铝合金MIG电弧增材制造热平衡及工艺稳定性分析的文献学习体会

文献概况与技术背景

本文发表于《兵器材料科学与工程》2026年第49卷第2期，由内蒙古工业大学和中国水利水电科学研究院联合完成，受国家自然科学基金等多项基金资助。研究采用MIG电弧增材制造（Arc-AM）技术成形Al-Mg合金，通过高速摄像、电流电压信号采集和热循环数据分析，揭示了熔池热力稳定性与工艺参数的关系。

电弧增材制造是一种基于电弧热源的增材制造技术，其优势在于设备成本相对较低、材料利用率高、可制造大型金属构件。但电弧AM面临的核心挑战是热管理——多层熔覆过程中热量不断积累，导致熔池失稳、成形质量下降甚至构件翘曲变形。本文提出的"等效散热功率"概念，为电弧AM的热平衡分析提供了新的理论框架。

熔滴过渡行为与成形质量的关系

本文通过高速摄像技术观察了不同成形电流下熔滴过渡行为的演变规律。关键发现是：当成形电流大于140 A时，熔滴过渡频率加快、电弧加热区域扩大，不利于获得成形系数较小的熔覆层，且熔池所受侧向作用力显著增强。

从焊接冶金学角度分析，熔滴过渡频率加快意味着单位时间内进入熔池的金属量增加，但电弧加热区域扩大导致熔池温度升高、液态金属流动性增强，两者共同作用使得熔池扩大、成形系数增大。侧向作用力的增强则可能导致熔池偏流，影响熔覆层的对称性和致密性。

对于Al-Mg合金，其导热系数高（约200 W/(m·K)），理论上散热条件好。但在多层熔覆过程中，下层已凝固的熔覆层成为上层熔覆的"热源"，热量不断积累。这就是本文提出的"等效散热功率"概念的核心——随着熔覆层数增加，等效散热功率逐渐降低，热量积累加剧，熔池失稳风险增大。

等效散热功率与熔池热力稳定性

本文的创新贡献在于基于等效散热功率构建了传热模型。研究揭示了两个关键规律：

第一，在熔覆初始阶段，由于散热条件良好（底层直接散热到基板），各层等效散热功率变化平缓，熔池热力状态稳定。第二，随着熔覆层数增加，等效散热功率降幅加剧，热量积累显著，导致液态熔池极易失稳。

这一发现对电弧AM的工艺设计具有重要指导意义。在多层熔覆过程中，不能简单地采用恒定参数，而应根据熔覆层数动态调整工艺参数——随着层数增加，应适当降低电流或提高焊接速度，以补偿等效散热功率的下降，维持熔池的热力平衡。

研究结论指出，在140 A较低电流下，保持等效散热功率恒定，可获得最优的成形质量。这一结论的实践意义在于：对于Al-Mg合金的电弧AM，应优先选择较低的成形电流（≤140 A），并通过精确的参数控制维持等效散热功率的恒定。

工艺稳定性分析与工程应用建议

从PDCA（计划-执行-检查-处理）循环角度，电弧AM的工艺稳定性管控可建立以下框架：

计划阶段：根据工件几何形状和材料特性，确定基础工艺参数（电流、电压、送丝速度、焊接速度），并计算初始等效散热功率。执行阶段：在熔覆过程中实时监测电流电压信号和熔池温度，根据等效散热功率的变化趋势动态调整参数。检查阶段：通过高速摄像和红外热像仪监测熔池形态和温度分布，评估熔池热力稳定性。处理阶段：根据监测结果优化参数，必要时引入层间冷却或暂停熔覆以释放累积热量。

对于Al-Mg合金的电弧AM，工程应用中还应注意以下问题：

第一，Al-Mg合金的氧化敏感性。Mg元素在熔池中极易氧化，形成MgO夹杂，影响熔覆层的致密性和力学性能。应确保保护气体的纯度和流量，必要时采用混合保护气体（如Ar+CO₂）以改善电弧稳定性。

第二，残余应力控制。多层熔覆过程中，每层的热循环都会产生残余应力，层间应力叠加可能导致构件翘曲甚至开裂。建议采用合理的熔覆路径规划（如从中心向四周扩展），并在关键层间实施应力释放处理。

第三，组织均匀性。多层熔覆过程中，不同层的冷却速率不同，导致组织差异。底层冷却快，晶粒细小；顶层冷却慢，晶粒粗大。这种组织梯度可能影响构件的力学性能均匀性。可通过后热处理（如均匀化退火）改善组织均匀性。

本文的研究为铝合金电弧AM的工艺优化提供了重要的理论依据。从技术发展趋势看，电弧AM在大型金属构件制造、修复再制造和定制化生产领域具有广阔的应用前景。未来研究应重点关注以下方向：一是多物理场耦合仿真，建立更精确的熔池热-力-流耦合模型；二是在线监测与自适应控制，实现熔池状态与工艺参数的实时闭环控制；三是不同铝合金体系（如Al-Li、Al-Zn-Mg-Cu）的电弧AM工艺拓展。

从更宏观的角度看，电弧AM代表了"3D打印"与"传统焊接"的融合趋势。焊接技术积累了几十年的热源控制、熔池管理和冶金调控经验，为增材制造提供了重要的技术基础。反过来，增材制造的复杂几何成形能力也为焊接技术开辟了新的应用空间。两者结合将推动金属制造技术的深刻变革。