摘要：加拿大萨斯卡彻温大学、尼日利亚联邦理工大学、英国邓迪大学、格伦航空（英国）有限公司的科研人员报道了电弧增材制造过程中热输入与均匀温度分布的影响研究进展。相关论文以“Influence of heat input and uniform temperature
长三角G60激光联盟导读
加拿大萨斯卡彻温大学、尼日利亚联邦理工大学、英国邓迪大学、格伦航空（英国）有限公司的科研人员报道了电弧增材制造过程中热输入与均匀温度分布的影响研究进展。相关论文以“Influence of heat input and uniform temperature distribution during wire arc additive manufacturing process: a critical review”为题发表在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上。
热输入与均匀温度分布对电弧增材制造（WAAM）构件表面质量的影响至关重要，直接关系到无缺陷产品的成型。然而在多数WAAM工艺中，热输入会显著影响熔池逐层沉积行为，若控制不当则可能诱发缺陷。本文系统批判性综述了热输入、温度均匀分布、层间温度及热输入参数对WAAM构件微观组织与力学性能的影响机制。研究发现：送丝速度与焊枪移动速度是调控WAAM热输入的关键参数。研究表明，采用低热输入的优化参数可获得更细小均匀的微观形貌，从而显著提升构件力学性能。为满足工业领域对高质量金属构件的需求，必须建立基于实证的WAAM工艺认知框架，确保工艺设计前进行充分规划——此为本研究的主要学术贡献。
图1(a)WAAM工艺导致的零件变形；(b) WAAM过程中的驼峰效应
图2 WAAM过程中发生在焊丝、熔池、电弧及基板上的流体运动与传热过程
图3用于监测WAAM过程热传导效应的热电偶布置方案
图4不同热输入条件下WAAM试样的微观组织表现：(a)焊接电流125A，(b)147A，(c)132A，(d)142A，(e)152A
图5 WAAM系统红外加热装置实验布置
图6用于获取增材制造过程物理特征的物理信息机器学习（PIML）概念
WAAM工艺中最突出的挑战是热累积现象，其根源在于工件吸收的热量无法有效耗散至环境中。这种热累积会引发多重质量问题：金属沉积缺陷、几何精度偏差、表面质量缺陷、微观组织演变异常及力学性能下降。研究表明，WAAM系统中过高的能量输入会导致破坏性热累积，而不均匀的热输入条件更会诱发残余应力变形、尺寸精度失控等潜在缺陷。
为控制WAAM缺陷，必须严格监控并优化热输入与温度分布以消除沉积过程中的缺陷源。实现温度均匀分布是确保熔融效率稳定性、微观组织可控性及最终构件表面质量的关键。鉴于WAAM技术具备高沉积速率和无限构建尺寸的优势，如何通过该工艺制备高质量金属构件已成为学界研究热点。
本批判性综述深入探讨了以下核心问题：WAAM构件成型中的热输入优化、工艺参数对热输入的影响机制、非均匀温度分布的危害，以及机器学习与仿真技术在强化WAAM传热过程中的应用。研究表明，热输入与温度均匀分布对开发工业级WAAM金属构件具有决定性作用。本文主要研究发现如下：
i.在低热输入（LHI）条件下，送丝速度（WFS）、焊枪速度（TS）与焊接电流（WC）会促进内层柱状晶生长，而层间区域则形成等轴晶；
ii.随着热输入增加，晶粒尺寸、二次枝晶臂间距（SDAS）及微观夹杂物会显著增大；
iii.热输入升高会导致试样冷却速率降低，从而加剧晶粒粗化；
iv.采用低热输入配合常规焊接参数可细化微观组织、降低应力、提升沉积速率并确保几何精度；
v.智能扫描路径优化算法能促进温度均匀分布，有效降低残余应力与变形；
vi.传热与流体动力学模型可优化工艺变量，提升打印结构质量并减少构件失效；
vii.送丝速度/焊枪速度比（WFS/TS）是调控WAAM热输入的核心参数；
viii.冲击气冷技术能有效抑制金属沉积过程中的热累积；
ix.红外加热系统的应用有助于获得均匀几何形状、细化内部组织并增强力学性能。
未来研究方向建议：首先，需深入探究冷金属过渡（CMT）焊接技术中控制缺陷并提升组织性能的多参数协同优化机制；其次，WAAM过程温度分布变异根源及其对构件的影响机理有待进一步阐明；第三，应加强机器学习在材料内部缺陷预测中的应用研究。此类研究将有助于揭示WAAM系统缺陷形成的根本原因及影响因素。
论文链接：
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
长三角G60激光联盟陈长军转载
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