01 研究背景

由于其高材料沉积速率，电弧-DED被应用于制造大型零件。然而，由电弧-DED制造的零件的成形精度并不令人满意。考虑到制造尺寸和建成零件的成形·精度，激光-DED是金属快速原型制作的一项有前景的技术，与粉末激光DED相比，线激光DED可以显著降低制造成本，线原料的利用率接近100%。此外，线激光DED降低了金属粉末易燃易爆的风险，可以生产微米级的零件。因此，线激光DED在工业领域受到广泛关注。

近日，来自西南交通大学的陈辉与熊俊教授团队，在机械制造领域国际顶级期刊Journal of Materials Processing Tech.上发表了题为“Molten pool behaviors and forming characteristics in wire-laser directed energy deposition with beam oscillation”的研究成果，为了填补研究空白，讨论了不同的激光振荡模式如何影响薄壁部件的截面、材料利用率以及侧壁形态，专注于开发一种方法，以扩大可成形沉积层的尺寸范围，基于激光DED中的光束振荡技术，提高制造零件的成形质量，并最大化利用光束振荡的能力（这是首次报道的关于光束振荡线激光DED技术的研究）。该技术中，激光束以 8 字形或无限图案周期性振荡，以控制沉积层的成形质量和几何形状，新颖之处在于激光振荡模式、频率和振幅如何影响成形质量和沉积层尺寸，在薄壁零件的成形质量方面，与非振荡线激光 DED 进行了比较。这项研究证明了光束振荡线激光 DED 能够在不影响沉积效率的情况下控制沉积层尺寸并提高成形质量。该技术调节层尺寸和成形质量，提高了路径规划的灵活性和激光DED制造系统的适应性，调查了获得高质量沉积层的可行工艺窗口。通过分析熔池的动态行为和计算激光束的能量分布特性，解释了沉积层尺寸的演变和缺陷形成机制，为控制沉积层尺寸的光束振荡线激光DED提供了理论基础和基准工艺条件。

02 论文图片

图 1. 光束振荡线激光DED系统的示意图

图2. 不同激光振荡模式下的沉积层外观和能量密度分布。(a) 无振荡 (b) 8字形振荡 (c) 无限振荡

图 3. 在不同激光振荡模式下的沉积层外观和能量密度分布

(a) 非振荡 (b) 8字形振荡 (c) 无限振荡

图 4. 在不同激光振荡模式下的熔池图像 (a) 非振荡 (b) 8字形振荡 (c) 无限振荡

图 5. 在不同激光振荡模式下熔池内流体流动的示意图 (a) 非振荡 (b) 8字形振荡 (c) 无限振荡

图 6. 在不同激光振荡模式下熔池内流体流动的示意图 (a) 非振荡 (b) 8字形振荡 (c) 无限振荡

图 7. 在频率为2 Hz、振幅为6 mm的不同振荡模式下的熔池图像、激光能量分布和层外观

(a) 8字形振荡 (b) 无限振荡

图 8. 在频率为50 Hz、振幅为6 mm的不同振荡模式下的熔池图像、一个振荡周期内的激光能量分布和层外观

(a) 8字形振荡 (b) 无限振荡

图 9. 在振荡频率为10 Hz的不同激光振荡模式下沉积的单个焊珠的横截面 

(a) 层几何的示意图 (b) 非振荡 (c) 8字形振荡 (d) 无限振荡

图 10. 在振荡频率为10 Hz的不同振荡幅度下沉积的单个焊珠的几何形状 (a) 8字形振荡模式下的层宽和层高 (b) 无限振荡模式下的层宽和层高 (c) 层稀释率 (d) 层纵横比

图 11. 在不同光束振荡模式下，振荡激光在横截面上的能量密度分布 (a) 8字形振荡 (b) 无限振荡

图 12. 在不同光束振荡模式下，振荡激光在横截面上的能量密度分布 (a) 8字形振荡 (b) 无限振荡

图 13. 在不同激光振荡模式下制造的薄壁部件的中部截面

(a) 非振荡 (b) 无限振荡 (c) 8字形振荡 (d) 薄壁部件材料利用率的示意图 (e) 8字形振荡壁的侧壁形态和轮廓线

图 14. 在不同激光振荡模式下制造的薄壁部件中部区域的微观结构和硬度分布等值线 

(a) 和 (b) 非振荡 (c) 和 (d) 无限振荡 (e) 和 (f) 8字形振荡 (g) 微观结构和硬度分析区域的示意图

03 关键结论

本研究探讨了基于光束振荡线激光定向能量沉积（beam oscillating wire-laser DED）过程中熔池行为和成形特性，其中激光束根据8字形或无限模式进行振荡；详细讨论了光束振荡模式、频率和振幅对过程动力学的影响；揭示了光束振荡线激光定向能量沉积的过程可行性窗口。此外，还探索了光束振荡线激光定向能量沉积中的成形缺陷类型及其相应的生成机制。本研究的主要结论如下：

(1) 当振荡幅度超过3毫米时，8字形振荡激光可以通过推动熔池扩散来增加沉积层的宽度。然而，无限振荡激光通过促进熔池的收缩来减少沉积层的宽度。在稳定的沉积条件下，当振荡幅度从0增加到6毫米时，8字形振荡样品的长宽比从3.17增加到5.18，而无限振荡样品的长宽比则从3.17减少到2.04。

(2) 在光束振荡线激光定向能量沉积过程中的沉积层中出现了三种成形缺陷，包括波状外观、欠切和润湿不良。波状外观缺陷出现在低振荡频率和高振荡幅度的8字形和无限振荡样品中。当振荡频率和振幅都较高时，8字形振荡样品会出现欠切缺陷，而无限振荡样品会出现润湿不良缺陷。

(3) 熔池的动态行为被用来详细解释成形缺陷的形成过程。熔池轮廓的周期性变化是产生波状外观缺陷的主要原因。当振荡频率和振幅增加时，激光能量密度显著降低，激光束无法促进熔池的扩散，导致欠切和润湿不良缺陷的产生。

(4) 与非振荡线激光定向能量沉积（wire-laser DED）相比，光束振荡线激光定向能量沉积中沉积壁的表面质量和结构密度有显著提高。此外，8字形振荡壁的材料利用率比非振荡壁高出22.2%。而且，振荡激光可以有效减少光束振荡线激光定向能量沉积中沉积壁的孔隙率。无论是非振荡还是光束振荡壁，都没有观察到显著的微观结构差异，光束振荡线激光DED沉积的壁面由于晶粒更细，硬度略高。

04 论文引用

Yuhua Cai , Yuxing Wang , Hui Chen , Jun Xiong. Molten pool behaviors and forming characteristics in wire-laser directed energy deposition with beam oscillation: Journal of Materials Processing Tech. 326 (2024) 118326

DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2024.118326