2319鋁合金電弧增材制造熔滴過渡與成形質量的關系！

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相比，WAAM樣品的成形質量較差。樣品成形質量與后續(xù)機械加工所需的時間直接相關。因此，通過控制成形質量可以進一步縮短周期時間。此外，更好的成形質量可以減少材料浪費。因此，樣品的成形質量一直是WAAM關注的焦點。

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表面成形質量的影響機制。使用高速攝影來提取熔池尺寸和熔滴轉移頻率。該研究還探討了這些因素隨送絲速度和層數(shù)的變化�；�于高速攝影結果建立二維液滴傳遞模型來研究液滴傳遞過程。接下來，構建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量與熔滴過渡過程之間的關系。得到送絲速度、熔池長度/熔滴轉移頻率和粗糙度的關系模型。當送絲速度為5.5~6.5m/min時，側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，側面的粗糙度突然降低。研究人員使用液滴轉移運動規(guī)則來解釋成形質量的這種變化。

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

關鍵結論

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。計算側面的粗糙度。根據(jù)研究結果，關于熔滴過渡過程與成形質量之間的關系，可以得出以下結論：

（1）隨著送絲速度的增加，熔池長度和熔滴轉移頻率也相應增加。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，并提取側面形貌以計算側面的粗糙度。在5.5~6.5m/min范圍內，側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，因此側池流動增強。側面粗糙度隨著送絲速度的增大而相應增大。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表面粗糙度的降低和成形質量的提高。

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域的機理、工藝、裝備、建模仿真等相關研究，致力于飛行器大尺寸復雜焊接結構組織、缺陷、應力、變形精確求解方法與調控策略，以及基于多物理場多尺寸定量求解以實現(xiàn)焊接與再制造結構件缺陷診斷、壽命評估和結構工藝優(yōu)化的研究。主持了我國國產大型客機C919機身焊接結構、某型飛機某大型主承力結構、某型運載火箭貯箱、XXX飛行器艙段、XXX飛行器關鍵結構等型號產品的研發(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、國防基礎科研重點項目、科工局XXXX項目、軍委裝備發(fā)展部領域基金重點項目、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。主持了國產大型客機C919機身壁板焊接技術與裝備的研究，突破了國內首臺大型雙激光束雙側同步焊接裝備；實現(xiàn)了某型飛機某大型復雜焊接結構件的研制；完成了國內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型號等多個產品激光焊接工藝設計、焊接應力與變形精準調控難題。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同步焊接技術》專著1部。獲江蘇省科學技術獎一等獎一項、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獎、南京市自然科學優(yōu)秀學術論文獎、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，中國電工技術學會電焊技術專業(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、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、船舶等領域復雜結構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10余項。發(fā)表學術論文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)秀學術論文獎、中國電子科技集團公司科學技術獎。

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，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