摘要：激光增材制造（LAM）技术因其优异的复杂构件成形能力、短生产周期和无模具需求等优势，在航空航天、汽车和医疗器械等领域得到广泛应用。该技术涉及多物理场耦合的熔池动态行为，而实验监测方法难以精确获得其变化特征，因此数值模拟成为研究关键。研究表明，马兰戈尼力通过形成
01
研究背景
激光增材制造（LAM）技术因其优异的复杂构件成形能力、短生产周期和无模具需求等优势，在航空航天、汽车和医疗器械等领域得到广泛应用。该技术涉及多物理场耦合的熔池动态行为，而实验监测方法难以精确获得其变化特征，因此数值模拟成为研究关键。研究表明，马兰戈尼力通过形成涡流显著影响熔池形貌和成分混合，而工艺参数（如送丝速度、扫描路径）会改变熔池温度梯度并影响沉积层质量。此前实验发现，在激光送丝增材制造（WLAM）中，工艺条件不同时，焊丝熔融金属的转移行为和沉积层的成形质量差异显著。与激光功率、扫描速度等工艺参数相比，送丝角度对 WLAM 中能量吸收和熔液转移行为的影响更为复杂，且相关影响机制的数值模拟研究较少。
近日，中南大学在工程技术领域期刊International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology上发表了题为"Analysis for Influence of Wire Feeding Angle on Laser Energy Absorption and Deposited Layer Forming Behaviors During Wire Laser Additive Manufacturing"的研究成果。为了分析不同送丝角度下激光送丝增材制造（WLAM）中沉积层的形成行为，本文建立了一个三维数值模型，并通过实验结果验证了该模型用于计算熔融金属的沉积过程。
02
论文图片
图1 WLAM工艺示意图
图2 实验和模拟得到的沉积层截面形貌
图3 沉积层形成过程：(a) t0；(b) t0 + 3 ms；(c) t0 + 11 ms；(d) t0 + 13 ms；(e) t0 + 16 ms；(f) t0 + 25 ms；(g) t0 + 27 ms；(h) t0 + 39 ms；(i) t0 + 41 ms
图4 基板表面的激光功率密度分布
图5 不同送丝角度下焊丝获得的激光功率密度分布：(a) 40°；(b) 45°；(c) 50°
图6 不同送丝角度下熔滴表面的温度分布：(a) 40°；(b) 45°；(c) 50°
图7 送丝角度40°时混合熔池的表面温度场 / 混合熔池纵截面的温度场：(a) t0 + 24.8 ms；(b) t0 + 27.4 ms；(c) t0 + 29.0 ms；(d) t0 + 29.6 ms
图8 送丝角度45°时混合熔池的表面温度场 / 混合熔池纵截面的温度场：(a) t0 + 26.0 ms；(b) t0 + 28.6 ms；(c) t0 + 30.0 ms；(d) t0 + 31.8 ms
图9 送丝角度50°时混合熔池的表面温度场 / 混合熔池纵截面的温度场：(a) t0 + 22.4 ms；(b) t0 + 25.2 ms；(c) t0 + 27.4 ms；(d) t0 + 31.6 ms
图10 混合熔池和沉积层表面纵向中心线上的温度分布曲线：(a) 第二阶段；(b) 第三阶段；(c) 第四阶段
图11 不同送丝角度下混合熔池的高度、宽度和转移周期长度
03
关键结论
在三种不同的送丝角度条件下，焊丝熔融金属的转移行为呈现出滴状转移模式。在沉积层形成过程中，混合熔池的温度分布和流动行为表现出周期性演化特征。
随着送丝角度的增加，更多的激光能量照射到焊丝金属上，焊丝熔滴的表面温度和流速增加。焊丝熔滴与混合熔池中心区域之间的温度分布差异减小，混合熔池在稳定后，位于激光光斑区域的表面温度增加。
焊丝熔滴在表面张力的驱动下向焊丝的上部扩展，滴状转移周期随着送丝角度的增加而增加。由于基体金属获得的激光能量减少，混合熔池的宽度减小。
04
通讯作者
艾岳巍，博士，博士生导师，博士后合作导师，硕士生导师，湖南省杰出青年科学基金获得者，全国“焊才新星”，中南大学课程思政示范教师，交通运输工程学院副教授，轨道交通装备研究所副所长。美国普渡大学（Purdue University）访问学者，重载快捷大功率电力机车全国重点实验室核心研究成员，智能制造装备与技术全国重点实验室研究成员，高端装备机械传动全国重点实验室研究成员，轨道交通安全教育部重点实验室研究成员，国家自然基金函评专家，教育部科技评审专家，国家标准评审专家，教育部学位论文评审专家，湖南省科技奖励评审专家，湖南省专项评审专家，广东省专项评审专家。中国机械工程学会高级会员，中国机械工程学会焊接分会委员，中国激光加工专委会委员，美国激光学会（LIA）会员，美国机械工程师学会（ASME）会员，电气和电子工程师学会（IEEE）会员，GSEMSN-2021国际会议特邀优秀报告者，第15、16、17、18、19、20届数值分析与应用数学国际会议激光材料加工模拟仿真主题会组织者，AEIC专家库成员，国际期刊IMST副编辑，Sustainability (SCI JCR Q2) Guest Editor，Metals (SCI JCR Q2) Guest Editor，IJMEA编委，金属加工杂志社编委，焊接杂志社首届青年编委，粉末冶金材料首届青年编委，铁道科学与工程学报首届青年编委。主持或主研国家重点基础研究发展计划项目、国家自然科学基金重点项目、国家自然基金面上项目、自然基金青年项目、中央高校专项基金项目、创新交叉重点团队专项及国际联合基金等项目10余项。在Acta、HMT、ATE等激光加工领域著名SCI期刊及高水平国际学术会议上发表论文50余篇，授权国家发明专利10余项，授权国家软件著作权10项。担任MD、ATE、HMT、JMST、JIM等40余个国际著名期刊特邀评审专家。
05
论文引用
Yuewei Ai, Yiyuan Wang, Yang Zhang & Pengcheng Yuan. Analysis for Influence of Wire Feeding Angle on Laser Energy Absorption and Deposited Layer Forming Behaviors During Wire Laser Additive Manufacturing:International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology(2025).
DOI:https://doi.org/10.1007/s40684-025-00695-3
来自：wlam
长三角G60激光联盟陈长军转载
热忱欢迎参加我们在2025年5-27-29日举办的两机展和激光在两机（飞机发动机和燃气轮机）及低空经济中的应用大会
来源：江苏激光联盟