与传统制造技术相比，金属增材制造 （AM） 具有制造周期更短、材料浪费率更低和制造灵活性更高的优点，因此引起了人们的广泛研究兴趣。金属增材制造技术因原料材料形式（粉末或线材）和热源类型（激光束、电子束或电弧）而异。在这方面，被归类为定向能量沉积 （DED） 的电弧送丝增材制造 （WAAM） 因其高沉积速率、高材料利用率和低成本而在金属增材制造技术中被应用广泛 。与粉末基增材制造相比，WAAM的原材料污染问题更少，并且不涉及基于激光的增材制造中的低能量吸收率或基于电子束的增材制造中的尺寸限制。因此，WAAM非常适合生产各种金属材料的中大型部件。目前，WAAM在汽车、航空航天和海洋领域具有广泛的应用前景，例如用于挖掘机臂、翼梁和船用螺旋桨等。

垂直位置的WAAM为悬垂结构的原位制造提供了巨大的潜力。然而，由于多层沉积导致WAAM具有严重的热量积累，垂直位置应用受到熔滴和驼峰缺陷的严重阻碍。西南交通大学，熊俊教授团队揭示了低碳钢墙立式WAAM中滴落和驼峰缺陷的形成机制。创建了垂直向下和垂直向上WAAM熔池的受力模型。提出了熔池面积和熔池尺寸比两个指标分别评价熔滴和驼峰发生的概率。此外，还探讨了送丝速度 (WFS)、行进速度 (TS) 以及 WFS 与 TS 的恒定比率如何影响熔池行为。在垂直向下沉积中，当熔池面积超过45mm⟡时，减小TS或增大WFS会增加出现熔滴缺陷的可能性。在垂直向上沉积中，当熔池尺寸比超过4.1时，增加TS或WFS会增加出现驼峰缺陷的可能性。保持 WFS/TS 恒定，随着 WFS 和相应 TS 的增加，驼峰和熔滴缺陷的概率也会增加。这项研究揭示了熔滴和驼峰现象背后的形成机制，并为垂直方向的 WAAM制造悬垂结构的实际应用奠定了坚实的基础。

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860424000952#sec0035

图 1.WAAM中各种沉积位置的示意图。（a） 平坦沉积。（b） 水平沉积。（c） 垂直沉积。（d） 架空沉积。

图 2.（a） 支撑结构。（b） 定位器 。（c） 钢桥的WAAM。

图 3.基于机器人CMT的增材制造系统。（a） 示意图。（b）实景。

图 4.在垂直向下沉积中提取熔池区域。（a） 稳态矩。（b） 稳态时刻的熔池区。（c） 跌落力矩。（d） 坠落时刻的熔池区。

图5. 垂直向上沉积熔池尺寸的定义:(a)稳态矩,(b)驼峰矩。

图 6.在垂直向下沉积中，单珠的工艺窗口和形成外观。

图 7.在垂直向上沉积中，单珠的工艺窗口和成型外观。

图 8.垂直沉积中熔池的力模型。（a） 垂直向下沉积。（b） 垂直向上沉积。

图 9.垂直向下沉积中B组中案例15的液滴演化行为和壁外观。（A-F）液滴演变的熔池图像。（g） 三层墙体外观。

图 10.C组案例30在垂直向下沉积中的驼峰演化行为和壁外观。（A-F）驼峰演化的熔池图像。（g） 三层墙体外观。

图 11.不同TS下垂直沉积中的熔池图像和壁外观。（a-e） A组案例1-5。（f-j） A组案例6-10。

图 12.测量的熔池几何形状与 TS 之间的关系。（a） 垂直向下沉积的熔池区。（b） 垂直沉积中的熔池长度、高度、宽度和尺寸比。

图 13.不同WFS下垂直沉积的熔池图像和壁外观。（a-e） A组案例11-15。（f-j） B组案例16-20。

图 14. 测得的熔池几何形状与 WFS 之间的关系。(a) 垂直向下沉积的熔池面积。(b) 垂直向上沉积时熔池的长度、高度、宽度和尺寸比。

图15. 不同WFS下的熔池图像和墙壁外观,R = 8. (a-e) A组的案例21-25。

图 16.测量的熔池几何形状与 WFS 之间的关系，R = 8。（a） 垂直向下沉积的熔池区。（b） 垂直沉积中的熔池长度、高度、宽度和尺寸比。

图 17.不同位置下沉积的三壁的微观结构。（a） 横截面，D组案例31。（b）横截面，D组案例32。（c）横截面，D组案例33。（d）底部区域，D组案例31。（e）中间区域，D组案例31。（f）顶部区域，D组案例31。（g）底部区域，D组案例32。（h） 中间区域， D组案例32。（i）顶部区域，D组案例32。（j）底部区域，D组案例33。（k）中间区域，D组案例33。（l）顶部区域，D组案例33。

图 18.50 层椭圆零件的垂直沉积工艺。

图 19.77层V形零件的垂直沉积工艺。

主要结论

本研究探讨了低碳钢墙体垂直WAAM熔滴和驼峰缺陷的形成机制。揭示并讨论了WFS和TS对熔池行为的影响。主要结论如下：

（1）提出了熔池面积和体积比两个指标，分别表征了熔滴和驼峰发生的概率。在低碳钢墙体的垂直向下沉积中，当熔池面积超过 45 mm⟡ 时，就会出现跌落缺陷。在低碳钢墙体的垂直向上沉积中，当熔池尺寸比超过4.1时，就会出现驼峰缺陷。

（2）创建了垂直上下WAAM熔池的受力模型。表面张力和浮力驱动液态金属向上流动以对抗重力。在垂直向下沉积中，马兰戈尼力驱动液态金属的向上流动。相反，它驱动垂直向上的沉积物向动。

（3）在液滴演化过程中，由于重力和持续的电弧加热，熔池体积增加。然后，在熔池头处发生膨胀，在熔池尾部出现气泡区。最后，熔融池水头从当前层迅速下降。在驼峰演化过程中，熔池逐渐增大，熔池尾部出现膨胀，熔池头出现气泡区。随后，在深气刨区和高膨胀区之间产生并迅速凝固的薄液体信道，防止膨胀的回填。最后肿胀凝固成驼峰。

（4）减小TS或增加WFS会增加熔滴缺陷的概率。增加 TS 或 WFS 将增加熔池尺寸比和驼峰缺陷的概率。保持 WFS/TS 常数时，驼峰和熔滴缺陷的概率随着 WFS 和相应 TS 的增加而增加。垂直向下沉积和垂直向上沉积的微观结构差异不大。本研究为应用垂直WAAM构建悬垂特征奠定了坚实的基础。