2319鋁合金電弧增材制造熔滴過渡與成形質(zhì)量的關(guān)系！

來源：焊接科學

電弧增材制造(WAAM)因其高沉積速率而受到廣泛研究。然而，與其他增材制造技術(shù)相比，WAAM樣品的成形質(zhì)量較差。樣品成形質(zhì)量與后續(xù)機械加工所需的時間直接相關(guān)。因此，通過控制成形質(zhì)量可以進一步縮短周期時間。此外，更好的成形質(zhì)量可以減少材料浪費。因此，樣品的成形質(zhì)量一直是WAAM關(guān)注的焦點。

2023年9月13日，南京航空航天大學材料科學與技術(shù)學院占小紅教授、王磊磊副教授團隊與航空工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司合作在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》期刊發(fā)表最新研究成果，高速相機拍攝WAAM的液滴轉(zhuǎn)移過程。占小紅教授和王磊磊副教授為共同通訊作者，碩士生竇志威為第一作者。

該研究從熔滴過渡的角度解釋WAAM成形過程，并評估熔滴過渡對側(cè)表面成形質(zhì)量的影響機制。使用高速攝影來提取熔池尺寸和熔滴轉(zhuǎn)移頻率。該研究還探討了這些因素隨送絲速度和層數(shù)的變化�；�于高速攝影結(jié)果建立二維液滴傳遞模型來研究液滴傳遞過程。接下來，構(gòu)建3D樣品模型以獲得沉積樣品的粗糙度。最后，通過擬合平面研究了成形質(zhì)量與熔滴過渡過程之間的關(guān)系。得到送絲速度、熔池長度/熔滴轉(zhuǎn)移頻率和粗糙度的關(guān)系模型。當送絲速度為5.5~6.5m/min時，側(cè)面粗糙度隨著送絲速度的增加而增大。然而，當送絲速度為7.0m/min時，側(cè)面的粗糙度突然降低。研究人員使用液滴轉(zhuǎn)移運動規(guī)則來解釋成形質(zhì)量的這種變化。

圖1. WAAM中液滴傳遞過程的實驗與模擬對比：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。

圖2. 不同工藝參數(shù)下的電流/電壓波形：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

圖3. 不同工藝參數(shù)下的液滴直徑和池長：a WFS=5.5 m/min；b WFS=6.0m/min；c WFS=6.5 m/min；d WFS=7.0 m/min

關(guān)鍵結(jié)論

該研究采用高速相機觀察2319鋁合金樣品在WAAM中的液滴轉(zhuǎn)移過程。通過三維掃描儀掃描并重建樣品的表面形貌。計算側(cè)面的粗糙度。根據(jù)研究結(jié)果，關(guān)于熔滴過渡過程與成形質(zhì)量之間的關(guān)系，可以得出以下結(jié)論：

（1）隨著送絲速度的增加，熔池長度和熔滴轉(zhuǎn)移頻率也相應(yīng)增加。熔滴直徑隨著送絲速度的增加而減小，且在7.0m/min時出現(xiàn)明顯的階梯式減��；

（2）使用3D掃描儀獲得WAAM樣品的表面形貌，并提取側(cè)面形貌以計算側(cè)面的粗糙度。在5.5~6.5m/min范圍內(nèi)，側(cè)面粗糙度隨著送絲速度的增大而增大。但當送絲速度達到7.0m/min時，側(cè)面粗糙度突然下降；

（3）隨著送絲速度的增加，熔池長度和熔滴過渡頻率逐漸增加，熔滴直徑減小，因此側(cè)池流動增強。側(cè)面粗糙度隨著送絲速度的增大而相應(yīng)增大。然而，當送絲速度增加到7.0m/min時，雖然熔體和熔滴過渡頻率池的長度進一步增加，但由于熔滴直徑突然減小，熔池的波動減小。這種波動的減少導致側(cè)表面粗糙度的降低和成形質(zhì)量的提高。

