铝合金电弧3D打印的孔隙研究

供稿人 张海天、鲁中良 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室


电弧3D打印（WAAM）属于近乎净成形的加工技术，被归类为直接能量沉积(DED)工艺之一。该工艺的沉积速率较高，因此主要用于成本效益较高的大型零部件的生产。然而，由于缺乏对工艺的了解，该工艺在铝合金中的应用并不广泛。将铝材进行电弧3D打印时，最大挑战是会出现诸如裂纹、表面氧化和孔隙率较高等异常现象。

德国慕尼黑工业大学对的托拜厄斯团队研究了AW4043/AlSi5(wt%)电弧3D打印中出现的孔隙，并开发了后处理监测方法来监测并降低铝材电弧3D打印后的孔隙率。采用摄像机成像和计算机视觉方法监测零件内的孔隙率，运用微观结构分析和计算流体动力学模拟的方法来得出结论。

可以得出以下结论：

1.电弧3D打印的成品中发现了因工艺产生的气孔，它们很可能是由保护气体与周围空气混合造成的，因为在这些区域的孔隙中氧化铝的含量明显较高。

2.保护气体流量过大，速度过快和动态气体压力过高会导致孔隙增多，推测是紊流混合增加所导致的。

3.铝件气孔数量与保护气体流速有关，因为气体流速越高，熔池的对流冷却越快，凝固速度越快，会阻止气体夹杂物的逸出。而每一沉积层表面的空洞数量与电弧3D打印制造的铝零件中气孔的相对数量成反比。表面较多的空腔与较低数量的气孔有关，因为空腔是从熔体池中逸出的气体夹杂物带来的。随着孔洞覆盖面积的增加，CMT模式下孔洞相对数量呈线性减少，而CMT+P模式下孔洞相对数量呈非线性减少。

4.对于铝合金电弧3D打印，孔洞覆盖面积百分比监测方法是监测零件孔隙形成的一种合适的方法。可以在此基础上建立现场监测的闭环控制系统，以保证成品质量。
参考文献：

    DT,DR,DP,etal.铝合金线材电弧增材制造中的孔隙率[J]. 增材制造，2021。