來源：3D科學(xué)谷 作者：3D科學(xué)谷 時間：2025-12-15 14:16:17 已閱：0次
電弧增材制造在大型金屬構(gòu)件高效制備方面具有顯著潛力，但高品質(zhì)零件的參數(shù)優(yōu)化，尤其是針對2319這類難焊鋁合金，仍是一大挑戰(zhàn)。
2025年10月16日，西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的研究團(tuán)隊在《Journal of Materials Engineering and Performance》期刊發(fā)表最新研究文章“Process Stability and Formation Mechanism of Aluminum Alloy Thin Wall Fabricated by Wire Arc Additive Manufacturing”，研究了電弧電流對2319鋁合金薄壁件電弧增材制造（WAAM）的工藝穩(wěn)定性、形成機(jī)理及力學(xué)性能的影響，確定了最優(yōu)電弧電流參數(shù)。本期谷·專欄將對該研究成果進(jìn)行簡要分享。
論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s11665-025-12427-4
最優(yōu)電弧電流提升薄壁件成形質(zhì)量
該研究探討了電弧電流（I）對電弧增材制造2319鋁合金薄壁件工藝穩(wěn)定性及形成機(jī)理的影響。
結(jié)果表明，將電弧電流從140A提高至160A，不僅使沉積薄壁件的有效寬度系數(shù)從70.14%提升至75.45%，還通過將加工余量從3.44mm減少至2.58mm，使成形精度提高了25%。然而，當(dāng)電弧電流進(jìn)一步增至180A時，孔隙率從0.51%顯著上升至2.06%。
盡管增大電弧電流可通過誘導(dǎo)熔滴從球狀向噴射狀轉(zhuǎn)變改善熔滴過渡，并通過柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變細(xì)化重熔區(qū)顯微組織，但同時會導(dǎo)致電弧熔化區(qū)晶粒粗化。在160A的優(yōu)化電流下，零件獲得了最佳力學(xué)性能，抗拉強度達(dá)282.18MPa，伸長率為10.31%，分別較140A時提升了5.23%和25.58%。
通過對熔滴動力學(xué)、熱調(diào)控及缺陷抑制的平衡控制，最優(yōu)電弧電流顯著提高了沉積件的成形質(zhì)量。
實驗方法
實驗材料采用直徑1.2mm的ER2319鋁合金焊絲和尺寸為450×150×10mm3的6082鋁合金基板，二者化學(xué)成分明確。實驗設(shè)備包括Fronius Transpuls Synergic 4000弧焊機(jī)、ABB IRB 2600六軸機(jī)器人及Acuteye V4.0高速相機(jī)（拍攝幀率4000幀/秒）。工藝參數(shù)設(shè)置三種電弧電流（140A、160A、180A），對應(yīng)電弧電壓分別為17.4V、18.3V、19.9V，送絲速度分別為7m/min、8m/min、9m/min，沉積速度均為10mm/s；保護(hù)氣體為高純氬氣，流量20-25L/min，焊絲伸出長度12mm，焊槍傾角90°。樣品制備經(jīng)電火花線切割、碳化硅砂紙研磨（180-2000目）、2.5μm金剛石懸浮液機(jī)械拋光，采用凱勒試劑（95% H?O+2.5% HNO?+1% HF+1.5% HCl）腐蝕8-10秒；通過倒置光學(xué)顯微鏡、場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）、電子背散射衍射（EBSD）、透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)行顯微組織表征；采用維氏硬度計（200g載荷，保荷15s）測試顯微硬度，MTS CMT5105萬能試驗機(jī)（室溫25℃，位移控制速率1mm/min）測試?yán)煨阅?，結(jié)合X射線無損檢測分析孔隙率。
圖文解析
圖1 實驗裝置示意圖，(a) 整體視圖，(b) 放大視圖，(c) 示意圖
圖2 沉積薄壁件力學(xué)性能測試尺寸示意圖
圖3 單層單道沉積焊道的成形情況，(a-b) I=140A；(c-d) I=160A；(e-f) I=180A；(g-h) 成形特征統(tǒng)計數(shù)據(jù)
