电弧增材制造ER70S-308L复合钢的线切割加工表面完整性及切缝特性：基于田口方法的参数优化研究

为解决电弧增材制造(WAAM)构件表面不规则导致的加工精度难题，研究人员采用田口实验设计法系统研究了ER70S-308L复合钢在线切割加工(WEDM)中的材料去除率(MRR)、切缝宽度(KW)和锥度(KT)。研究发现脉冲导通时间(Ton)对MRR影响最大(贡献率34.13%)，而电流主导KT形成(贡献率87.54%)，通过多响应优化获得最佳参数组合(I=5A, Ton=10μs, Toff=20μs, Ws=5.5m/s)，为航空航天等领域WAAM构件的精密后处理提供关键技术支撑。

　　

在金属增材制造技术蓬勃发展的今天，电弧增材制造(Wire-Arc Additive Manufacturing, WAAM)因其在大尺寸构件低成本快速成型方面的优势，正在航空航天、能源装备等领域获得广泛应用。然而，WAAM构件表面存在的波浪纹、残余应力等缺陷，使得后续精密加工成为确保产品性能的关键环节。特别是对于ER70S-308L这类通过双丝同步沉积形成的复合钢材料，其非均匀的微观结构更给传统机械加工带来巨大挑战。线切割加工(Wire Electric Discharge Machining, WEDM)凭借其非接触、与材料硬度无关的特性，成为解决这一难题的潜在方案，但针对WAAM复合钢的WEDM加工参数优化研究仍属空白。

为填补这一研究空白，来自印度Manipal理工学院的研究团队在《Results in Surfaces and Interfaces》发表了创新性研究成果。研究采用田口实验设计法，系统考察了电流(I)、脉冲导通时间(T_on)、脉冲关断时间(T_off)和走丝速度(W_s)四个关键参数对加工性能的影响。通过L₉正交阵列实验设计，结合扫描电镜(SEM)表面形貌分析，揭示了WAAM复合钢在WEDM加工中的独特行为规律。

在材料制备方面，研究团队创新性地采用双枪GMAW系统同步沉积ER70S-6碳钢和308L不锈钢焊丝，通过精确控制焊接电流(ER70S:110A，308L:100A)实现50:50的合金配比。WEDM实验使用0.18mm钼丝和去离子水介质，通过称重法测量材料去除率(MRR)，光学显微镜测量上下切缝宽度，并建立锥度(KT)计算模型。

3.1. 工艺参数对MRR的影响

研究发现电流从4A增至6A可使MRR提升82.3%，其中T_on的贡献率最高(34.13%)。当T_on=30μs时，延长的火花持续时间显著提升能量传输效率，这与Mohankumar等在钛合金EDM中的发现一致。走丝速度从5.5m/s增至11m/s使MRR提高75.8%，表明新鲜电极表面的持续供应对维持稳定放电至关重要。

3.2. 工艺参数对切缝宽度的影响

上切缝宽度主要受T_on控制(贡献率47%)，在30μs时达到最大值0.2405mm。而下切缝宽度则几乎完全由电流主导(贡献率91.99%)，在6A时出现94.3%的骤增，反映高能量导致的等离子体通道过度扩张。这种上下切缝的差异化响应揭示了WAAM材料在厚度方向上的非均匀去除机制。

3.3. 工艺参数对切缝锥度的影响

电流对锥度(KT)的影响占87.54%，6A时锥度接近0°，表明高能量输入可实现近垂直切割。但SEM分析显示，这种高能量条件同时导致6-10μm的微裂纹和2-4μm的火山口，提示需要在加工效率与表面质量间取得平衡。

3.5. 多响应优化结果

通过满意度函数法(DFA)获得的最优参数组合(I=5A, T_on=10μs, T_off=20μs, W_s=5.5m/s)实现了0.8518的综合满意度指数，较基准参数提升MRR达65%，同时将KT控制在0.2885°。建立的回归模型预测精度优异，MRR模型R²达99.15%。

该研究的创新价值在于首次系统揭示了WAAM复合钢在WEDM加工中的界面行为规律，为航空航天大型构件的"增材制造-精密加工"一体化工艺开发提供了关键技术支撑。特别是提出的多目标优化策略，有效解决了高材料去除率与低热损伤之间的矛盾，对推动混合制造(hybrid manufacturing)技术的发展具有重要意义。未来研究可进一步探索不同构建方向对加工性能的影响，并开发针对WAAM材料的专用WEDM工艺数据库。