(zhǎng)率提高了54%,，同時(shí)加工余量也大幅減少，成形精度提高了37%,。

該研究的未來(lái)工作將集中于進(jìn)一步優(yōu)化材料成分,，特別是通過(guò)同步送絲送粉技術(shù)，以提高增材制造構(gòu)件的綜合性能,。研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì),，這一技術(shù)的應(yīng)用將為大尺寸鋁合金構(gòu)件的高效、高質(zhì)量增材制造提供技術(shù)支持,，特別是在航空航天,、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

論文地址
https://doi.org/10.1007/s40684-024-00659-z