摘要：钛合金因其优异的性能在汽车、航空航天和生物医学领域得到了广泛应用。电弧定向能量沉积（DED），尤其是气体金属弧焊（GMAW），具有成本低、沉积效率高和缺陷少等优点。然而，在基于GMAW的钛合金加工过程中，熔池会产生热电子并形成阴极射流，降低工艺稳定性并导致飞溅
钛合金因其优异的性能在汽车、航空航天和生物医学领域得到了广泛应用。电弧定向能量沉积（DED），尤其是气体金属弧焊（GMAW），具有成本低、沉积效率高和缺陷少等优点。然而，在基于GMAW的钛合金加工过程中，熔池会产生热电子并形成阴极射流，降低工艺稳定性并导致飞溅。研究表明，引入激光的混合激光-GMAW技术能够通过产生金属蒸汽为电弧等离子体提供稳定的导电通道，从而实现高效、高质量的金属加工。激光对电弧等离子体的稳定作用已被广泛认可，但其对钛合金加工的具体影响尚不明确。此外，激光对金属原子和离子的影响也相对较少被研究。
河南科技大学同大阪大学、广东工业大学在工程技术领域顶刊Virtual and Physical Prototyping 上发表了题为"Stabilising mechanism of cathode jet and droplet transfer in hybrid-laser–GMAW-based directed energy deposition of titanium alloy"的研究成果。在这项研究中，引入了一台激光器用于在Ti6Al4V合金的电弧增材制造过程中稳定阴极射流和熔滴传输。通过高速摄影、光谱诊断、理论计算和数值模拟等方法，研究了激光对阴极射流和熔滴传输的影响。
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论文图片
图1. (a) 基于混合激光-GMAW DED示意图；(b) 高速摄影系统；(c) 光谱信息采集系统
图2. (a) 基于GMAW的DED宏观图像；(b) 基于混合激光-GMAW的DED宏观图像
图3. 使用Fowler–Milne方法计算电弧温度的流程图
图4. 基于GMAW的DED过程的电信号波形和电弧图像
图5. 基于混合激光-GMAW的DED过程的电信号波形和电弧图像
图6. Ti I和Ti II粒子的空间分布
图7. 动态熔滴转移行为
图8. (a) 不同电流密度水平下的热电子发射温度；(b) 不同材料的热电子发射电流密度随温度的变化
图9. 基于混合激光-GMAW DED中熔池的数值结果
图10. 阴极射流生成示意图
图11. 等离子体温度：(a) 使用Fowler–Milne方法计算基于GMAW DED中的电弧温度；(b) 使用Boltzmann图方法验证
图12. (a) Ar-50 at%Ti的平衡组成；(b) 关系曲线：临界温度与平衡组成
图13. (a) 熔滴生长时间、熔滴转移时间和阴极射流角度的统计；(b) 每层飞溅数量的统计；(c) 力学分析示意图
图14. 激光效应总结
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关键结论
(1) Ti6Al4V合金具有热电子发射特性。在基于GMAW的Ti6Al4V合金定向能量沉积过程中，由于电弧和熔滴的共同热效应，熔池最高温度位置在峰值电流阶段和基值电流阶段发生变化，导致阴极射流的位置移动和剧烈波动。
(2) 激光稳定了熔池的最高温度区域，从而形成了稳定的阴极射流。在高温条件下，Ti I容易电离成Ti II，因此阴极射流主要由Ti II组成。
(3) 激光诱导的金属蒸汽降低了阴极射流区域的等离子体温度。激光诱导的金属蒸汽吸引并收缩电弧，导致峰值电流阶段靠近焊丝的电弧温度升高，并扩大了Ti I和Ti II的分布区域。
(4) 引入激光对熔滴生长的影响很小，但抑制了阴极射流对熔滴的阻碍作用，减少了熔滴的转移时间，并提高了熔滴转移的稳定性。
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通讯作者
吴东升，日本大阪大学焊接研究所助理教授，主要研究方向为电弧/激光焊接及增材制造，担任《中国焊接学报》和《中国焊接》编委。2023年获国际焊接学会（IIW）Henry Granjon奖，2021年获日本学术振兴会（JSPS）Fellowship奖，2020年获美国焊接学会（AWS）William Spraragen纪念奖。主持国家级项目3项，以第一/通讯作者身份在Addit Manuf、Virtual Phys Prototyp等国际著名期刊发表SCI论文33篇。开发的先进钛管双枪TIG焊技术，获春晖杯留学人员创新创业大赛优胜奖，且已产业化应用；开发的蓝红光复合焊接技术，获激光金耀奖并入选我国焊接科技创新成果。
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论文引用
Xiao Xiao, Chi Zhang, Dongsheng Wu, Hisaya Komen, Junfeng Gou, Yongkang Zhang, Keke Zhanga,Shigeaki Uchida and Manabu Tanaka. Virtual and Physical Prototyping Volume 19, 2024 - Issue 1
DOI:https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2384659
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长三角G60激光联盟陈长军转载
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来源：江苏激光联盟