來自瑞典的研究人員研發(fā)了一種新的金屬絲激光逐滴增材制造技術，發(fā)現(xiàn)在金屬絲上可能有不同的激光液滴生成模式、 可借助反沖壓力控制液滴分離、并使用高速成像測量液滴分離方向，液滴落在熔池上會誘導更好的附著和工藝穩(wěn)定性。

成果簡介：

增材制造的主題包括許多技術，其中一些已經(jīng)達到非常高的應用發(fā)展水平，現(xiàn)在已在工業(yè)上使用。其他技術，如微液滴沉積制造，正在開發(fā)中并呈現(xiàn)出不同的制造可能性，但僅用于低熔點金屬。本文研究了采用基于激光的液滴沉積技術處理不銹鋼金屬絲的可能性。這項技術有望更靈活地替代激光金屬絲沉積。進行激光液滴生成實驗以試圖將鋼液滴準確地分離到所需位置。高速成像用于觀察液滴的產(chǎn)生并測量液滴的分離方向。研究了兩種液滴分離技術，并解釋了導致液滴分離的物理現(xiàn)象，其中液滴重量、表面張力和反沖壓力起主要作用。確定了用于準確單滴分離的優(yōu)化參數(shù)，然后用于構建多滴軌道。產(chǎn)生了具有均勻幾何形狀的軌道，其中微觀結構受到大量液滴沉積的影響。軌道顯示出比基線高得多的硬度，表現(xiàn)出相對均勻的宏觀硬度，在液滴之間的界面處具有局部軟化效應。

搜圖

圖0 全文的graphic abstract

1. 引言

金屬的增材制造(AM)已成為高性能產(chǎn)品制造的一個重要領域。存在幾種AM技術，將不同的熱源與各種材料沉積策略相結合，每種技術都有不同的優(yōu)點和缺點，使其適用于特定應用。大多數(shù)現(xiàn)有的AM技術將激光束、電子束或電弧作為熱源，以粉末或金屬絲作為原材料。

然而，可以提供不同制造可能性的新AM技術正在開發(fā)中。微液滴沉積制造(MDDM)就是這種情況，它是一種按需噴射技術。它包括迫使液態(tài)金屬通過噴嘴以形成射流，該射流會破碎成液滴，隨后沉積以構建所需的結構。熔融金屬在控制壓力下保持在加熱的坩堝中，通常使用振動棒來引起液滴分離。為了提高工藝靈活性，可以添加偏轉電極以將液滴流導向所需的方向。直徑在100 μm至2.2 mm范圍內(nèi)的液滴可以分離，大多數(shù)研究提到液滴直徑約為300μm。對于MDDM，垂直制造與水平建造一樣簡單，因此該過程適用于制造具有改變建造方向的可能性的薄垂直結構。然而，構建具有可接受的滴到滴結合的結構具有挑戰(zhàn)性。結果表明，到達的液滴溫度和前一液滴的表面溫度需要足夠高，以允許顆粒焊接在一起。通過調(diào)整諸如液滴溫度、前一液滴的表面溫度和兩次液滴沉積之間的距離等參數(shù)，可以減少或避免冷圈孔和微孔等一些缺陷。另一個挑戰(zhàn)也是降低表面粗糙度，這是由凝固液滴的形狀決定的。已經(jīng)進行了降低表面粗糙度的研究，例如通過在高表面溫度下使用交替液滴沉積。然而，MDDM的一個持續(xù)的局限性在于其合適的材料范圍較小。迄今為止，只有鋁合金和錫鉛合金等低熔化溫度的金屬被加工過。

另一種允許沉積熔化溫度較高的金屬液滴的按需噴射技術是激光液滴生成(LDG)。該技術包括用激光束熔化金屬絲，以便首先形成然后分離直徑在1mm到5mm范圍內(nèi)的液滴。液滴分離通常是由激光脈沖引起的，但也表明可以通過在縮回導線的同時將液滴剪切到噴嘴上來實現(xiàn)。LDG已被研究作為一種連接Ag-Cu和鎳滴的方法。它已經(jīng)顯示出幾個優(yōu)點，例如更好地控制液滴和基板中的熱輸入、更窄的熱影響區(qū)和更高的工藝靈活性。然而，LDG的某些方面，例如液滴的分離條件，仍未完全了解。

