通過光束振蕩實現(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!

來源：焊接科學

2024年8月15日，西南交通大學的研究團隊在《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”，研究了通過光束振蕩實現(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題。通過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%。這些改進提高了成形精度37%，減少了顯微硬度波動61%，并增加了伸長率54%。

實驗方法
實驗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?；臑楹穸?0 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，基材表面首先進行磨削和清潔，以去除氧化膜和雜質(zhì)，隨后用酒精進行二次清潔。保護氣體為純氬氣，流量控制在30-40 L/min之間。實驗裝置包括一臺最大輸出功率為10 kW的Trumpf Laser TruDisk 10002激光器、Fronius Transpuls Synergic 4000電弧焊機、ABB IRB2600六軸機器人及IPG D50振蕩掃描頭。光束振蕩由振蕩頭控制，機器人驅(qū)動掃描器進行直線運動。激光波長為1030 nm，焦點直徑約為533 μm。

在激光-電弧混合增材制造中，電弧焊機處于脈沖模式，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程中的液滴轉(zhuǎn)移行為得到優(yōu)化，有效降低了液滴對熔池的沖擊，并形成了高速旋轉(zhuǎn)的渦流，以捕獲液滴。

高精度相機用于記錄沉積過程中的液滴轉(zhuǎn)移和熔池動態(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)字相機記錄沉積薄壁的宏觀形貌，顯微結(jié)構(gòu)的樣品則通過電線切割機加工制備。樣品隨后進行水磨和機械拋光，并使用Keller試劑進行顯微觀察。通過光學顯微鏡（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的實驗裝置示意圖。

圖2. 高速攝像機觀察過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械性能測試示意圖。

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沉積過程中的高頻視頻幀圖像。

圖8. LAHAM沉積過程中的高頻視頻幀圖像。

圖9. 300 Hz OLAHAM沉積過程中的高頻視頻幀圖像。

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

圖11. 不同工藝條件下的光學顯微結(jié)構(gòu)圖像對比。

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，液滴轉(zhuǎn)移時間減少了25%，從而顯著改善了材料的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能。實驗表明，光束振蕩能夠優(yōu)化液滴從排斥模式轉(zhuǎn)變?yōu)閲娚淠Ｊ?，并形成一個高速旋轉(zhuǎn)的渦流，減小液滴沖擊對熔池的干擾，進一步提升沉積穩(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降低了61%，伸長率提高了54%，同時加工余量也大幅減少，成形精度提高了37%。

該研究的未來工作將集中于進一步優(yōu)化材料成分，特別是通過同步送絲送粉技術(shù)，以提高增材制造構(gòu)件的綜合性能。研究團隊預(yù)計，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