通訊作者
占小紅，工學博士，教授、博士生導師，國家重大人才工程計劃入選者，美國俄亥俄州立大學(OSU)訪問學者，南航激光焊接與再制造技術(shù)研究所負責人。獲省部級一等獎一項、二等獎兩項，入選國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、江蘇省“六大人才高峰”高層次人才、省“333人才”、南京航空航天大學“長空英才”等人才稱號。擔任國家重點研發(fā)計劃項目會評專家、國家民航局“十四五”規(guī)劃專家組專家等。主要從事激光加工、焊接與先進連接、增材制造與再制造等領(lǐng)域的機理、工藝、裝備、建模仿真等相關(guān)研究，致力于飛行器大尺寸復雜焊接結(jié)構(gòu)組織、缺陷、應(yīng)力、變形精確求解方法與調(diào)控策略，以及基于多物理場多尺寸定量求解以實現(xiàn)焊接與再制造結(jié)構(gòu)件缺陷診斷、壽命評估和結(jié)構(gòu)工藝優(yōu)化的研究。主持了我國國產(chǎn)大型客機C919機身焊接結(jié)構(gòu)、某型飛機某大型主承力結(jié)構(gòu)、某型運載火箭貯箱、XXX飛行器艙段、XXX飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)等型號產(chǎn)品的研發(fā)。主持承擔國家自然科學基金3項、國家重點研發(fā)計劃課題兩項、國防基礎(chǔ)科研重點項目、科工局XXXX項目、軍委裝備發(fā)展部領(lǐng)域基金重點項目、173課題等國家級項目（含國家重點項目）10余項，承擔了中航工業(yè)、中國商飛、航天科技、航天科工等單位重大型號研制項目10余項；參與承擔國家863、973等項目多項。主持了國產(chǎn)大型客機C919機身壁板焊接技術(shù)與裝備的研究，突破了國內(nèi)首臺大型雙激光束雙側(cè)同步焊接裝備；實現(xiàn)了某型飛機某大型復雜焊接結(jié)構(gòu)件的研制；完成了國內(nèi)首個激光焊接火箭貯箱的研制；突破了長征系列運載火箭、XXX型號等多個產(chǎn)品激光焊接工藝設(shè)計、焊接應(yīng)力與變形精準調(diào)控難題。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等雜志發(fā)表SCI論文200余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利60余項，出版《航空航天高性能鋁合金雙激光束雙側(cè)同步焊接技術(shù)》專著1部。獲江蘇省科學技術(shù)獎一等獎一項、江蘇省教學成果獎二等獎兩項、航空工業(yè)科技進步二等獎、中國電子科技集團科學技術(shù)獎、南京市自然科學優(yōu)秀學術(shù)論文獎、南京航空航天大學優(yōu)秀教學成果一等獎等。

王磊磊，男，湖北十堰人，副研究員/碩士生導師，江蘇省雙創(chuàng)博士，中國焊接學會機器人與自動化專業(yè)委員會委員，中國電工技術(shù)學會電焊技術(shù)專業(yè)委員會委員。2018年6月博士畢業(yè)于華南理工大學，博士期間曾在美國賓夕法尼亞州立大學聯(lián)合培養(yǎng)1年，在新加坡制造技術(shù)研究院從事博士后研究1年。主要從事激光焊接與再制造等研究，承擔國家重要飛行器的預(yù)研工作。研究方向：（1）激光焊接與先進連接（2）激光再制造工藝與裝備（3）激光加工過程仿真。

團隊介紹

“追光者”——南京航空航天大學激光焊接與精準再制造課題組

“追光者”是南京航空航天大學材料科學與技術(shù)學院占小紅教授為負責人的團隊——激光焊接與精準再制造課題組。課題組主要研究方向為激光焊接與先進連接技術(shù)、激光增材制造工藝、金屬與復合材料/陶瓷的連接、材料加工工藝建模與仿真等，長期從事航空、航天、軌道交通、工程機械、船舶等領(lǐng)域復雜結(jié)構(gòu)件激光焊接工藝開發(fā)、焊接變形精準控制、焊接工藝優(yōu)化與仿真研究等。

團隊承擔國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、國家863計劃、國防973項目、軍委科技委173課題、軍委裝備發(fā)展部重點項目等科研項目40余項，航空航天重點型號研制任務(wù)10余項。發(fā)表學術(shù)論文200余篇（其中SCI論文160余篇），申請發(fā)明專利100余項。獲江蘇省科學技術(shù)獎一等獎、江蘇省教學成果獎二等獎兩項、南京航空航天大型教學成果一等獎、南京市自然科學優(yōu)秀學術(shù)論文獎、中國電子科技集團公司科學技術(shù)獎。

目前團隊已有教授1人，副教授2人，講師1人，博士研究生8人、碩士研究生40人。身處“國防七子”之一的南京航空航天大學，專注于航天航空激光連接與制造事業(yè)，是“追光者”團隊永恒不變的主題。打造軍工品質(zhì)，培養(yǎng)卓越人才，我們的征途是星辰大海！

論文引用

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