綜述：電弧增材制造過(guò)程中熱輸入與均勻溫度分布的影響

來(lái)源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

加拿大薩斯卡徹溫大學(xué)、尼日利亞聯(lián)邦理工大學(xué)、英國(guó)鄧迪大學(xué)、格倫航空（英國(guó)）有限公司的科研人員報(bào)道了電弧增材制造過(guò)程中熱輸入與均勻溫度分布的影響研究進(jìn)展。相關(guān)論文以“Influence of heat input and uniform temperature distribution during wire arc additive manufacturing process: a critical review”為題發(fā)表在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上。

熱輸入與均勻溫度分布對(duì)電弧增材制造（WAAM）構(gòu)件表面質(zhì)量的影響至關(guān)重要，直接關(guān)系到無(wú)缺陷產(chǎn)品的成型。然而在多數(shù)WAAM工藝中，熱輸入會(huì)顯著影響熔池逐層沉積行為，若控制不當(dāng)則可能誘發(fā)缺陷。本文系統(tǒng)批判性綜述了熱輸入、溫度均勻分布、層間溫度及熱輸入?yún)��?shù)對(duì)WAAM構(gòu)件微觀組織與力學(xué)性能的影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)：送絲速度與焊槍移動(dòng)速度是調(diào)控WAAM熱輸入的關(guān)鍵參數(shù)。研究表明，采用低熱輸入的優(yōu)化參數(shù)可獲得更細(xì)小均勻的微觀形貌，從而顯著提升構(gòu)件力學(xué)性能。為滿(mǎn)足工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω哔|(zhì)量金屬構(gòu)件的需求，必須建立基于實(shí)證的WAAM工藝認(rèn)知框架，確保工藝設(shè)計(jì)前進(jìn)行充分規(guī)劃——此為本研究的主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)。

圖1(a)WAAM工藝導(dǎo)致的零件變形；(b) WAAM過(guò)程中的駝峰效應(yīng)

圖2 WAAM過(guò)程中發(fā)生在焊絲、熔池、電弧及基板上的流體運(yùn)動(dòng)與傳熱過(guò)程

圖3用于監(jiān)測(cè)WAAM過(guò)程熱傳導(dǎo)效應(yīng)的熱電偶布置方案

圖4不同熱輸入條件下WAAM試樣的微觀組織表現(xiàn)：(a)焊接電流125A，(b)147A，(c)132A，(d)142A，(e)152A

圖5 WAAM系統(tǒng)紅外加熱裝置實(shí)驗(yàn)布置

圖6用于獲取增材制造過(guò)程物理特征的物理信息機(jī)器學(xué)習(xí)（PIML）概念

WAAM工藝中最突出的挑戰(zhàn)是熱累積現(xiàn)象，其根源在于工件吸收的熱量無(wú)法有效耗散至環(huán)境中。這種熱累積會(huì)引發(fā)多重質(zhì)量問(wèn)題：金屬沉積缺陷、幾何精度偏差、表面質(zhì)量缺陷、微觀組織演變異常及力學(xué)性能下降。研究表明，WAAM系統(tǒng)中過(guò)高的能量輸入會(huì)導(dǎo)致破壞性熱累積，而不均勻的熱輸入條件更會(huì)誘發(fā)殘余應(yīng)力變形、尺寸精度失控等潛在缺陷。

為控制WAAM缺陷，必須嚴(yán)格監(jiān)控并優(yōu)化熱輸入與溫度分布以消除沉積過(guò)程中的缺陷源。實(shí)現(xiàn)溫度均勻分布是確保熔融效率穩(wěn)定性、微觀組織可控性及最終構(gòu)件表面質(zhì)量的關(guān)鍵。鑒于WAAM技術(shù)具備高沉積速率和無(wú)限構(gòu)建尺寸的優(yōu)勢(shì)，如何通過(guò)該工藝制備高質(zhì)量金屬構(gòu)件已成為學(xué)界研究熱點(diǎn)。

本批判性綜述深入探討了以下核心問(wèn)題：WAAM構(gòu)件成型中的熱輸入優(yōu)化、工藝參數(shù)對(duì)熱輸入的影響機(jī)制、非均勻溫度分布的危害，以及機(jī)器學(xué)習(xí)與仿真技術(shù)在強(qiáng)化WAAM傳熱過(guò)程中的應(yīng)用。研究表明，熱輸入與溫度均勻分布對(duì)開(kāi)發(fā)工業(yè)級(jí)WAAM金屬構(gòu)件具有決定性作用。本文主要研究發(fā)現(xiàn)如下：

i.在低熱輸入（LHI）條件下，送絲速度（WFS）、焊槍速度（TS）與焊接電流（WC）會(huì)促進(jìn)內(nèi)層柱狀晶生長(zhǎng)，而層間區(qū)域則形成等軸晶；

ii.隨著熱輸入增加，晶粒尺寸、二次枝晶臂間距（SDAS）及微觀夾雜物會(huì)顯著增大；

iii.熱輸入升高會(huì)導(dǎo)致試樣冷卻速率降低，從而加劇晶粒粗化；

iv.采用低熱輸入配合常規(guī)焊接參數(shù)可細(xì)化微觀組織、降低應(yīng)力、提升沉積速率并確保幾何精度；

v.智能掃描路徑優(yōu)化算法能促進(jìn)溫度均勻分布，有效降低殘余應(yīng)力與變形；

vi.傳熱與流體動(dòng)力學(xué)模型可優(yōu)化工藝變量，提升打印結(jié)構(gòu)質(zhì)量并減少構(gòu)件失效；

vii.送絲速度/焊槍速度比（WFS/TS）是調(diào)控WAAM熱輸入的核心參數(shù)；

viii.沖擊氣冷技術(shù)能有效抑制金屬沉積過(guò)程中的熱累積；

ix.紅外加熱系統(tǒng)的應(yīng)用有助于獲得均勻幾何形狀、細(xì)化內(nèi)部組織并增強(qiáng)力學(xué)性能。

未來(lái)研究方向建議：首先，需深入探究冷金屬過(guò)渡（CMT）焊接技術(shù)中控制缺陷并提升組織性能的多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化機(jī)制；其次，WAAM過(guò)程溫度分布變異根源及其對(duì)構(gòu)件的影響機(jī)理有待進(jìn)一步闡明；第三，應(yīng)加強(qiáng)機(jī)器學(xué)習(xí)在材料內(nèi)部缺陷預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究。此類(lèi)研究將有助于揭示W(wǎng)AAM系統(tǒng)缺陷形成的根本原因及影響因素。


論文鏈接：
Omiyale, B.O., Ogedengbe, I.I., Ogbeyemi, A.et al. Influence of heat input and uniform temperature distribution during wire arc additive manufacturing process: a critical review. Int J Adv Manuf Technol (2025). https://doi.org/10.1007/s00170-025-15690-w