通过光束振荡实现铝合金激光-电弧混合增材制造的沉积稳定性和成形特性!

来源：焊接科学

2024年8月15日，西南交通大学的研究团队在《International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology》期刊发表最新研究文章“Deposition Stability and Forming Characteristics in Laser-Arc Hybrid Additive Manufacturing of Aluminum Alloy Through Beam Oscillation”，研究了通过光束振荡实现铝合金激光-电弧混合增材制造（LAHAM）的沉积稳定性和成形特性。

该研究旨在解决铝合金电弧增材制造（WAAM）中存在的沉积稳定性差和成形精度低的问题。通过采用不同光束振荡频率（0-500 Hz）的激光-电弧混合增材制造技术，发现频率为300 Hz的LAHAM能优化WAAM中的液滴转移模式，将液滴从排斥模式转变为喷射模式，并将转移时间从5.2 ms减少至3.9 ms。此外，该技术不仅将沉积薄壁的孔隙率从0.36%减少到小于0.01%，还使平均晶粒尺寸减少了20%。这些改进提高了成形精度37%，减少了显微硬度波动61%，并增加了伸长率54%。

实验方法
实验中使用的填充材料是直径为1.6 mm的ER4047铝合金焊丝，主要成分为铝和硅，该合金以其良好的流动性、低热膨胀系数以及较高的抗腐蚀和抗热裂性而被广泛应用。基材为厚度10 mm的6082铝合金板，尺寸为450×150 mm²，选用该基材的原因在于其与填充材料的成分相近。

在沉积前，基材表面首先进行磨削和清洁，以去除氧化膜和杂质，随后用酒精进行二次清洁。保护气体为纯氩气，流量控制在30-40 L/min之间。实验装置包括一台最大输出功率为10 kW的Trumpf Laser TruDisk 10002激光器、Fronius Transpuls Synergic 4000电弧焊机、ABB IRB2600六轴机器人及IPG D50振荡扫描头。光束振荡由振荡头控制，机器人驱动扫描器进行直线运动。激光波长为1030 nm，焦点直径约为533 μm。

在激光-电弧混合增材制造中，电弧焊机处于脉冲模式，电弧电流为121 A，电弧电压为17 V，沉积速度为0.6 m/min。填充焊丝的送丝速度为4.0 m/min，振荡模式为逆时针圆形振荡，振荡频率从0到500 Hz不等。为了避免局部热积累对成形质量的影响，每层沉积完成后，等待上一层冷却至室温后再继续沉积。高频激光振荡的引入使得沉积过程中的液滴转移行为得到优化，有效降低了液滴对熔池的冲击，并形成了高速旋转的涡流，以捕获液滴。

高精度相机用于记录沉积过程中的液滴转移和熔池动态，摄像速率为3600 fps，分辨率为1024×1024像素。沉积完成后，使用数字相机记录沉积薄壁的宏观形貌，显微结构的样品则通过电线切割机加工制备。样品随后进行水磨和机械抛光，并使用Keller试剂进行显微观察。通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）分析微观结构及材料的成分分布。

图1. WAAM和OLAHAM的实验装置示意图。

图2. 高速摄像机观察过程中捕获的图像及示意图。

图3. 不同工艺条件下沉积薄壁的机械性能测试示意图。

图4. WAAM、LAHAM及不同频率OLAHAM沉积薄壁的宏观形貌图。

图5. X射线NDT检测结果图。

图6. 不同工艺条件下沉积薄壁的横截面形貌图。

图7. WAAM沉积过程中的高频视频帧图像。

图8. LAHAM沉积过程中的高频视频帧图像。

图9. 300 Hz OLAHAM沉积过程中的高频视频帧图像。

图10. OLAHAM典型沉积微观结构的光学显微镜（OM）图像。

图11. 不同工艺条件下的光学显微结构图像对比。

图12. 不同工艺条件下的SEM和EDS分析结果。

论文总结
研究结果表明，通过引入光束振荡的OLAHAM工艺有效提高了铝合金增材制造的沉积稳定性和成形精度。特别是在振荡频率为300 Hz时，液滴转移时间减少了25%，从而显著改善了材料的微观结构和机械性能。实验表明，光束振荡能够优化液滴从排斥模式转变为喷射模式，并形成一个高速旋转的涡流，减小液滴冲击对熔池的干扰，进一步提升沉积稳定性。此外，该工艺还能减少沉积材料的孔隙率，并改善晶粒结构的均匀性，使平均晶粒尺寸减少了20%。这使得沉积薄壁的显微硬度波动降低了61%，伸长率提高了54%，同时加工余量也大幅减少，成形精度提高了37%。

该研究的未来工作将集中于进一步优化材料成分，特别是通过同步送丝送粉技术，以提高增材制造构件的综合性能。研究团队预计，这一技术的应用将为大尺寸铝合金构件的高效、高质量增材制造提供技术支持，特别是在航空航天、汽车等领域的应用前景广阔。

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