本研究的目標是研究使用LDG進行增材制造的可能性，作為MDDM的替代品，用于更高熔化溫度的材料。這也可以通過更靈活和可控的過程提供一種激光金屬絲沉積(LMWD)的替代方案。在LMWD中，金屬絲被激光束送入并與基板一起在連續(xù)運動中熔化，從而形成一條添加材料的軌道。該工藝已被證明適用于多種材料，如鋼[、鋁合金和鈦合金。使用常規(guī)的LMWD設置，激光束接近垂直，并且金屬絲優(yōu)選從正面進料，這限制了工藝靈活性。通過使用與金屬絲同軸的激光束進行了改進，這消除了過程的方向依賴性。通過垂直進給線，研究了LMWD的更高能效，其中激光束僅用于熔化沉積在基板上的線，并部分重新熔化前一層。在目前的研究中，預計用LDG替代LMWD也將導致更低的能量需求，因為激光束將主要用于熔化線材，并且由于熱量傳導到基板而導致的熱損失更少。

不同的物理現(xiàn)象可以解釋液滴的產(chǎn)生和分離。對于相對少量的液體，由于表面張力會產(chǎn)生球形液滴。表面張力是由液-氣界面處的不對稱內(nèi)聚力引起的，這往往會使表面積最小化并迫使液體變成球形。垂直懸垂液滴的表面張力可以使用液滴重量法計算，基于分離時的力平衡，其中液滴重量等于表面張力。在軸對稱液體的任何橫截面，表面張力可以計算為：

S=2 πr γ (1)

其中 γ 是表面張力，r是圓形液體橫截面的半徑。當液滴重量超過表面張力時，液滴在最弱的橫截面分離，以最小半徑表示，也稱為頸部。然而，在液滴懸于非水平表面的情況下，或者液滴正在移動時，液滴的一側與另一側的液固界面的接觸角可能不同。這會引起保持力，其作用類似于液-固界面處的摩擦力。

在LDG中需要考慮的另一個力是由汽化過程中蒸汽和液體之間的動量守恒引起的反沖力。實驗證明，反沖壓力可以推動甚至分解遇到激光束的液滴。在一項相關研究中，觀察到直徑為2.88mm至3.44mm的鋼滴落入2kW激光束時會受到等于其自身重量50%至70%的反沖力。除了對液滴下落軌跡有影響之外，反沖壓力很可能對液滴分離有影響。

當撞擊固體基底時，金屬滴可以潤濕它或反彈。發(fā)生哪種情況主要取決于液滴表面潤濕特性和基底的表面粗糙度]。撞擊速度已被證明對凝固速率、基底重熔和凝固液滴幾何形狀有影響。

當沖擊熔池時，例如在具有脈沖電弧模式的電弧焊或線材弧焊增材制造(WAAM)中，尚未觀察到彈跳效應，且液滴與現(xiàn)有熔體融合。

MDDM和LDG中分離和附著的物理原理是不同的，必須確定導致液滴分離和附著的其他物理現(xiàn)象，才能使該過程取得成功。在這項原位研究中，將研究反沖壓力對液滴分離的影響，以及熔池的存在作為液滴附著在基板上的有利條件。這項研究的工業(yè)目標是通過將LDG技術應用于AM來開發(fā)一種新工藝，而科學目標是更好地了解液滴分離和附著的物理條件。

