基于同步送丝送粉的铝合金薄壁振荡激光-电弧复合增材制造！

来源：焊接科学

2024年11月2日，中国西南交通大学材料科学与工程学院的研究团队在《Thin-Walled Structures》期刊发表最新研究文章“Oscillating laser-arc hybrid additive manufacturing of aluminum alloy thin-wall based on synchronous wire-powder feeding”，研究了基于同步送丝送粉的铝合金薄壁振荡激光-电弧复合增材制造方法。

该研究采用同步送丝送粉技术，旨在解决铝合金薄壁在单纯送丝基础上填充成分不足，导致力学性能不佳的问题。实验表明，通过优化镁粉送粉量，改善了熔滴转移至细喷射模式，转移时间缩短了18%，有效宽度系数从89%增加到95%，而加工余量减少到0.48 mm，使成形精度提高了61.6%。尽管沉积微观结构以定向生长的树枝晶为主，平均晶粒尺寸增加了54%，但新形成的Mg2Si强化相使得薄壁的极限抗拉强度从227.3 MPa增加到255.5 MPa，提高了12%。

实验使用直径为1.6 mm的ER4047铝合金焊丝和10 mm厚的6082-T6铝合金基材。粉末为100至300目之间的Al和Mg混合颗粒。实验设备包括Trumpf Laser TruDisk 10002激光器、Fronius Transpuls Synergic 4000电弧焊机、ABB IRB2600机器人、IPG D50摆动扫描头和旋转双筒粉末供给器。

图1. 振荡激光-电弧混合增材制造与同步丝粉送丝的示意图，（a）侧视图，（b）正视图。

图2. 沉积样品的尺寸和机械性能测试位置。

图3. 振荡激光-电弧混合增材制造沉积薄壁的宏观形态和X射线NDT结果，（a-c）侧壁成型，（d-f）X射线NDT结果，（g-i）顶面外观，（h-k）截面形态。

图4. 沉积薄壁尺寸特性的统计，（a）沉积宽度，（b）成型精度，其中WE和WT分别是薄壁的有效沉积宽度和最大沉积宽度，η是有效宽度系数，e是后续加工余量。

图5. 基于单丝送丝的振荡激光-电弧混合增材制造的高速视频帧，（a）电弧燃烧的脉冲起始阶段，（b）电弧燃烧的基础电流阶段，（c-f）电弧燃烧的峰值电流阶段，（g-i）电弧燃烧的基础电流阶段。

图6. 当粉末中Mg含量为100 wt.%时，基于同步丝粉送丝的振荡激光-电弧混合增材制造的高速视频帧，（a）电弧燃烧的脉冲起始阶段，（b）电弧燃烧的基础电流阶段，（c-f）电弧燃烧的峰值电流阶段，（g-l）电弧燃烧的基础电流阶段。

图7. 沉积薄壁的微观结构观察，（a-c）OM测试结果，（d-f）EBSD测试结果，（g-i）晶粒尺寸分布（图7d和g参考自文献[29]）。

图8. 通过WPHAM获得的沉积微观结构的沉淀相和晶体结构的透射电镜分析结果，（a-e）沉淀相的形态，（f-h）图（e）中Al、Si和Mg的元素映射，（i-j）图（e）中第二相与Al基体界面的高分辨率透射电镜形态，（k）快速傅里叶变换（FFT），（m）反傅里叶变换（IFFT）。

图9. 通过WPHAM获得的沉积微观结构的位错形态和衍射谱图。

图10. 沉积薄壁的机械性能，（a-b）拉伸性能，（c）显微硬度分布，（d）平均显微硬度及其方差。

图11. 拉伸试验样品的断裂表面形貌，（a-c）低倍图像，（d-f）高倍图像。

图12. 粉末送丝对振荡激光-电弧混合增材制造沉积稳定性改进机制的示意图，（a-d）和（i）单丝沉积，（e-h）和（j）丝粉同步沉积。

论文总结
成形精度：研究表明，增加Mg粉末可显著提高薄壁的成形精度，有效宽度系数提高至95%，加工余量减少到0.48 mm。

沉积稳定性：同步送粉提高了激光与电弧之间的导电通道，有助于在峰值和基值阶段维持稳定的电弧燃烧，同时改善了细喷射模式的熔滴转移效率，转移时间缩短至3.2 ms，效率提高18%。

微观结构与力学性能：与单丝送粉相比，送丝送粉方式下的沉积微观结构平均晶粒尺寸增加了54%，且形成了新的Mg2Si强化相，极限抗拉强度最高达255 MPa，提高了12%。

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