《Optics & Laser Technology》：Low-power laser-CMT + P hybrid additive manufacturing of 316L stainless steel: spatial multi-angle heat source coupling and forming mechanism
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摘要
为了解决混合热源空间方向灵活性不足和耦合效率低的关键问题，这些问题导致大规模组件的成形稳定性较差，本文提出了一种基于低功率脉冲激光-冷金属转移加脉冲（CMT + P）空间多角度灵活复合热源的新颖增材制造工艺。通过灵活调节激光束与CMT + P电弧的空间方向关系，实现了两
摘要
为了解决混合热源空间方向灵活性不足和耦合效率低的关键问题，这些问题导致大规模组件的成形稳定性较差，本文提出了一种基于低功率脉冲激光-冷金属转移加脉冲（CMT + P）空间多角度灵活复合热源的新颖增材制造工艺。通过灵活调节激光束与CMT + P电弧的空间方向关系，实现了两者之间的最佳耦合。实验结果表明，激光感应使电弧呈现出对称的钟形轮廓，增强了电弧的刚性，并确保了“一脉冲、一滴液滴”的稳定脱附模式，同时减少了电流波动。通过调节激光入射角度，可以对成形质量和沉积效率进行差分控制。研究发现，有效的工艺角度为25°、35°、45°、50°和55°；特别是当入射角为35°时，表面粗糙度相比CMT + P基线降低了16.44%；在20°时材料利用率和沉积效率分别提高了21.25%，在55°时提高了6.58%。此外，激光辅助改变了熔池动力学和热条件，从而细化了微观结构，提高了机械均匀性，平均显微硬度比CMT + P提高了15.29%。采用自动往复扫描路径显著减少了机械各向异性，将0.2%的YS差异降至4 MPa，并将UTS和YS分别提高了10.89%和23.84%。成功制造出一个大型环形组件（高度330毫米，直径Φ458毫米），证明了该方法在高速增材制造（WAAM）高性能不锈钢方面的高效性和工程应用性。
引言
在高端机械制造领域，包括核能、汽车、化工和航空航天设备，业界对增材制造（AM）技术提出了更高和更严格的要求[1]、[2]。线弧增材制造（WAAM）对高端设备的生产效率、成形质量和服务安全性有着重要影响[3]，因此业界迫切需要其高效发展。鉴于此，创新、低消耗、高效率的增材制造技术的研发已成为不可避免的趋势[4]。
316L奥氏体不锈钢因其优异的耐腐蚀性、可靠的机械性能、良好的室温韧性和较低的全生命周期成本而在许多工业应用中得到广泛应用[5]。目前，直接制造大型金属组件的关键技术之一是WAAM。然而，传统的WAAM技术面临多个严重挑战。一方面，由于电弧热量输入较大且集中，导致生产效率低下和组件成形质量差[6]。尽管现有的改进技术（如多丝沉积[7]）可以在一定程度上提高沉积效率，但大规模组件的高热量输入和整体成形质量问题仍未得到解决。另一方面，传统的电弧焊接方法能量密度低且工艺稳定性差，容易导致生产效率低下和焊接质量不稳[8]。
尽管如此，大多数现有的激光-电弧混合增材制造系统都是基于固定位置耦合配置和高功率激光源[9]。在复杂的沉积路径和可变的空间方向下，这些系统常常存在空间适应性有限、耦合条件不稳定以及操作复杂性增加的问题，这限制了它们在大型和复杂结构制造中的应用。
激光-电弧混合灵活热源[10]可以通过双重热源的协同优势有效弥补单一热源技术的不足。其中，激光对于提高电弧刚性、压缩电弧柱和稳定电弧至关重要。然而，大多数相关研究集中在高功率激光混合方案[11]、[12]上，这些方案通常存在能耗高、设备成本高以及操作和维护程序复杂的问题。在处理复杂空间轨迹的沉积时（如姿态多变和多角度方向），这些方案缺乏灵活调节能力，因为工艺对姿态的适应性差，限制了激光-电弧混合技术在复杂空间结构零件制造中的应用。
近年来，一种名为激光-CMT电弧混合的独特增材制造方法得到了发展[13]。该方法利用激光增加能量密度和CMT降低热量输入及减少飞溅的优点，在增材领域展现了巨大的应用潜力。其中，CMT技术[14]凭借其超低热量输入的核心优势，可以有效减少增材过程中的额外热量输入和沉积组件的熔融缺陷。通过将CMT电弧作为主要热源，利用低功率脉冲激光获得辅助感应和增强效果，这种低功率脉冲激光与CMT电弧的混合技术结合了激光的高能量密度。此外，脉冲激光可以在熔池中产生搅动效应[15]，进一步改善组件的机械性能和成形质量，满足稳定和高效增材制造的需求。
为突破现有技术的瓶颈，本研究提出了一种基于低功率脉冲L-CMT + P空间多角度灵活混合热源的高效焊接和增材制造方法。该方法的核心在于利用CMT + P的低热量输入优势，通过灵活动态调节低功率脉冲激光与典型CMT + P电弧之间的空间耦合方向关系，解决了现有技术中热源调节灵活性不足和成形稳定性差的问题。该方法大大提高了焊缝和沉积组件的成形质量及机械性能，促进了该技术的工业应用，并满足了高端设备制造的严格要求。
章节摘要
材料
本研究中使用Q235低碳结构钢作为基底，制备了不同形态的组件。单层多层试样的尺寸为300毫米×300毫米×16毫米。作为填充金属使用了直径为1.2毫米的CHM-316LR奥氏体不锈钢焊丝。基材的机械性能和焊丝的化学成分分别列在表2.1和表2.2中。
激光-焊丝入射角对宏观形态和均匀性的影响
如图5和图6所示，在不同电流参数下，单层焊缝的成形质量存在显著差异。总体而言，随着焊接电流的增加，焊接热量输入也随之增加，使得焊缝成形更加平滑，焊缝宽度增加[16]。这是因为较高的热量输入在恒定焊接速度下加快了焊丝的熔化速度，从而促进了熔池的充分流动和蔓延。
应用验证
使用自主研发的大规模增材制造平台（图1）验证了所获得的工艺参数的通用性，通过机器人编程实现了整个过程的自动化。通过3D PP AM切片软件（图21(a)）进行了路径模拟，机器人执行程序后，成功制造出了一个外径为458毫米、壁厚为67毫米、高度为330毫米的大型组件。
结论
本研究开发了一种新型的低功率脉冲激光-CMT + P空间多角度灵活混合热源工艺，以提高316L不锈钢激光-电弧混合增材制造的空间适应性和工艺稳定性。总体而言，这项工作为低功率激光辅助CMT混合WAAM工艺优化提供了有益的见解，并有助于提高大规模金属增材制造中混合热源的空间适应性。
作者贡献声明
杨彪：撰写——初稿、验证、方法论、数据分析。刘 Liming：撰写——审阅与编辑、资金获取、概念构思。
资助
本研究得到了中国国家重点研发计划[编号2022YFB4600900]、[span id="gp005"]中央高校基本科研业务费[ [DUTZD25106[]以及大连市科技创新人才支持计划——高水平人才团队（引领人才团队）项目[编号2024RG006]的支持。
声明
同意参与：作者声明均同意参与此项研究。
同意发表：作者声明均同意发表该手稿。
伦理批准：本文遵循出版伦理委员会（COPE）的指导原则。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
杨彪 | 刘 Liming