2. 方法

采用LDG實驗，并以高速成像(HSI)作為主要的觀察和測量方法。統(tǒng)計從HSI中獲得的數(shù)據(jù)，并對生產(chǎn)的材料進行材料分析。

2.1 實驗方法

LDG實驗使用1.2mm直徑的316L金屬絲通過激光束進給，如圖1所示。金屬絲在送絲機出口處被拉直，并由焊槍精確引導，金屬絲伸出量相對較小(約10mm)以限制導線位置的波動。激光束垂直于金屬絲，激光光學器件和焊槍都傾斜7度，以避免激光束照射基底時發(fā)生背反射。為了研究液滴的附著情況，將Domex 350LA基底放置在導線下方6mm處。之所以選擇這些材料，是因為它們在工業(yè)應用中的廣泛用途以及它們的高加工性。氬氣作為保護氣體通過直徑為20mm的管子，流速為20L/min。使用5kW摻鐿光纖激光器，光纖直徑為0.2mm，準直器和聚焦透鏡的焦距分別為150mm和250mm。四軸分束器被安裝在準直器和聚焦透鏡之間，以便將激光束分成四束排列成正方形的光束。圖2顯示了激光束的測量結果及其在金屬絲上的圖解位置。這種光束布置用于防止高激光束強度(可能會在金屬絲上形成鑰孔)并在液滴下落過程中實現(xiàn)更穩(wěn)定的引導。

HSI相機水平放置，從側面記錄液滴的產(chǎn)生、軌跡和著陸(圖1b)。大多數(shù)HSI結果是使用這種設置記錄的，并使用不同的布置，相機從金屬絲的前面拍攝，用于進一步澄清。該過程用波長為810nm的50W CW激光照射，并在HSI相機上使用相同波長的帶通濾波器，以阻擋大部分工藝光。相機以2000fps到4000fps的頻率記錄，曝光時間為20 μm，光圈為16。

搜圖

圖1 激光液滴形成的實驗裝置 a)從側面看 b)從前面看

搜圖

圖2 金屬絲上的激光光束輪廓

進行了三組實驗。首先，進行連續(xù)送絲實驗，其中通過激光束連續(xù)送絲4秒。送絲速度從3m/min到7m/min以1m/min的步長變化，激光功率從1500W到5000W以500W的步長變化，以觀察不同參數(shù)下液滴形成的差異。

第二組實驗通過增量送絲進行，其中送絲達到預定長度并停止。在第一組實驗的基礎上，將參數(shù)縮小到5m/min的進給速度，激光功率從2300W到2800W以100W的步長變化，送絲長度從6mm變化到14mm，以2mm為步長。

最后一組實驗涉及使用增量送絲實驗(激光功率為2600W、送絲速度為5m/min和送絲長度為8mm)發(fā)現(xiàn)的優(yōu)化液滴分離參數(shù)構建30個液滴線性軌道。圖3顯示了帶增量送絲的液滴沉積循環(huán)期間的工藝參數(shù)。從一個液滴沉積位置到另一個位置的移動是通過以0.6m/min的行進速度移動機械臂來實現(xiàn)的(圖1a中的Vtravel)。激光輸出在整個過程中是連續(xù)的，當送絲時交替照射金屬絲以產(chǎn)生液滴(階段1)，并在短暫延遲期間(階段2)以及當機器人移動到下一個液滴沉積的位置(第3階段)時照射基板。三個軌道建立在
冷
基板上，其中兩次液滴沉積之間的步距為2mm、2.5mm和3mm。在200°C和400°C的溫度下，在預熱的基板上以2.5mm的步距構建另外兩個軌道。

搜圖

圖3 表示具有增量送絲的液滴沉積循環(huán)，用于處理具有優(yōu)化參數(shù)的多液滴結構

2.2 圖像處理步驟

使用不同激光功率(2300W、2400W、2500W、2600W、2700W和2800W)進行的增量送絲液滴分離實驗重復20次并由HSI記錄。對于每個液滴分離，從分離后的第一幀到液滴完全可見的最后一幀測量分離方向。圖4顯示了用于測量以角度 α 表示的分離方向的方法。稍后對不同激光功率下分離方向的測量進行統(tǒng)計分析。

搜圖

圖4 測量液滴分離方向的過程

3. 結果

3.1 連續(xù)送絲

在連續(xù)送絲實驗中觀察到不同的液滴生成模式，其中研究了不同的激光功率和送絲速度。圖5顯示了根據(jù)所選參數(shù)發(fā)生的液滴生成模式，圖6顯示了這些模式中每一種的HSI序列。標有叉號的是未進行的實驗。

