DED增材沉積率突破10kg/h！克大增材中心發(fā)表CW-GMA工藝

來源：WAAM電弧增材



定向能量沉積（DED）的電弧增材（Wire-arc）用于以高沉積速率去沉積大型金屬構(gòu)件。為了縮短整體制造時間，進一步提高生產(chǎn)效率和效益，需要更高的沉積速率。然而，傳統(tǒng)的氣體金屬弧（GMA）的電弧增材DED，其特點是高能量輸入，通常會導(dǎo)致在相對較高的沉積速率下，出現(xiàn)高度的重熔和再加熱問題，從而降低工藝效率、損害機械性能。

針對這一問題，Cranfield大學(xué)Stewart William教授及其團隊在增材制造頂刊Additive Manufacturing（引用率17 影響因子11）發(fā)表題目為A novel cold wire gas metal arc (CW-GMA) process for high productivity additive manufacturing的科研文章，提出了一種新型電弧增材DED工藝，結(jié)合GMA和外部冷絲，即冷絲氣體金屬�。–W-GMA），實現(xiàn)高沉積速率和低材料重熔。

研究了不同能量輸入水平下的最大沉積速率，最高沉積速率達到了14 kg/h。使用該工藝制造了一個重達280 kg的工業(yè)尺寸的構(gòu)件，沉積速率約10 kg/h，展示了該工藝在高生產(chǎn)應(yīng)用中的能力。同時發(fā)現(xiàn)，由于添加冷絲，重熔現(xiàn)象顯著減少。研究還開發(fā)了CW-GMA工藝的工作空間和幾何過程模型，用于選擇準(zhǔn)確參數(shù)、預(yù)測單道壁結(jié)構(gòu)的幾何形狀。而且，CW-GMA工藝中冷絲的添加降低了比能量密度，使晶粒尺寸和各向異性均減小，提高了機械性能，增強了強度并降低了各向異性。


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圖1. 示意圖展示了基于冷絲氣體金屬�。–W-GMA）的電弧增材（DED）系統(tǒng)的實驗設(shè)置。


圖2. 示意圖展示了GMA火炬、冷絲和基板的配置。



圖3. 電源校準(zhǔn)：(a) 電弧電流隨硬絲送絲速率（HWFS）變化的關(guān)系，(b) 電弧電壓隨硬絲送絲速率（HWFS）變化的關(guān)系，(c) 輸出功率隨硬絲送絲速率（HWFS）變化的關(guān)系，以及(d) 輸出功率隨電弧電流變化的關(guān)系。


圖4. 示意圖展示：(a) 珠焊寬度、珠焊高度、珠焊橫截面積（A1）的定義，以及基板的重熔區(qū)域（A2）的定義；(b) 總壁寬度和有效壁寬度的定義。


圖5. 示意圖展示：(a) 從兩個壁中提取用于拉伸測試和微觀結(jié)構(gòu)分析的樣品的位置，以及(b) 用于拉伸測試的樣品尺寸。注意，BD - 建造方向，TD - 橫向方向，ND - 法線方向。



圖6. (a) 構(gòu)件的幾何形狀，(b) 構(gòu)件的橫截面和沉積順序，(c) 構(gòu)件和沉積工具的設(shè)計，以及(d) 構(gòu)件和工具設(shè)計的橫截面。


圖7. 在相同的硬絲送絲速率（HWFS）為8 m/min但不同的冷絲送絲速率（CWFS）下，工藝穩(wěn)定性和珠焊外觀的比較：(a) 在CWFS為10 m/min時的沉積過程，(b) 在CWFS為12 m/min時的沉積過程，(c) CWFS為10 m/min時的珠焊外觀，以及(d) CWFS為12 m/min時的珠焊外觀。粉色箭頭表示火炬移動方向。


圖8. (a) 隨著硬絲送絲速率（HWFS）變化而實現(xiàn)的最大冷絲送絲速率（CWFS），(b) 隨著HWFS變化而實現(xiàn)的最大沉積速率；(c) 在廣泛的電弧絲材DED過程中，對不同工藝條件下鋼材實現(xiàn)的最大沉積速率。


圖9. 冷絲送絲速率（CWFS）對不同電弧電流水平下珠焊形狀的影響：(a) 珠焊寬度，以及(b) 珠焊高度。


圖10. (a) 在相同的電弧電流（301 A）下使用不同冷絲送絲速率（CWFS）獲得的珠焊橫截面，(b) 珠焊的稀釋度，以及(c) 相應(yīng)珠焊的總?cè)廴诿娣e。


圖11. 基于珠焊平板實驗的CW-GMA工藝的工作空間：(a) 硬絲送絲速率（HWSF） vs 冷絲送絲速率（CWFS），以及(b) 焊接速度（TS） vs 冷絲送絲速率（CWFS）。



