基于同步送絲送粉的鋁合金薄壁振蕩激光-電弧復(fù)合增材制造！

來源：焊接科學(xué)

2024年11月2日，中國西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的研究團隊在《Thin-Walled Structures》期刊發(fā)表最新研究文章“Oscillating laser-arc hybrid additive manufacturing of aluminum alloy thin-wall based on synchronous wire-powder feeding”，研究了基于同步送絲送粉的鋁合金薄壁振蕩激光-電弧復(fù)合增材制造方法。

該研究采用同步送絲送粉技術(shù)，旨在解決鋁合金薄壁在單純送絲基礎(chǔ)上填充成分不足，導(dǎo)致力學(xué)性能不佳的問題。實驗表明，通過優(yōu)化鎂粉送粉量，改善了熔滴轉(zhuǎn)移至細噴射模式，轉(zhuǎn)移時間縮短了18%，有效寬度系數(shù)從89%增加到95%，而加工余量減少到0.48 mm，使成形精度提高了61.6%。盡管沉積微觀結(jié)構(gòu)以定向生長的樹枝晶為主，平均晶粒尺寸增加了54%，但新形成的Mg2Si強化相使得薄壁的極限抗拉強度從227.3 MPa增加到255.5 MPa，提高了12%。

實驗使用直徑為1.6 mm的ER4047鋁合金焊絲和10 mm厚的6082-T6鋁合金基材。粉末為100至300目之間的Al和Mg混合顆粒。實驗設(shè)備包括Trumpf Laser TruDisk 10002激光器、Fronius Transpuls Synergic 4000電弧焊機、ABB IRB2600機器人、IPG D50擺動掃描頭和旋轉(zhuǎn)雙筒粉末供給器。

圖1. 振蕩激光-電弧混合增材制造與同步絲粉送絲的示意圖，（a）側(cè)視圖，（b）正視圖。

圖2. 沉積樣品的尺寸和機械性能測試位置。

圖3. 振蕩激光-電弧混合增材制造沉積薄壁的宏觀形態(tài)和X射線NDT結(jié)果，（a-c）側(cè)壁成型，（d-f）X射線NDT結(jié)果，（g-i）頂面外觀，（h-k）截面形態(tài)。

圖4. 沉積薄壁尺寸特性的統(tǒng)計，（a）沉積寬度，（b）成型精度，其中WE和WT分別是薄壁的有效沉積寬度和最大沉積寬度，η是有效寬度系數(shù)，e是后續(xù)加工余量。

圖5. 基于單絲送絲的振蕩激光-電弧混合增材制造的高速視頻幀，（a）電弧燃燒的脈沖起始階段，（b）電弧燃燒的基礎(chǔ)電流階段，（c-f）電弧燃燒的峰值電流階段，（g-i）電弧燃燒的基礎(chǔ)電流階段。

圖6. 當(dāng)粉末中Mg含量為100 wt.%時，基于同步絲粉送絲的振蕩激光-電弧混合增材制造的高速視頻幀，（a）電弧燃燒的脈沖起始階段，（b）電弧燃燒的基礎(chǔ)電流階段，（c-f）電弧燃燒的峰值電流階段，（g-l）電弧燃燒的基礎(chǔ)電流階段。

圖7. 沉積薄壁的微觀結(jié)構(gòu)觀察，（a-c）OM測試結(jié)果，（d-f）EBSD測試結(jié)果，（g-i）晶粒尺寸分布（圖7d和g參考自文獻[29]）。

圖8. 通過WPHAM獲得的沉積微觀結(jié)構(gòu)的沉淀相和晶體結(jié)構(gòu)的透射電鏡分析結(jié)果，（a-e）沉淀相的形態(tài)，（f-h）圖（e）中Al、Si和Mg的元素映射，（i-j）圖（e）中第二相與Al基體界面的高分辨率透射電鏡形態(tài)，（k）快速傅里葉變換（FFT），（m）反傅里葉變換（IFFT）。

圖9. 通過WPHAM獲得的沉積微觀結(jié)構(gòu)的位錯形態(tài)和衍射譜圖。

圖10. 沉積薄壁的機械性能，（a-b）拉伸性能，（c）顯微硬度分布，（d）平均顯微硬度及其方差。

圖11. 拉伸試驗樣品的斷裂表面形貌，（a-c）低倍圖像，（d-f）高倍圖像。

圖12. 粉末送絲對振蕩激光-電弧混合增材制造沉積穩(wěn)定性改進機制的示意圖，（a-d）和（i）單絲沉積，（e-h）和（j）絲粉同步沉積。

論文總結(jié)
成形精度：研究表明，增加Mg粉末可顯著提高薄壁的成形精度，有效寬度系數(shù)提高至95%，加工余量減少到0.48 mm。

沉積穩(wěn)定性：同步送粉提高了激光與電弧之間的導(dǎo)電通道，有助于在峰值和基值階段維持穩(wěn)定的電弧燃燒，同時改善了細噴射模式的熔滴轉(zhuǎn)移效率，轉(zhuǎn)移時間縮短至3.2 ms，效率提高18%。

微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能：與單絲送粉相比，送絲送粉方式下的沉積微觀結(jié)構(gòu)平均晶粒尺寸增加了54%，且形成了新的Mg2Si強化相，極限抗拉強度最高達255 MPa，提高了12%。

論文地址：https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.11266