綜述：電弧增材制造過程中熱輸入與均勻溫度分布的影響

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

加拿大薩斯卡徹溫大學、尼日利亞聯(lián)邦理工大學、英國鄧迪大學、格倫航空（英國）有限公司的科研人員報道了電弧增材制造過程中熱輸入與均勻溫度分布的影響研究進展。相關論文以“Influence of heat input and uniform temperature distribution during wire arc additive manufacturing process: a critical review”為題發(fā)表在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上。

熱輸入與均勻溫度分布對電弧增材制造（WAAM）構件表面質(zhì)量的影響至關重要，直接關系到無缺陷產(chǎn)品的成型。然而在多數(shù)WAAM工藝中，熱輸入會顯著影響熔池逐層沉積行為，若控制不當則可能誘發(fā)缺陷。本文系統(tǒng)批判性綜述了熱輸入、溫度均勻分布、層間溫度及熱輸入?yún)��?shù)對WAAM構件微觀組織與力學性能的影響機制。研究發(fā)現(xiàn)：送絲速度與焊槍移動速度是調(diào)控WAAM熱輸入的關鍵參數(shù)。研究表明，采用低熱輸入的優(yōu)化參數(shù)可獲得更細小均勻的微觀形貌，從而顯著提升構件力學性能。為滿足工業(yè)領域?qū)Ω哔|(zhì)量金屬構件的需求，必須建立基于實證的WAAM工藝認知框架，確保工藝設計前進行充分規(guī)劃——此為本研究的主要學術貢獻。

圖1(a)WAAM工藝導致的零件變形；(b) WAAM過程中的駝峰效應

圖2 WAAM過程中發(fā)生在焊絲、熔池、電弧及基板上的流體運動與傳熱過程

圖3用于監(jiān)測WAAM過程熱傳導效應的熱電偶布置方案

圖4不同熱輸入條件下WAAM試樣的微觀組織表現(xiàn)：(a)焊接電流125A，(b)147A，(c)132A，(d)142A，(e)152A

圖5 WAAM系統(tǒng)紅外加熱裝置實驗布置

圖6用于獲取增材制造過程物理特征的物理信息機器學習（PIML）概念

WAAM工藝中最突出的挑戰(zhàn)是熱累積現(xiàn)象，其根源在于工件吸收的熱量無法有效耗散至環(huán)境中。這種熱累積會引發(fā)多重質(zhì)量問題：金屬沉積缺陷、幾何精度偏差、表面質(zhì)量缺陷、微觀組織演變異常及力學性能下降。研究表明，WAAM系統(tǒng)中過高的能量輸入會導致破壞性熱累積，而不均勻的熱輸入條件更會誘發(fā)殘余應力變形、尺寸精度失控等潛在缺陷。

為控制WAAM缺陷，必須嚴格監(jiān)控并優(yōu)化熱輸入與溫度分布以消除沉積過程中的缺陷源。實現(xiàn)溫度均勻分布是確保熔融效率穩(wěn)定性、微觀組織可控性及最終構件表面質(zhì)量的關鍵。鑒于WAAM技術具備高沉積速率和無限構建尺寸的優(yōu)勢，如何通過該工藝制備高質(zhì)量金屬構件已成為學界研究熱點。

本批判性綜述深入探討了以下核心問題：WAAM構件成型中的熱輸入優(yōu)化、工藝參數(shù)對熱輸入的影響機制、非均勻溫度分布的危害，以及機器學習與仿真技術在強化WAAM傳熱過程中的應用。研究表明，熱輸入與溫度均勻分布對開發(fā)工業(yè)級WAAM金屬構件具有決定性作用。本文主要研究發(fā)現(xiàn)如下：

i.在低熱輸入（LHI）條件下，送絲速度（WFS）、焊槍速度（TS）與焊接電流（WC）會促進內(nèi)層柱狀晶生長，而層間區(qū)域則形成等軸晶；

ii.隨著熱輸入增加，晶粒尺寸、二次枝晶臂間距（SDAS）及微觀夾雜物會顯著增大；

iii.熱輸入升高會導致試樣冷卻速率降低，從而加劇晶粒粗化；

iv.采用低熱輸入配合常規(guī)焊接參數(shù)可細化微觀組織、降低應力、提升沉積速率并確保幾何精度；

v.智能掃描路徑優(yōu)化算法能促進溫度均勻分布，有效降低殘余應力與變形；

vi.傳熱與流體動力學模型可優(yōu)化工藝變量，提升打印結構質(zhì)量并減少構件失效；

vii.送絲速度/焊槍速度比（WFS/TS）是調(diào)控WAAM熱輸入的核心參數(shù)；

viii.沖擊氣冷技術能有效抑制金屬沉積過程中的熱累積；

ix.紅外加熱系統(tǒng)的應用有助于獲得均勻幾何形狀、細化內(nèi)部組織并增強力學性能。

未來研究方向建議：首先，需深入探究冷金屬過渡（CMT）焊接技術中控制缺陷并提升組織性能的多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化機制；其次，WAAM過程溫度分布變異根源及其對構件的影響機理有待進一步闡明；第三，應加強機器學習在材料內(nèi)部缺陷預測中的應用研究。此類研究將有助于揭示W(wǎng)AAM系統(tǒng)缺陷形成的根本原因及影響因素。


論文鏈接：
Omiyale, B.O., Ogedengbe, I.I., Ogbeyemi, A.et al. Influence of heat input and uniform temperature distribution during wire arc additive manufacturing process: a critical review. Int J Adv Manuf Technol (2025). https://doi.org/10.1007/s00170-025-15690-w