西南交大 l 电弧增材制造铝合金薄壁件的工艺稳定性及形成机理

电弧增材制造在大型金属构件高效制备方面具有显著潜力，但高品质零件的参数优化，尤其是针对2319这类难焊铝合金，仍是一大挑战。

2025年10月16日，西南交通大学材料科学与工程学院的研究团队在《Journal of Materials Engineering and Performance》期刊发表最新研究文章“Process Stability and Formation Mechanism of Aluminum Alloy Thin Wall Fabricated by Wire Arc Additive Manufacturing”，研究了电弧电流对2319铝合金薄壁件电弧增材制造（WAAM）的工艺稳定性、形成机理及力学性能的影响，确定了最优电弧电流参数。本期谷·专栏将对该研究成果进行简要分享。

论文链接：

https://doi.org/10.1007/s11665-025-12427-4

最优电弧电流提升薄壁件成形质量

该研究探讨了电弧电流（I）对电弧增材制造2319铝合金薄壁件工艺稳定性及形成机理的影响。

结果表明，将电弧电流从140A提高至160A，不仅使沉积薄壁件的有效宽度系数从70.14%提升至75.45%，还通过将加工余量从3.44mm减少至2.58mm，使成形精度提高了25%。然而，当电弧电流进一步增至180A时，孔隙率从0.51%显著上升至2.06%。

尽管增大电弧电流可通过诱导熔滴从球状向喷射状转变改善熔滴过渡，并通过柱状晶向等轴晶转变细化重熔区显微组织，但同时会导致电弧熔化区晶粒粗化。在160A的优化电流下，零件获得了最佳力学性能，抗拉强度达282.18MPa，伸长率为10.31%，分别较140A时提升了5.23%和25.58%。

通过对熔滴动力学、热调控及缺陷抑制的平衡控制，最优电弧电流显著提高了沉积件的成形质量。

实验方法

实验材料采用直径1.2mm的ER2319铝合金焊丝和尺寸为450×150×10mm³的6082铝合金基板，二者化学成分明确。实验设备包括Fronius Transpuls Synergic 4000弧焊机、ABB IRB 2600六轴机器人及Acuteye V4.0高速相机（拍摄帧率4000帧/秒）。工艺参数设置三种电弧电流（140A、160A、180A），对应电弧电压分别为17.4V、18.3V、19.9V，送丝速度分别为7m/min、8m/min、9m/min，沉积速度均为10mm/s；保护气体为高纯氩气，流量20-25L/min，焊丝伸出长度12mm，焊枪倾角90°。样品制备经电火花线切割、碳化硅砂纸研磨（180-2000目）、2.5μm金刚石悬浮液机械抛光，采用凯勒试剂（95% H₂O+2.5% HNO₃+1% HF+1.5% HCl）腐蚀8-10秒；通过倒置光学显微镜、场发射扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）进行显微组织表征；采用维氏硬度计（200g载荷，保荷15s）测试显微硬度，MTS CMT5105万能试验机（室温25℃，位移控制速率1mm/min）测试拉伸性能，结合X射线无损检测分析孔隙率。

图文解析

图1 实验装置示意图，(a) 整体视图，(b) 放大视图，(c) 示意图

图2 沉积薄壁件力学性能测试尺寸示意图

图3 单层单道沉积焊道的成形情况，(a-b) I=140A；(c-d) I=160A；(e-f) I=180A；(g-h) 成形特征统计数据

图4 沉积薄壁件的宏观成形及孔隙情况，(a1-a4) I=140A；(b1-b4) I=160A；(c1-c4) I=180A；(d) 成形特征统计数据；(e) 孔隙率统计数据

图5 高速相机观察到的电弧行为，(a1-b6) I=140A

图6 高速相机观察到的电弧行为，(a1-a8) I=160A

图7 高速相机观察到的电弧行为，(a1-a8) I=180A

图8 不同电弧电流下沉积件的典型显微组织光学显微镜观察结果，(a-a2) I=140A；(b-b2) I=160A；(c-c2) I=180A

图9 高倍扫描电子显微镜观察图像，(a-c) 不同电弧电流下电弧熔化区（AZ）图像；(d-f) 不同电弧电流下重熔区（RZ）图像；(h-j) 能量色散谱（EDS）映射结果

图10 透射电子显微镜（TEM）观察到的试样显微组织：(a-d) θ相的形貌及化学成分；(e) 界面放大图；(f) α-Al与Al₂Cu相界面的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像，插图为θ相的快速傅里叶变换（FFT）和选区电子衍射（SAD）图谱

图11 透射电子显微镜（TEM）观察到的试样显微组织：(a-f) θ相的形貌及化学成分；(g-h) 对应Al₂Cu相界面高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像的逆快速傅里叶变换（IFFT）重构图

图12 沉积薄壁件显微组织的逆极图（IPF）、晶粒直径统计结果及极图（PF），(a-a2) I=140A；(b-b2) I=160A；(c-c2) I=180A

图13 不同电弧电流下电弧熔化区（AZ）和重熔区（RZ）的晶粒尺寸分布，(a) I=140A；(b) I=160A；(c) I=180A

图14 低角度晶界（LAGBs）和高角度晶界（HAGBs）的分布情况，(a) I=140A；(b) I=160A；(c) I=180A；(d) 低角度晶界统计结果

图15 沉积样品的力学性能测试结果，(a) 显微硬度分布；(b) 平均显微硬度及其方差；(c) 拉伸性能

图16 不同电弧电流下拉伸试样的断口形貌，(a,d) I=140A；(b,e) I=160A；(c,f) I=180A

图17 电弧电流对电弧增材制造铝合金的影响机理，(a1-a3) I=140A；(b1-b3) I=160A；(c1-c3) I=180A

论文总结

（1）研究结果表明，将电弧电流从140A提高至160A，不仅使沉积薄壁件的有效宽度系数从70.14%提升至75.45%，还通过将加工余量从3.44mm减少至2.58mm，使成形精度提高了25%。相反，在180A时，尽管宽高比进一步增大，但孔隙率显著上升至2.06%，导致薄壁件成形精度下降66%。

（2）增大电弧电流会改变熔滴过渡模式。140A时呈现大熔滴过渡特征，每两个脉冲形成一个熔滴，电弧刚度差，过渡时间长，飞溅粗大；160A时转变为喷射过渡，每个脉冲形成一个熔滴，提高了电弧能量集中度和刚度，缩短了过渡时间，提升了沉积质量。

（3）随着电弧电流增大，热输入增加，导致电弧熔化区（AZ）晶粒尺寸增大，而重熔区（RZ）晶粒细化。较高的电流促进晶粒细化、柱状晶向等轴晶转变，并降低晶粒取向集中度，表明等轴晶形成能力增强。

（4）160A时，显微硬度分布更均匀，抗拉强度和伸长率达到峰值，分别为282.18MPa和10.31%，较140A时分别提升5.23%和25.58%。180A时，尽管伸长率仍保持较高水平，但由于孔隙率增加，抗拉强度略有下降，凸显了过大电流对力学性能的不利影响。

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