导读

采用振荡激光进行高强度铝合金线弧增材制造，以解决成型精度低和性能不佳的问题。主要研究了激光功率对沉积薄壁的成型精度、显微组织和力学性能的影响。结果表明，将激光功率从1.5 kW提高到2.5 kW，改善了侧壁的平整度，消除了诸如凸起、高度不均和溢出等成型缺陷。孔隙率从2.42 %降低至1.79 %，成型精度提高了38 %。此外，沉积显微组织的平均晶粒尺寸从48.55μm减少到41.67 μm，减少了14 %。由于这些改进，沉积薄壁的极限抗拉强度和伸长率分别提高了10.1 %和20.2 %。优化的激光振荡促进了熔池中气泡的快速逸出，并形成了搅拌效应，将柱状晶粒转化为细小的等轴晶粒，从而提高了沉积件的力学性能。

主要图表

图1.实验装置示意图，(a)振荡激光电弧混合增材制造，(b)振荡轨迹，其中D为振荡直径

图2.沉积薄壁件力学性能试验尺寸

图3.激光功率(P)对沉积薄壁宏观形貌和X射线NDT的影响，（a，a1）P = 1.5 kW，（b，b1）P = 2.0 kW，（c，c1）P = 2.5 kW，（d，d1）P = 3.0 kW。

图4.在不同激光功率下获得的沉积薄壁的横截面形貌，(a) P = 1.5 kW，(b) P = 2.0 kW，(c) P = 2.5 kW，(d) P = 3.0 kW (e，f）沉积薄壁的形成精度。

图5.典型沉积微观结构的低倍光学显微镜结果，(a)不同微观结构区域示意图，（b-e）不同激光功率下的观察结果。

图6.不同激光功率下典型沉积微观结构的高倍率光学显微镜结果，（a1-a3）P = 1.5 kW，（b1-b3）P = 2.0 kW，（c1-c3）P = 2.5 kW，（d1-d3）P = 3.0 kW。

图7.不同激光功率下沉积薄壁再熔化区域的SEM图像，(a) P = 1.5 kW，(b) P = 2.0 kW，(c) P = 2.5 kW，(d) Al元素表面扫描，(e) Cu元素表面扫描结果，(f) P = 3.0 kW。

图8.不同激光功率下，原位显微组织的EBSD测试结果，(a) P = 1.5 kW，(b) P = 2.0 kW，(c) P = 2.5 kW，(d) P = 3.0 kW。

图9.激光功率对平均晶粒尺寸的影响，(a) P = 1.5 kW，(b) P = 2.0 kW，(c) P = 2.5 kW，(d) P = 3.0 kW

图10.在不同激光功率下获得的沉积薄壁的拉伸性能，其中UTS是极限抗拉强度。

图11.不同激光功率下沉积薄壁的拉伸断裂，（a，b）P = 1.5 kW，（c，d）P = 2.0 kW，（e，f）P = 2.5 kW，（g，h）P = 3.0 kW

图12激光功率对铝合金激光电弧混合增材制造影响机制。

主要结论

(1)将激光功率从1.5 kW提高到2.5 kW，使沉积薄壁的二次加工余量从3.7 mm减少到2.3 mm，形成了精度提高了38 %。此外，孔隙率从2.42 %降低到1.79 %。然而，进一步将激光功率增加到3.0 kW，导致侧壁均匀性变差，薄壁的孔隙率增加至3.97 %。

(2)层间显微组织呈现上部粗柱状和下部细等轴晶粒。随着激光功率从1.5 kW增加到2.5 kW，沉积物的平均晶粒尺寸减少了14 %，从48.55μm降至41.67 μm。沉积薄壁的极限抗拉强度和伸长率分别提高了10.1 %和20.2 %。而当激光功率增加到3.0 kW时，极限抗拉强度和伸长率分别下降了7%和44 %。

(3)在最佳激光功率下，混合增材制造减少了上部和下部熔池形态的差异。这防止了上部−部件的热积累，并有助于下部−部件气泡的逸出。激光振荡有效地搅拌了熔池，捕捉气泡，细化沉积微观结构，并增强沉积物的机械性能。

主要信息

Effect of laser power on microstructure and mechanical properties of oscillating laser-arc hybrid additive manufactured high-strength aluminum alloy

https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2025.112800