圖12. 基于多層單道壁的CW-GMA工藝的工作空間：(a) 硬絲送絲速率（HWSF） vs 冷絲送絲速率（CWFS），以及(b) 焊接速度（TS） vs 冷絲送絲速率（CWFS）。


圖13. CW-GMA基礎(chǔ)電弧絲材DED多層單道壁的幾何過程模型：(a) 有效壁寬度，(b) 層高，以及(c) 表面波紋度。


圖14. 標(biāo)準(zhǔn)GMA和CW-GMA工藝生產(chǎn)的樣品的拉伸性能：(a) 兩個工藝產(chǎn)生的兩種不同取向的四個典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及(b) 每種條件下強度和延伸率的平均值。注意，GMA_H和GMA_V分別表示標(biāo)準(zhǔn)GMA工藝產(chǎn)生的水平和垂直取向的樣品，而CW-GMA_H和CW-GMA_V分別表示CW-GMA工藝產(chǎn)生的水平和垂直取向的樣品。


圖15. 子鐵素體和重建的先驅(qū)奧氏體的EBSD反極圖方位圖，以及從BD-ND平面獲取的重建奧氏體相的反極圖和極圖：(a1-a4) GMA工藝樣品和(b1-b4) CW-GMA工藝樣品；對比(c) 重建奧氏體晶粒尺寸分布和(d) GMA和CW-GMA加工樣品之間的縱橫比。


圖16. 構(gòu)件的沉積過程：(a)、(b) 和 (c) 顯示了第一層的沉積；(d) 顯示了第1部分的沉積，(e) 顯示了第2部分的沉積，以及(f) 顯示了構(gòu)件的最終外觀。

關(guān)鍵結(jié)論

1. CW-GMA的DED最大沉積速率為14 kg/h，這是所有單一電源的電弧增材DED工藝中最高的。利用該工藝成功制造了一個質(zhì)量為280 kg的工業(yè)尺寸構(gòu)件，其沉積速率接近10 kg/h，證明了使用該工藝建造具有高生產(chǎn)效率的大型工程結(jié)構(gòu)的可行性。

2. 與標(biāo)準(zhǔn)GMA工藝相比，在CW-GMA工藝中添加冷絲改變了珠焊的幾何形狀，并顯著減少了重熔和再加熱出現(xiàn)的次數(shù)。具體而言，由于熔化效率的提高，珠焊寬度先增加，然后由于冷絲吸收了熔池的能量，珠焊寬度趨于穩(wěn)定。由于基板或預(yù)先沉積層吸收的能量減少，隨著冷絲送絲速率（CWFS）的增加，重熔不斷減少。

3. 基于單層和多層沉積實現(xiàn)了CW-GMA工藝的工作空間。這可以用來指導(dǎo)工藝參數(shù)的選擇，以避免該工藝中的任何缺陷。此外，制造了多層單道壁的工藝模型，可用于預(yù)測沉積壁的幾何特征，包括TWW、EWW和LH。

4. 對CW-GMA的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進行了檢測，并與標(biāo)準(zhǔn)GMA工藝進行了比較。由于添加冷絲，與標(biāo)準(zhǔn)GMA工藝相比，CW-GMA工藝中的比能量密度減小，導(dǎo)致更小且更各向同性的晶粒，從而使前者的拉伸強度更高，各向異性更小。

通訊作者

   Stewart Williams，Cranfield大學(xué)焊接科學(xué)與工程的杰出教授，持有倫敦大學(xué)皇家霍洛威學(xué)院激光物理學(xué)博士學(xué)位。他在學(xué)術(shù)領(lǐng)域的影響力顯著，文獻施引篇數(shù)高達5968篇，與311位作者合作發(fā)表過多篇研究成果，其H-index值高達65，彰顯了他在增材制造領(lǐng)域的卓越地位，尤其是在增材制造領(lǐng)域的重要頂尖期刊上。

  他的研究聚焦于增材制造和激光加工，專注于電弧增材制造（WAAM）工藝，旨在實現(xiàn)大型工程結(jié)構(gòu)的高效制造。作為WAAMMat項目的領(lǐng)導(dǎo)者，他引領(lǐng)著該項目的發(fā)展，其中包括20多個活動，覆蓋學(xué)生項目、工業(yè)合同和政府資助項目，與工業(yè)和學(xué)術(shù)伙伴展開深入合作。

Chong Wang,克蘭菲爾德大學(xué)增材制造研究員。2021年獲得克蘭菲爾德大學(xué)博士學(xué)位。研究主要集中在等離子弧、氣體金屬弧和混合弧激光工藝的金屬增材制造工藝。

論文引用

Chong Wang, Jun Wang, João Bento, Jialuo Ding, Goncalo Pardal, Guangyu Chen, Jian Qin, Wojciech Suder, Stewart Williams,

A novel cold wire gas metal arc (CW-GMA) process for high productivity additive manufacturing

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103681.