WAAM 工藝相似于一般的焊接過程,因此在焊接過程中不同合金的熱裂紋、冷裂紋、氣孔、分層和飛濺等缺陷在增材過程中也會出現。鎂及鎂合金具有低密度、低熔點、高熱導率、高膨脹系數和氧化性強等特點,導致鎂合金的電弧增材面臨挑戰,如出現晶粒粗化、氧化蒸發、熱應力和熱裂紋等缺陷。WAAM 中的缺陷可能是由于沉積路徑規劃不當、工藝參數設置不當和熱輸入過多,造成熔池動力學不穩定、產生殘余應力和氣體污染進而影響成型質量。利用 WAAM 成型鎂合金沉積層時,就容易出現一些主要的宏觀缺陷,如側面塌陷等,這主要是由于沉積層散熱條件存在差異,因此,為了獲得成型質量良好且性能優異的鎂合金構件,必須采用合適的工藝參數,嚴格控制熱輸入大小。

        電弧增材制造過程中,零件內部經歷快速加熱和冷卻,基體和沉積層金屬反復經歷熱脹冷縮容易產生變形,對于大型的薄壁件來說,控制變形是重要的關注點。 殘余應力是指移除所有外部的載荷后殘留在材料中的應力,過高的殘余應力會導致變形、分層,影響成型件的性能,若殘余應力超過材料的局部抗拉強度,則會發生開裂,若殘余應力高于局部屈服強度但低于抗拉強度,則會發生翹曲或塑性變形。

        變形和殘余應力與許多工藝參數有關,如增材電流、增材電壓、送絲速度、層間溫度、沉積路徑和保護氣體流量等。變形和殘余應力對于 WAAM 工藝來說不可能完全避免,鎂合金具有較高的熱膨脹系數,因此相較于其他材料來說,更容易產生變形缺陷,因此,變形和殘余應力的控制和最小化是研究的關鍵領域。 選用合適的工藝參數、規劃恰當的沉積路徑、對基板預先加熱、增材后進行熱處理等方法均可以減少WAAM 制造件的殘余應力和變形的出現。Mughal等提出了一種二維有限元熱力模型,用于預測 殘余應力引起的變形, 并將其應用于模擬GMAW 增材制造工藝制備低碳鋼構件的過程。 研究各種工藝參數包括基板溫度、沉積速率和沉積路徑對殘余應力和變形的影響。結果發現殘余應力分布取決于沉積路徑,最高應力出現在最頂端的沉積層處。Xiong等建立了圓形十層單道焊零件的三維瞬態傳熱模型,以研究基于 GMAW 增材制造工藝制備低合金鋼構件中的熱行為,分析了基板預熱對熱循環的影響。 結果表明,基底預熱可以使熱循環更加平穩,并降低熔池的冷卻速度。 熔池中的最大溫度梯度隨著基板預熱溫度的升高而降低,基板預熱溫度在400~600 ℃之間可以有效降低熱應力和開裂傾向。合理的夾緊形式可以有效地減少電弧增材制造中的變形和缺陷,Wang 等使用有限元分析軟件建立了一個三維單道多層沉積 WAAM 模型。

        研究了模型構件的變形和殘余應力情況。 模擬4種典型的夾緊形式,如圖1所示,比較了這 4 種不同夾緊形式下構件的總變形和殘余應力分布結果。 總變形結果表明,邊緣夾持形式下的模型比拐角夾持形式的變形更小。在邊緣夾緊形式中,在保證尺寸精度方面,橫向夾緊起主導作用。 根據殘余應力分布分析,在所有夾緊形式下,構件區域下方的基板位置橫向應力小于縱向應力。 只有橫向夾緊的夾緊形式下可以獲得最小的殘余應力分布。 Li 等利用超聲波沖擊方法對電 弧增材制造工藝制備的Ti6Al4V 零件進行處理,結果表明試樣表面殘余應力降低了58%。Sun 等采用激光沖擊強化技術對WAAM 技術制備的2319鋁合金薄層構件進行處理,將殘余應力從拉伸狀態改為壓縮狀態,最大值約為 100 MPa。 以上學者通過數值模擬的方法對電弧增材成形鎂合金構件中的變形行為進行了分析,但對于鎂合金殘余應力和變形控制的研究目前還處于初步階段,需要進行進一步的深入研究。

圖1不同夾緊方式的模擬結果(a) 夾緊方式 1; (b) 夾緊方式 2; (c) 夾緊方式 3; (d) 夾緊方式 4