圖4 沉積薄壁件的宏觀成形及孔隙情況，(a1-a4) I=140A；(b1-b4) I=160A；(c1-c4) I=180A；(d) 成形特征統(tǒng)計數(shù)據(jù)；(e) 孔隙率統(tǒng)計數(shù)據(jù)
圖5 高速相機(jī)觀察到的電弧行為，(a1-b6) I=140A
圖6 高速相機(jī)觀察到的電弧行為，(a1-a8) I=160A
圖7 高速相機(jī)觀察到的電弧行為，(a1-a8) I=180A
圖8 不同電弧電流下沉積件的典型顯微組織光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果，(a-a2) I=140A；(b-b2) I=160A；(c-c2) I=180A
圖9 高倍掃描電子顯微鏡觀察圖像，(a-c) 不同電弧電流下電弧熔化區(qū)（AZ）圖像；(d-f) 不同電弧電流下重熔區(qū)（RZ）圖像；(h-j) 能量色散譜（EDS）映射結(jié)果
圖10 透射電子顯微鏡（TEM）觀察到的試樣顯微組織：(a-d) θ相的形貌及化學(xué)成分；(e) 界面放大圖；(f) α-Al與Al?Cu相界面的高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像，插圖為θ相的快速傅里葉變換（FFT）和選區(qū)電子衍射（SAD）圖譜
圖11 透射電子顯微鏡（TEM）觀察到的試樣顯微組織：(a-f) θ相的形貌及化學(xué)成分；(g-h) 對應(yīng)Al?Cu相界面高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像的逆快速傅里葉變換（IFFT）重構(gòu)圖
圖12 沉積薄壁件顯微組織的逆極圖（IPF）、晶粒直徑統(tǒng)計結(jié)果及極圖（PF），(a-a2) I=140A；(b-b2) I=160A；(c-c2) I=180A
圖13 不同電弧電流下電弧熔化區(qū)（AZ）和重熔區(qū)（RZ）的晶粒尺寸分布，(a) I=140A；(b) I=160A；(c) I=180A
圖14 低角度晶界（LAGBs）和高角度晶界（HAGBs）的分布情況，(a) I=140A；(b) I=160A；(c) I=180A；(d) 低角度晶界統(tǒng)計結(jié)果
圖15 沉積樣品的力學(xué)性能測試結(jié)果，(a) 顯微硬度分布；(b) 平均顯微硬度及其方差；(c) 拉伸性能
圖16 不同電弧電流下拉伸試樣的斷口形貌，(a,d) I=140A；(b,e) I=160A；(c,f) I=180A
圖17 電弧電流對電弧增材制造鋁合金的影響機(jī)理，(a1-a3) I=140A；(b1-b3) I=160A；(c1-c3) I=180A
論文總結(jié)
（1）研究結(jié)果表明，將電弧電流從140A提高至160A，不僅使沉積薄壁件的有效寬度系數(shù)從70.14%提升至75.45%，還通過將加工余量從3.44mm減少至2.58mm，使成形精度提高了25%。相反，在180A時，盡管寬高比進(jìn)一步增大，但孔隙率顯著上升至2.06%，導(dǎo)致薄壁件成形精度下降66%。
（2）增大電弧電流會改變?nèi)鄣芜^渡模式。140A時呈現(xiàn)大熔滴過渡特征，每兩個脈沖形成一個熔滴，電弧剛度差，過渡時間長，飛濺粗大；160A時轉(zhuǎn)變?yōu)閲娚溥^渡，每個脈沖形成一個熔滴，提高了電弧能量集中度和剛度，縮短了過渡時間，提升了沉積質(zhì)量。
（3）隨著電弧電流增大，熱輸入增加，導(dǎo)致電弧熔化區(qū)（AZ）晶粒尺寸增大，而重熔區(qū)（RZ）晶粒細(xì)化。較高的電流促進(jìn)晶粒細(xì)化、柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，并降低晶粒取向集中度，表明等軸晶形成能力增強。
（4）160A時，顯微硬度分布更均勻，抗拉強度和伸長率達(dá)到峰值，分別為282.18MPa和10.31%，較140A時分別提升5.23%和25.58%。180A時，盡管伸長率仍保持較高水平，但由于孔隙率增加，抗拉強度略有下降，凸顯了過大電流對力學(xué)性能的不利影響。
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