低于約36J/mm的線能量，1.2mm金屬絲不會完全熔化。在這種不完全熔化模式下，可能會在金屬絲頂部產(chǎn)生一液滴，但要么不分離，要么與固體金屬絲分離(圖6a)。

使用更高的線能量，金屬絲完全熔化，并在激光束的后側產(chǎn)生液滴。隨著金屬絲熔化，液滴保持附著并增大，直到某個點分離，這種模式稱為拉動模式(圖6b)。在這種模式下，計算了液滴分離的平均距離和標準偏差(稱為形成長度)(圖5)。平均形成長度隨著激光功率的增加而減少，并且通常隨著送絲速度的增加而增加。不同參數(shù)的平均形成長度范圍為3.27mm至13.3mm，導致直徑下降1.9mm至3.1mm，而形成長度的標準偏差為平均值的21%到42%。

在低供給速度下使用高激光功率，液滴被推到激光束的前側，金屬絲下方，這被稱為推動模式(圖6c)。在這種模式下，液滴的形成生和分離是混亂的和不可預測的。

在高激光功率和高速下，在線材上會產(chǎn)生切割前沿(圖6d)。沒有液滴形成，熔體直接向下加速，形成分解成小液滴(≤1mm)的液柱，該過程與激光遠程切割板材具有相似的特性。液滴的流動通常指向一個方向，只有很小的發(fā)散。在從切割前沿分離的液滴流中，可以注意到液滴直徑、液滴速度和液滴間距的顯著變化。

搜圖

圖5觀察到的液滴形成模式取決于激光功率和送絲速度

搜圖

圖6 每種液滴形成模式的典型液滴形成的HSI幀序列

拉動液滴生成模式似乎是沉積過程中最穩(wěn)定和最有前途的模式。以下各節(jié)中描述的進一步實驗旨在在此模式下可靠地生成液滴。

3.2 增量送絲

本部分著眼于使用不同的送絲技術提高拉動生成模式下液滴分離的準確性(在之前的實驗中，液滴形成長度的標準偏差是平均值的21%到42%)。為了實現(xiàn)更高的分離重復性，在特定時間停止送絲以分離一滴。在隨后的所有實驗中，進給速度均設置為5m/min，因為在此速度下，較寬的激光功率范圍會產(chǎn)生拉動生成模式，這為其他參數(shù)的選擇提供了更大的靈活性。

搜圖

圖7 a)作為激光功率函數(shù)的液滴分離方向的統(tǒng)計分析；b)作為激光功率函數(shù)的液滴分離方向的標準偏差的演變(進給速度為5 m/min，進給長度為8 mm)

首先，送絲長度設置為8mm(預期液滴直徑為2.6mm)，只有激光功率發(fā)生變化，從2300W到2800W。基于HSI視頻的圖像處理，對依賴于激光功率的液滴分離方向進行了統(tǒng)計分析，如圖7所示。圖8顯示了不同激光功率下單個液滴形成和分離的HSI序列。從圖7a中可以看出，液滴的平均分離方向似乎不受激光功率保持在7°到12°之間如此小的變化的影響。然而，液滴分離方向的標準偏差隨著激光功率的增加而減小，直到在2600W時穩(wěn)定在8° 左右(圖7b)。對于低于2400W的激光功率，液滴往往會和一根固體金屬絲分離(圖8a)，顯示了圖5中確定的不完全熔化模式的極限。功率大于2700W時，兩滴可以在一個送絲增量中分離(圖8c)。這種雙滴分離的情況在2700W下發(fā)生率為5%，在2800W下發(fā)生率為20%。雙滴分離是不需要的，因為它們會改變兩次液滴分離之間的時間、液滴尺寸和液滴分離方向。只有在2500W和2600W下的實驗中沒有顯示出不完全熔化或雙滴分離(圖8b)。由于在2600W下的實驗顯示液滴分離方向的精度更高(圖7a)，因此選此作為后續(xù)實驗的優(yōu)化激光功率。

搜圖

圖8 不同激光功率下典型液滴形成的HSI幀序列，帶有液滴脫離方向(藍色箭頭)

