山东大学贾传宝团队：发明一种金属材料的电弧增材制造新方法！

山东大学材料学院贾传宝团队长期致力于极端条件下的电弧加工物理过程检测控制、电弧增材制造技术以及高效焊接新方法等领域的研究。近期该团队发明了一种面向金属材料的电弧增材制造新方法，在减小电弧增材制造过程中热输入、揭示复杂物理现象原理方面取得重要进展，并获国际媒体关注和正面评述。

1、提出一种面向金属材料的电弧增材制造新方法

课题组创造性地发明了一种基于电弧热源的“强制拘束型增材制造技术”(Compulsively Constricted Wire Arc Additive Manufacturing，简称CC-WAAM)，提出建立“焊丝-钨极”间接电弧作为热源，控制电弧在密闭空间内进行燃烧并强迫其通过耐高温（CBN）陶瓷喷嘴喷射而出，强制拘束产生高挺度的电弧等离子体，并包裹高温液态金属下落，对熔滴形态和熔滴过度轨迹产生强制拘束、保温和调控作用，有效降低电弧对熔覆金属的热输入，对于大尺寸金属构件的高精度、高质量增材制造具有重要应用潜力。该研究成果以“Compulsively constricted WAAM with arc plasma and droplets ejected from a narrow space”为题于2019年5月份发表于增材制造领域权威期刊Additive Manufacturing(2019年影响因子IF=7.173)。该刊物隶属于America Makes, National Additive Manufacturing Innovation Institute (美国国家增材制造创新研究所)，是JCR一区TOP期刊，ENGINEERING排名1/49，Industrialand Manufacturing Engineering排名4/324。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.03.003

2、基于视觉传感方法揭示了强制拘束电弧增材制造电弧、熔滴产生过程的重要物理机制

针对焊枪的封闭性结构，设计并加工了带有高温玻璃的水冷铜喷嘴，借助于高速摄像机探索了在不同电参数及保护气流量参数下的电弧及熔滴过渡行为规律，揭示了电参数及保护气参数对电弧及熔滴过渡的影响机制。研究成果以“Investigating the generationprocess of molten droplets and arc plasma in the confined space duringcompulsively constricted WAAM”为题于2020年1月发表在材料加工领域期刊Journal of Materials Processing Technology上（中科院SCI期刊分区材料科学TOP期刊，JCR一区，MaterialsScience排名7 / 150，IF=4.178。文章发表后获得英国著名增材制造网站关注和正面评述，以“Shandong UniversityDevelops new WAAM Technique”为题于2019年8月进行报道“来自中国山东大学的研究人员研发了一种新型金属3D 打印方法，名为“强制拘束电弧增材制造”(CC-WAAM)，改进了电弧增材制造技术，在金属成形状态控制方面具有更好的效果，获得了具有均一微观组织分布特征的多层熔覆金属，该团队也研究了最优工艺参数及其内在的物理现象原理”，该报道同时获得国内外众多媒体转载。

论文及报道链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116355

https://3dprintingindustry.com/news/shandong-university-develops-new-waam-technique-160251/

3、阐明了强制拘束电弧增材制造技术电弧形态、熔滴过渡及液态熔池动态行为规律

基于高速摄像视觉检测方法，揭示了不同焊接参数下的电弧形态、熔滴过渡及液态熔池动态行为与交互作用，发现等离子体形态主要由枪体内部压力与其体积决定，熔滴过渡方式由射滴过渡转变为射流过渡，熔滴尺寸降低到最小 0.89 mm，建立了熔滴尺寸与电参数之间曲线和预测公式。研究成果以“Investigationon arc plasma, droplet, and molten pool behaviours in compulsively constrictedWAAM“为题于2020年4月在线发表在增材制造领域权威期刊Additive Manufacturing（IF=7.173）。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101235

电弧增材制造相比于高能束流金属增材制造技术等具有成形效率高、制造成本低以及构件致密度高等优势，尤其适用于大型金属构件的快速成形。现有电弧增材制造过程大多近似于“堆焊”技术，针对其固有的热输入较大、逐层堆积产生“阶梯效应”等问题，以上成果提供了一种新的解决思路，揭示了强制拘束型电弧增材制造技术的工作原理，产生的低温等离子流可以促进熔滴过渡，间接减小电弧对堆积层的热输入，对于开发适合于工业领域广泛应用的低成本、高精度、高效率的大尺寸构件电弧增材制造技术具有重要意义。

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