激光填絲增材制造技術的研究現狀與展望

來源：長三角G60激光聯盟

北華航天工業(yè)學院、溫州大學及閥畢威閥門（FBV INC.）有限公司的科研人員報道了激光填絲增材制造技術研究進展。相關論文以“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，能夠將三維數據模型轉化為實體零件。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。目前，所制造的零件廣泛應用于航空航天、醫(yī)療、汽車等諸多領域，在增材制造中發(fā)揮著重要作用。為了獲得高質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域的近期研究成果。基于這些方面，對該領域路徑規(guī)劃和精密增材制造的未來發(fā)展進行了展望。

圖1部分側向送絲和同軸送絲工藝

圖2不同焦點對沉積層穩(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理。a在0mT至80mT不同電磁狀態(tài)下熔池表面溫度分布的數值模擬。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激光熔覆與銑床復合增材制造的磨削結果

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熱源參數對橫截面幾何形狀和單位長度能量的影響

圖16基于參數化建模方法的3D打印技術

目前，激光填絲增材制造技術因其沉積效率高、成型可控、成本節(jié)約等特點，已廣泛應用于航空航天、海洋船舶、汽車、醫(yī)療等領域。在激光填絲增材制造技術的成型控制方法方面已取得了顯著進展。采用不同的光束擺動形式可使熔池結構更加均勻，從而得到更細小的晶粒和顯微組織。對焊絲和母材進行預熱，可穩(wěn)定送絲過程并減少成型零件的內部缺陷。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部結構性能。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基礎上增加傳統(tǒng)銑削工藝的復合增材制造，可大大提高成型零件的表面質量和表面光潔度。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控制和路徑規(guī)劃方面仍存在一些困難。

因此，實現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合應用越來越廣泛，能夠優(yōu)化零件的表面成型質量，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，仍需要進一步深入研究。大多數提高成型零件表面質量的方法都只是單一地改變工藝參數和作用方式。因此，有必要研究不同時刻的熔滴狀態(tài)和熔池演變情況。根據溫度場和應力場的變化規(guī)律，調整工藝參數和成型軌跡，精確控制零件的最終成型效果，進一步推動激光填絲增材制造工藝的高質量、穩(wěn)定發(fā)展。

此外，利用光場調制技術調整激光束的發(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條件，從而減少飛濺等負面效應。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