导读：去年，弗劳恩霍夫激光技术研究所开发了一种将电弧增材制造和激光沉积融合在一起的混合金属3D打印技术，这种被称为COLLAR Hybrid的工艺能够提高焊接速度、获得更优的表面质量并推动电弧金属3D打印的应用。3D打印技术参考注意到，哈工大团队采用同样的工艺取得了研究进展。

线材和电弧增材制造 (WAAM) 是一种基于线材的增材制造方法，使用电弧（如惰性气体保护焊、钨极惰性气体保护焊和等离子弧焊）作为热源。近年来，随着技术成熟度的提高和产业发展的需求，电弧增材制造以其对设备要求低、运行成本低、沉积速率高（可达9kg/h）和相当的机械性能等综合优势越来越受到关注。

在焊接领域，激光的引入对稳定电弧行为和提高工艺稳定性的有益作用已得到广泛认可。去年，弗劳恩霍夫激光技术研究所开发了一种将电弧增材制造和激光沉积融合在一起的混合金属3D打印技术，这种被称为COLLAR Hybrid的工艺能够提高焊接速度、获得更优的表面质量并推动电弧金属3D打印的应用。近日，笔者注意到哈工大陈彦宾教授课题组开发了一种基于线材的激光-电弧混合增材制造 (LHAM) 工艺，并将其用于制造Al-Mg-Sc合金薄壁。

激光辅助电弧增材制造

需要注意的是，当前铝合金电弧增材制造正在加速得到应用。含钪元素的铝合金（Al-Sc合金）因其在强度、焊接性和耐蚀性方面优于传统铝合金而备受关注。由于Al3Sc颗粒和基体之间的晶格失配差异很小，因此在铝合金中添加少量Sc可以显著细化组织，从而提高力学性能。然而，由于Sc的价格昂贵，Al-Sc合金的应用在过去一直受到限制。对于传统的减材制造（如车削、钻孔、镗削、铣削、铰削），大量材料在加工过程中被丢弃，这对于昂贵的Al-Sc合金来说是无法接受的。3D打印为制造该合金提供了一种有效的解决方式，不仅可以节省材料，避免浪费，还可以制造更为复杂的结构。而采用电弧增材制造，则为大型铝合金的制造带来了可能。

Al-Mg-Sc 合金的 LHAM 实验装置

对于铝合金的激光-电弧复合焊，电弧形成的熔池降低了铝合金对激光的反射率，激光诱导等离子体具有压缩、引导和钉扎电弧的作用。激光和电弧这两种不同性质的热源的协同作用，可以使焊接过程更加稳定，优化焊缝形貌。据此，一些学者探讨了激光-电弧混合增材制造提高铝合金表面质量的可行性。同时，激光的加入可以促进熔池的流动，有利于细化晶粒和强化性能。因此，LHAM将是制造铝合金薄壁的一种有前途的方法，特别是对于昂贵的Al-Sc合金，这需要可接受的材料利用率以及可观的沉积速率。

沉积薄壁的表面形貌（最左侧采用了混合热源）

具有不同化学成分的各种铝合金，包括包括Al-Cu、Al–Mg和Al–Si合金都能够通过电弧增材制造技术制备，基于冷金属转移，该工艺具有热输入低、材料飞溅少、可操作性好等技术优势。而铝的电弧增材制造由于高热量输入容易导致出现粗大晶粒，机械性能低于预期。此外由于阶梯效应，元件表面会出现波动，当施加低电流时，这种现象通常会变得更加明显。为提高表面质量并改变微观结构和机械性能，通常会采用控制热输入和层间温度以及额外的铣削等方法来实现。然而它们的作用是有限的。因此，需要一种更稳定的高沉积速率线材增材制造工艺来构建结构合理、性能优越的铝合金薄壁部件。

研究人员系统研究了激光+电弧混合工艺制造Al-Mg-Sc合金的宏观形态、微观结构特征和机械性能。由于激光对电弧行为的稳定作用，沉积零件的的表面质量得到显著改善。在相同的热输入条件下，混合热源制备的沉积物显示出细化和均匀的微观结构。显微硬度结果表明，由于微观结构均匀且镁的烧损较少，混合热源制备的样品具有更高且更稳定的显微硬度分布，同时所制备的零件的各向异性更小。

沉积薄壁的横截面形态（最左侧采用了混合热源）

每层沉积物的宽度，混合热源熔池最为均匀

不同工艺沉积零件的拉伸特性

总的来说，本研究对比了在相同电弧电流和相同热输入以及电弧、激光双热源条件下沉积样品的表面形貌、微观结构和力学性能，展示了双热源工艺的有益效果，并为线材3D打印Al-Mg-Sc合金的微观结构和机械性能提供基础研究。同时，本研究也证明了国内在激光辅助电弧增材制造研究和应用方面处于国际同等水平。

文章：https://doi.org/10.1016/j.tws.2023.110674

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