铝合金激光送丝增材制造中随动送丝策略对成形质量的影响机制研究

针对铝合金激光送丝增材制造（LWAM）中送丝方向性差、轨迹成形控制难的问题，研究人员通过耦合横向随动送丝与激光头的协同控制，系统探究了送丝角度（40°最优）、振荡模式（圆形振荡，振幅1.5 mm，频率50 Hz）对熔池流动及沉积层性能的影响。结果表明，随动送丝策略使框架轨迹层高/层宽波动分别降低50%/81%，显著提升复杂几何轨迹的成形均匀性，为航空航天等领域高精度零件制造提供理论支撑。

　　

论文解读

铝合金因其轻量化、耐腐蚀等特性，在航空航天和汽车制造领域备受青睐。然而，传统激光送丝增材制造（Laser Wire Additive Manufacturing, LWAM）面临两大难题：一是送丝方向性差导致熔池金属流动不稳定，二是复杂轨迹成形尺寸波动大。例如，框架和S形轨迹的层间沉积高度差异可达毫米级，严重影响零件力学性能。更棘手的是，铝的高反射率易造成激光能量损失，而熔池热积累（如拐角处温度高达295.7℃）会加剧晶粒粗化。如何通过精准控制送丝策略优化成形质量，成为突破技术瓶颈的关键。

河北某高校团队在《Optics》发表的研究中，创新性地提出横向轴随动送丝控制策略。通过高速摄像机实时捕捉熔池动态，结合多参数调控实验，揭示了送丝角度（40°时熔宽/熔深最优）、振荡模式（圆形振荡振幅1.5 mm、频率50 Hz）与沉积层性能的关联机制。研究发现，前向送丝比侧向或后向送丝更利于激光能量集中，使沉积层抗拉强度达213.76 MPa；而往复沉积策略可将单向沉积的局部缺陷改善81%。

关键技术方法

研究采用ER5356铝丝（直径1.2 mm）与5052铝合金基板，通过高速摄像记录熔池流动，结合温度场模拟分析热分布。实验设计涵盖三种送丝角度（45°/90°/135°）、两种振荡轨迹（8字形/无限形），并对比了单向与往复沉积的层间晶体结构。

研究结果

1. 送丝角度对熔池流动的影响
高速摄像显示，增大送丝角度至40°可提升激光能量吸收率，但超过该值会导致熔池过渡不稳定。侧向送丝易使沉积层偏斜，而前向送丝成形效果最佳，熔宽与基体结合区呈现均匀柱状晶。

2. 振荡参数优化
圆形振荡使材料利用率提升22.2%，熔池流速降至0.187 m/s。无限形振荡虽能细化晶粒，但复杂流动导致成形波动增大。

3. 随动送丝控制效果
框架轨迹层高波动从1.0 mm降至0.5 mm，S形轨迹宽度均匀性提高60%。热模拟显示，随动送丝使拐角热积累减少50%，抑制了晶界处孔隙生成。

结论与意义

该研究首次证实横向轴随动送丝策略可显著改善LWAM层间沉积质量，尤其适用于复杂轨迹（如框架/S形）的高精度成形。通过优化送丝角度与振荡参数，沉积层屈服强度（156.78 MPa）接近基材水平，且晶粒尺寸均匀性提升。这一成果为航空航天大型异形构件制造提供了新思路，其控制方法亦可拓展至钛合金等难加工材料领域。