重大顶刊：电弧增材制造中非对称熔池形貌的演变机制和抑制策略

导读：电弧增材制造凭借其沉积效率高、成形尺寸不受限等优势广泛用于大型三维构件的快速成形。然而，当金属熔滴在倾斜基面上沉积时，在重力的诱导下容易导致不良的熔池行为与不对称的焊道形貌，甚至生成缺陷。因此，揭示倾斜基面上非对称熔池形貌的演化机制并提出相应的抑制策略对于三维构件的电弧增材成形具有重要意义。本文在一系列倾斜基板表面开展了电弧增材制造沉积实验以研究焊道形貌的变化规律，并引入特征参数定量分析了基板倾斜角度对焊道成形精度的影响。通过数值模拟和高速摄像的方法研究了倾斜基面连续沉积过程中熔池温度场、速度场等的演化规律。最后，提出了针对不良熔池行为和非对称焊道形貌的抑制策略，在此基础上开发了一种变焊枪倾角的交替沉积方法，以优化打印件的成形质量。本研究为进一步发展三维构件的高性能电弧增材制造技术奠定了基础。

增材制造（AM）技术因其快速制造、近净成形的优势而受到日益关注。与减材制造技术相比，AM可以直接制造三维构件，具有制造周期短、成本低、材料利用率高等优点，在绿色制造与再制造领域极具潜力。而电弧增材制造作为增材制造技术的一个分支，具有沉积效率高、成形尺寸不受限制等优点，在航空航天、武器装备、轨道交通、海洋工程等领域具有广泛的应用前景。然而，电弧增材制造过程中金属熔滴的流动行为较为复杂，涉及电磁效应、流体流动、传热传质、液固相变和界面演化等多物理场耦合。特别是当金属熔滴沉积在非水平表面时，在重力的诱导下熔池行为更加复杂，会导致不良的熔池行为与不对称的凝固焊道形貌，甚至生成缺陷，严重影响打印零件的成形精度和力学性能。因此维持理想的熔池流体流动模式和对称的熔池形貌是三维构件高质量电弧增材制造的重要基础。

基于此，重庆大学曹华军教授和伊浩博士等人通过实验与数值模拟相结合的方式研究倾斜基面上熔池形貌的演变机制，并提出了一种有效抑制非对称熔池形貌以提高电弧增材成形质量的策略。首先，以不同工艺参数在不同倾斜基面上沉积系列焊道，研究焊接工艺参数对焊道形貌的影响。其次，采用三维数值仿真和高速摄像技术研究非对称熔池的动力学和热力学特征行为，揭示不对称熔池的演化机制。最后，提出了一种基于力系平衡和沉积路径优化的调控策略，以抑制不良的流体流动模式和非对称熔池形态。本项工作为进一步发展三维复杂构件的高性能电弧增材制造提供了理论依据。

相关研究成果以题“Asymmetric molten pool morphology in wire-arc directed energy deposition: Evolution mechanism and suppression strategy”发表在增材制造顶刊 Additive Manufacturing上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103113

本研究揭示了倾斜基面上熔池形貌的演变机理及成形特征，并提出了抑制不良熔池行为和非对称焊道形貌的有效策略。通过一系列基于不同倾斜基面的打印实验研究了焊道形貌的变化规律，并引入特征参数定量分析了基板倾斜角度对焊道成形精度的影响。在此基础上，为了更好地理解非对称熔池形貌的演变机理，通过三维数值模拟和高速摄像的方法，研究了在不同基体上沉积过程中温度场、速度场和流体动力学行为的演变。随着基面倾角的增大，传质行为和流体流动模式也随着发生变化，熔池内流体的对称流动被打破，流体逐渐聚集在熔池的一端，这加剧了沉积过程中熔池形貌的不对称性。因此，需要抑制沉积过程中非对称熔池形貌的演变以提高三维零件的成形精度与质量。

图1. 实验系统：(a) 实验装置示意图；(b) 倾斜基面打印示意图；(c) 沉积路径示意图。

图2. 水平基面电弧增材制造过程熔池行为：(a) 送丝阶段；(b) 过渡阶段；(c) 抽丝阶段。

图3. 倾斜基面熔池流动行为：(a) 0°；(b) 15°；(c) 30°；(d) 45°。

图4. 不同焊枪倾角下焊道形貌偏移值。

图5. 倾斜基面电弧增材制造过程熔池行为：(a) 送丝阶段；(b) 过渡阶段；(c) 抽丝阶段。

图6. 不同打印策略下多道单层样件形貌：(a) 连续沉积样件截面；(b) 连续沉积样件截面轮廓；(c) 表面不平度箱线图；(d) 交错沉积样件截面；(e) 交错沉积样件截面轮廓；(f) 表面不平度箱线图。

图7. 不同打印策略下多道多层样件形貌：(a) 连续沉积示意图；(b) 连续沉积样件形貌；(c) 样件上表面高度云图；(d) 样件剖面高度云图；(e) 交错沉积示意图；(f) 交错沉积样件形貌；(g) 样件上表面高度云图；(h) 样件剖面高度云图。

最后，基于力平衡理论和交错轨迹打印方法，提出了一种针对不良熔池行为和非对称焊道形貌的抑制策略，并通过实验和模拟进行了验证，在此基础上开发了一种变焊枪倾角的交替沉积打印方法，以优化打印件的成形质量。该研究为进一步发展三维复杂构件的高性能电弧增材制造技术奠定了理论基础。