激光填絲增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

北華航天工業(yè)學(xué)院、溫州大學(xué)及閥畢威閥門（FBV INC.）有限公司的科研人員報道了激光填絲增材制造技術(shù)研究進(jìn)展。相關(guān)論文以“Current research status and prospect of laser wire additive manufacturing technology”為題發(fā)表在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上。

激光填絲增材制造（LWAM）作為一種新型制造技術(shù)，能夠?qū)⑷�維數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為實體零件。它改變了傳統(tǒng)的增材制造方式，具有快速成型、成型可控、成本低、速度快等優(yōu)點(diǎn)。目前，所制造的零件廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、汽車等諸多領(lǐng)域，在增材制造中發(fā)揮著重要作用。為了獲得高質(zhì)量的零件成型和性能控制，控制激光填絲增材制造過程中的形狀和性能至關(guān)重要。本文從不同的送絲方式、增材制造輔助工藝、增材制造過程監(jiān)測以及工藝規(guī)劃方法等幾個方面，簡要介紹了激光填絲增材制造領(lǐng)域的近期研究成果�；�于這些方面，對該領(lǐng)域路徑規(guī)劃和精密增材制造的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

圖1部分側(cè)向送絲和同軸送絲工藝

圖2不同焦點(diǎn)對沉積層穩(wěn)定性的影響（a）f=-7mm，（b）f=-6mm，（c）f=-5mm

圖3電磁感應(yīng)線圈示意圖

圖4組合加熱示意圖

圖5實際測試與溫度分布流體模型對比

圖6圓形激光擺動零件的優(yōu)化成型

圖7通過擺動直徑實現(xiàn)激光填絲增材制造薄壁單層成型（a）D=0mm，（b）D=0.4mm，（c）D=0.8mm，（d）D=1.2mm，（e）D=1.6mm

圖8不同光束擺動直徑對熔池形態(tài)的影響機(jī)理（a）D=0mm，（b）D=0.4mm，（c）D=1.2mm，（d）D=1.6mm

圖9電磁攪拌對激光填絲增材制造的影響機(jī)理。a在0mT至80mT不同電磁狀態(tài)下熔池表面溫度分布的數(shù)值模擬。b在0mT至80mT不同電磁狀態(tài)下成型零件的掃描電鏡成像

圖10高速激光焊接駝峰形成過程示意圖

圖11激光熔覆與銑床復(fù)合增材制造的磨削結(jié)果

圖12激光填絲增材制造輔助超聲振動裝置

圖13激光填絲增材制造過程的不同監(jiān)測與控制方法

圖14激光填絲增材制造中熔池對流示意圖

圖15熱源參數(shù)對橫截面幾何形狀和單位長度能量的影響

圖16基于參數(shù)化建模方法的3D打印技術(shù)

目前，激光填絲增材制造技術(shù)因其沉積效率高、成型可控、成本節(jié)約等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋船舶、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域。在激光填絲增材制造技術(shù)的成型控制方法方面已取得了顯著進(jìn)展。采用不同的光束擺動形式可使熔池結(jié)構(gòu)更加均勻，從而得到更細(xì)小的晶粒和顯微組織。對焊絲和母材進(jìn)行預(yù)熱，可穩(wěn)定送絲過程并減少成型零件的內(nèi)部缺陷。監(jiān)測層間溫度和冷卻速率并觀察熔池的演變，可顯著改善零件的微觀組織和內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能。改變零件的沉積軌跡可避免層間成型不均勻的問題。在激光填絲增材制造技術(shù)基礎(chǔ)上增加傳統(tǒng)銑削工藝的復(fù)合增材制造，可大大提高成型零件的表面質(zhì)量和表面光潔度。然而，在熔池形態(tài)監(jiān)測、送絲速度與沉積形態(tài)的耦合以及幾何參數(shù)控制和路徑規(guī)劃方面仍存在一些困難。

因此，實現(xiàn)均勻的焊絲沉積和穩(wěn)定的熔池形態(tài)是滿足成型零件形狀控制和成型可控性的關(guān)鍵因素。盡管目前常規(guī)銑削與激光填絲增材制造工藝的結(jié)合應(yīng)用越來越廣泛，能夠優(yōu)化零件的表面成型質(zhì)量，但在激光填絲增材制造過程中的熔滴下落、焊絲均勻凝固、熔池演變、冷卻速率監(jiān)測和路徑規(guī)劃等方面，仍需要進(jìn)一步深入研究。大多數(shù)提高成型零件表面質(zhì)量的方法都只是單一地改變工藝參數(shù)和作用方式。因此，有必要研究不同時刻的熔滴狀態(tài)和熔池演變情況。根據(jù)溫度場和應(yīng)力場的變化規(guī)律，調(diào)整工藝參數(shù)和成型軌跡，精確控制零件的最終成型效果，進(jìn)一步推動激光填絲增材制造工藝的高質(zhì)量、穩(wěn)定發(fā)展。

此外，利用光場調(diào)制技術(shù)調(diào)整激光束的發(fā)射形狀和能量分布，使其能更好地與焊絲的形狀和材料特性相匹配，實現(xiàn)最佳的激光能量吸收效果。為熔池表面提供最佳的傳熱傳質(zhì)條件，從而減少飛濺等負(fù)面效應(yīng)。這對于激光填絲增材制造未來的快速發(fā)展具有非常重要的應(yīng)用價值。

論文鏈接：Jia, Y., Sun, S., Li, B.et al. Current research status and prospect of laser wire additive manufacturing technology. Int J Adv Manuf Technol (2025). https://doi.org/10.1007/s00170-025-15228-0