搜圖

圖9 在HSI觀察到的一個進料增量期間，不同形成長度下液滴典型的分離和著陸行為

在接下來的實驗中，激光功率保持在2600W，送絲長度在6mm到14mm范圍內(nèi)變化(液滴直徑為2.3mm到3.1mm)。圖9顯示了不同進料長度下液滴分離和著陸的HSI框架，其中激光發(fā)射在送絲前300毫秒開始，以便在基板上產(chǎn)生熔池。對于6mm到12mm的進料長度，兩幀之間的時間為25ms，對于14mm的進料長度延長到50ms。似乎進料長度對液滴分離方向有影響。在6mm進料長度處，液滴落在激光束前面，熔池外。從8mm到12mm的進料長度，液滴落入激光束內(nèi)，朝向熔池。對于14mm的進料長度，液滴落到激光束的后部，熔池外。只有落入熔池(8-12mm)的液滴才能成功附著在基板上。選擇8mm作為后續(xù)實驗的優(yōu)化進料長度，因為它會產(chǎn)生落入激光束內(nèi)部、落在熔池中并附著在基板上的最小液滴。

作為增量送絲的單滴分離的最終觀察結果，從正面拍攝具有優(yōu)化參數(shù)(送絲速度為5m/min，激光功率為2600W，送絲長度為8mm)的液滴的分離和附著，如圖10所示。液滴并不總是落在xz平面內(nèi)(圖4)，但是可以落在y軸上的不同位置。然而，如果液滴在著陸時接觸到熔池，它會與熔池保持一致，垂直于金屬絲下方。

搜圖

圖片不夠清晰更換圖片

圖10 從前面記錄的具有優(yōu)化參數(shù)的液滴分離的HSI幀序列

3.3 多滴沉積

將上節(jié)中發(fā)現(xiàn)的增量送絲的單滴分離的優(yōu)化參數(shù)(進給速度為5m/min，激光功率為2600W，進料長度為8mm)用于多滴沉積。機械臂在液滴沉積之間以2.5mm步長的移動速度呈線性移動(圖3)，以便在基板上形成液滴軌跡。圖11顯示了在一個液滴沉積循環(huán)期間的一系列HSI框架，重點是基材上熔池的演變，該熔池固化到軌道中。圖11中的階段指的是圖3中描述的相同階段。這個階段周期最好從階段2開始描述。

搜圖

圖11 HSI幀序列顯示了軌跡處理期間的液滴沉積循環(huán)，并將熔池表現(xiàn)出來(綠色虛線)

在第二階段，當送絲停止時，一個新的液滴分離并落在軌道前方的一個小的殘留熔池中。液滴與體積增大的熔池合并，而激光發(fā)射阻止其凝固。

在第三階段，當機器人移動步距(2.5mm)時，激光束熔化前一個熔池前面的基底。來自基底的新熔融材料從前方進入熔池，而熔池的后端則凝固。

在第一階段，運動停止并開始送絲以生成新的液滴。在此階段，激光僅照射線材，而不照射基底上的熔池。這會導致熔池部分凝固，直到新的液滴分離并開始新的循環(huán)。

研究了兩個液滴分離之間的步距，并以2mm、2.5mm和3mm的步距構建了30個液滴軌道。圖12顯示了創(chuàng)建的軌道的照片。在2mm和2.5mm的步距下，軌道的構建沒有明顯的缺陷。然而，當步距為3mm時，軌道幾何形狀不均勻，一些液滴落到了位置外，導致軌道出現(xiàn)間隙(圖12中的紅色圓圈)。

為了研究基板溫度對軌跡性能的影響，在200℃和400℃的基板上分別建立了兩條步距為2.5mm的軌跡。圖12中的照片顯示，隨著基板溫度的升高，軌道中的潤濕性增加，幾何變化減少。在冷基板上產(chǎn)生的軌道寬度約為3.3mm，而在基板溫度為200℃和400℃時產(chǎn)生的軌道寬度分別為4.2mm和5.8mm。

搜圖

圖12 由具有不同步距和基板溫度的激光液滴形成技術產(chǎn)生的30滴軌跡

文章來源：Additive Manufacturing by laser-assisted drop deposition from a metal wire，Materials & Design，Volume 209, 1 November 2021, 109987，https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109987