南京航空航天大学：2319铝合金电弧增材制造熔滴过渡与成形质量的关系！

来源：焊接科学

电弧增材制造(WAAM)因其高沉积速率而受到广泛研究。然而，与其他增材制造技术相比，WAAM样品的成形质量较差。样品成形质量与后续机械加工所需的时间直接相关。因此，通过控制成形质量可以进一步缩短周期时间。此外，更好的成形质量可以减少材料浪费。因此，样品的成形质量一直是WAAM关注的焦点。

2023年9月13日，南京航空航天大学材料科学与技术学院占小红教授、王磊磊副教授团队与航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司合作在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》期刊发表最新研究成果，高速相机拍摄WAAM的液滴转移过程。占小红教授和王磊磊副教授为共同通讯作者，硕士生窦志威为第一作者。

该研究从熔滴过渡的角度解释WAAM成形过程，并评估熔滴过渡对侧表面成形质量的影响机制。使用高速摄影来提取熔池尺寸和熔滴转移频率。该研究还探讨了这些因素随送丝速度和层数的变化。基于高速摄影结果建立二维液滴传递模型来研究液滴传递过程。接下来，构建3D样品模型以获得沉积样品的粗糙度。最后，通过拟合平面研究了成形质量与熔滴过渡过程之间的关系。得到送丝速度、熔池长度/熔滴转移频率和粗糙度的关系模型。当送丝速度为5.5~6.5m/min时，侧面粗糙度随着送丝速度的增加而增大。然而，当送丝速度为7.0m/min时，侧面的粗糙度突然降低。研究人员使用液滴转移运动规则来解释成形质量的这种变化。

图1. WAAM中液滴传递过程的实验与模拟对比：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。

图2. 不同工艺参数下的电流/电压波形：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

图3. 不同工艺参数下的液滴直径和池长：a WFS=5.5 m/min；b WFS=6.0m/min；c WFS=6.5 m/min；d WFS=7.0 m/min

关键结论
该研究采用高速相机观察2319铝合金样品在WAAM中的液滴转移过程。通过三维扫描仪扫描并重建样品的表面形貌。计算侧面的粗糙度。根据研究结果，关于熔滴过渡过程与成形质量之间的关系，可以得出以下结论：

（1）随着送丝速度的增加，熔池长度和熔滴转移频率也相应增加。熔滴直径随着送丝速度的增加而减小，且在7.0m/min时出现明显的阶梯式减小；

（2）使用3D扫描仪获得WAAM样品的表面形貌，并提取侧面形貌以计算侧面的粗糙度。在5.5~6.5m/min范围内，侧面粗糙度随着送丝速度的增大而增大。但当送丝速度达到7.0m/min时，侧面粗糙度突然下降；

（3）随着送丝速度的增加，熔池长度和熔滴过渡频率逐渐增加，熔滴直径减小，因此侧池流动增强。侧面粗糙度随着送丝速度的增大而相应增大。然而，当送丝速度增加到7.0m/min时，虽然熔体和熔滴过渡频率池的长度进一步增加，但由于熔滴直径突然减小，熔池的波动减小。这种波动的减少导致侧表面粗糙度的降低和成形质量的提高。

通讯作者
占小红，工学博士，教授、博士生导师，国家重大人才工程计划入选者，美国俄亥俄州立大学(OSU)访问学者，南航激光焊接与再制造技术研究所负责人。获省部级一等奖一项、二等奖两项，入选国家“万人计划”科技创新领军人才、江苏省“六大人才高峰”高层次人才、省“333人才”、南京航空航天大学“长空英才”等人才称号。担任国家重点研发计划项目会评专家、国家民航局“十四五”规划专家组专家等。主要从事激光加工、焊接与先进连接、增材制造与再制造等领域的机理、工艺、装备、建模仿真等相关研究，致力于飞行器大尺寸复杂焊接结构组织、缺陷、应力、变形精确求解方法与调控策略，以及基于多物理场多尺寸定量求解以实现焊接与再制造结构件缺陷诊断、寿命评估和结构工艺优化的研究。主持了我国国产大型客机C919机身焊接结构、某型飞机某大型主承力结构、某型运载火箭贮箱、XXX飞行器舱段、XXX飞行器关键结构等型号产品的研发。主持承担国家自然科学基金3项、国家重点研发计划课题两项、国防基础科研重点项目、科工局XXXX项目、军委装备发展部领域基金重点项目、173课题等国家级项目（含国家重点项目）10余项，承担了中航工业、中国商飞、航天科技、航天科工等单位重大型号研制项目10余项；参与承担国家863、973等项目多项。主持了国产大型客机C919机身壁板焊接技术与装备的研究，突破了国内首台大型双激光束双侧同步焊接装备；实现了某型飞机某大型复杂焊接结构件的研制；完成了国内首个激光焊接火箭贮箱的研制；突破了长征系列运载火箭、XXX型号等多个产品激光焊接工艺设计、焊接应力与变形精准调控难题。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等杂志发表SCI论文200余篇，获授权发明专利60余项，出版《航空航天高性能铝合金双激光束双侧同步焊接技术》专著1部。获江苏省科学技术奖一等奖一项、江苏省教学成果奖二等奖两项、航空工业科技进步二等奖、中国电子科技集团科学技术奖、南京市自然科学优秀学术论文奖、南京航空航天大学优秀教学成果一等奖等。

王磊磊，男，湖北十堰人，副研究员/硕士生导师，江苏省双创博士，中国焊接学会机器人与自动化专业委员会委员，中国电工技术学会电焊技术专业委员会委员。2018年6月博士毕业于华南理工大学，博士期间曾在美国宾夕法尼亚州立大学联合培养1年，在新加坡制造技术研究院从事博士后研究1年。主要从事激光焊接与再制造等研究，承担国家重要飞行器的预研工作。研究方向：（1）激光焊接与先进连接（2）激光再制造工艺与装备（3）激光加工过程仿真。

团队介绍

“追光者”——南京航空航天大学激光焊接与精准再制造课题组

“追光者”是南京航空航天大学材料科学与技术学院占小红教授为负责人的团队——激光焊接与精准再制造课题组。课题组主要研究方向为激光焊接与先进连接技术、激光增材制造工艺、金属与复合材料/陶瓷的连接、材料加工工艺建模与仿真等，长期从事航空、航天、轨道交通、工程机械、船舶等领域复杂结构件激光焊接工艺开发、焊接变形精准控制、焊接工艺优化与仿真研究等。

团队承担国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家863计划、国防973项目、军委科技委173课题、军委装备发展部重点项目等科研项目40余项，航空航天重点型号研制任务10余项。发表学术论文200余篇（其中SCI论文160余篇），申请发明专利100余项。获江苏省科学技术奖一等奖、江苏省教学成果奖二等奖两项、南京航空航天大型教学成果一等奖、南京市自然科学优秀学术论文奖、中国电子科技集团公司科学技术奖。

目前团队已有教授1人，副教授2人，讲师1人，博士研究生8人、硕士研究生40人。身处“国防七子”之一的南京航空航天大学，专注于航天航空激光连接与制造事业，是“追光者”团队永恒不变的主题。打造军工品质，培养卓越人才，我们的征途是星辰大海！

论文引用

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