研究背景

铝合金ER4047送丝具备良好的熔体流动性、低热膨胀系数以及高耐腐蚀性与抗热裂性，能提升构件服役稳定性，适用于增材行业；6082Al合金基板化学成分与该送丝相近，可降低界面成分差异。振荡激光-电弧复合送丝增材制造（OLAHAM）能大幅提升制造效率与稳定沉积，显著改善组织与成形精度，优化熔池稳定性。

但是，铝合金导热率与热膨胀系数显著高于不锈钢，激光则可能导致熔滴偏移目标方向，导致沉积过程中容易产生热应力集中、裂纹、飞溅及气孔；另外铝合金的宽凝固范围进一步增加工艺控制难度。现有研究已普遍证实铝合金LAHAM的优势以及不锈钢OLAHAM的沉积效果，但铝合金的OLAHAM工艺稳定性与成形质量优化仍需进一步研究。

西南交大孟云飞副教授及团队在工程技术领域期刊International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology上发表了题为“Deposition Stability and Forming Characteristics in Laser-Arc Hybrid Additive Manufacturing of Aluminum Alloy Through Beam Oscillation”的研究成果。本文研究了使用激光-电弧混合送丝增材制造（LAHAM）结合激光光束振荡来提高铝合金薄壁的沉积稳定性和成形精度。研究人员比较了WAAM、LAHAM和300 Hz振荡LAHAM（OLAHAM）的性能。结果表明，OLAHAM优化了液滴传输，减少了气孔、晶粒尺寸和微硬度波动，并提高了延伸率，优于WAAM和LAHAM。激光振荡有助于减少液滴冲击的干扰，形成高速旋转涡流捕获液滴，提高了沉积稳定性和成形精度。

论文图片

图1. 实验装置示意图，(a) 电弧送丝增材制造（WAAM），(b)光束振荡激光-电弧复合送丝增材制造（OLAHAM）

图2. 高速摄像观测示意图，(a) 总体布置，(b) OLAHAM过程中的采集图像

图3. 沉积薄壁力学性能测试试样尺寸

图4. 沉积薄壁宏观形貌，(a) WAAM，(b) LAHAM，(c-e) OLAHAM，振荡频率 f 分别为 100、300 与 500 Hz

图5. 拉伸试样X射线无损检测结果，(a) WAAM，(b) LAHAM，(c-e) OLAHAM， f 分别为100、300与500Hz

图6. 沉积薄壁横截面形貌，(a) WAAM，(b) LAHAM，(c-e) OLAHAM，(f) 沉积薄壁成形精度

图7. WAAM熔池高速摄像帧图

图8. LAHAM熔池高速摄像帧图

图9. OLAHAM在f = 300 Hz 时的熔池高速摄像帧图

图10. OLAHAM典型沉积组织光学显微镜（OM）结果，(a) 全景，(b) 局部放大

图11. 不同工艺沉积组织OM结果，(a-c) WAAM，(d-f) LAHAM，(g-i) OLAHAM (f = 300Hz)

图12. 不同工艺沉积组织EDS面分布结果，(a-c) WAAM，(d-f) LAHAM，(g-i) OLAHAM (f = 300 Hz)

图13. 不同工艺沉积组织EBSD结果，(a,b) WAAM，(c,d) LAHAM，(e,f) OLAHAM (f = 300Hz)

图14. 三种工艺沉积薄壁力学性能，(a) 显微硬度分布，(b) 平均显微硬度及其方差，(c) 拉伸性能

图15. 沉积薄壁拉伸断口形貌，(a,b) WAAM，(c,d) LAHAM，(e,f) OLAHAM (f = 300 Hz)

图16. 激光光束振荡对沉积稳定性影响机制，(a,b) WAAM，(c,d) LAHAM，(e,f) 优化后的OLAHAM

关键结论

1. 本研究采用不同振荡频率（f）的振荡激光-电弧复合送丝增材制造（OLAHAM）技术制备铝合金薄壁，并将其成形质量与电弧送丝增材制造（WAAM）及激光-电弧复合送丝增材制造（LAHAM）的成形质量进行对比。结果表明，当振荡频率为300Hz时，OLAHAM不仅降低了薄壁的孔隙率，还将薄壁的有效宽度从78%提升至89%，同时将加工余量从1.97mm降至1.25mm。

2. 优化后的光束振荡有助于获得更细小的等轴晶粒，晶粒细化程度达24%。在三种增材制造工艺中，沉积薄壁的平均显微硬度与抗拉强度变化较小，但优化后的OLAHAM将显微硬度波动降低了61%，并将延伸率提升了54%。未来的研究可聚焦于成分优化，以进一步改善沉积构件的综合性能。

3. OLAHAM提升沉积稳定性的原因可归结为两方面：首先，激光振荡使熔滴转移模式得到改善，从WAAM中的排斥型转移、LAHAM中的排斥-球状混合转移，转变为更稳定的喷射型转移，且熔滴转移时间缩短了25%；其次，光束振荡不仅有助于减少熔滴冲击熔池所产生的波动，还能形成高速旋转的涡流，从而捕获落入熔池的熔滴。