Bo Yin, Meiguang Cao, Jin Huang, Long Shu, Hao Yi, Zhenhua Li, Liquan Jin, Chengheng Cai 和 Changchang Yang 等作者在期刊 Virtual and Physical Prototyping 上于2023年12月6日发表了一篇题为“Modeling and Application of Droplet Oscillation Momentum for Elucidating the Development of Surface Roughness in Wire-Arc Additive Manufacturing”的研究论文。该研究的主要作者来自浙江海洋大学海洋工程装备学院和重庆大学机械传动国家重点实验室。
该研究的主要科学领域是电弧增材制造（Wire-Arc Additive Manufacturing, WAAM），这是一种用于制造大型金属部件的前瞻性技术，具有低成本和高沉积率的优势。然而，WAAM对工艺参数（如电弧电流、电弧电压和行进速度）的微小变化非常敏感，这导致层间温度和先前成形几何形状的扰动，进而影响部件几何形状的可控性和表面粗糙度。表面粗糙度不仅影响WAAM工艺的稳定性，还影响WAAM制造部件的机械性能。因此，提取反映WAAM过程物理特性的特征参数以实现实时控制，是提高WAAM部件表面成形质量的关键。
该研究的主要目标是开发一个液滴振荡动量（Droplet Oscillation Momentum, DOM）模型，以描述悬挂液滴的动态行为及其对表面粗糙度的影响机制。研究流程包括以下几个步骤：
模型开发：基于“质量-弹簧”理论，研究团队开发了一个DOM模型，该模型结合了线材运动对液滴位移的贡献，并通过实验校正了弹簧/阻尼系数。模型假设悬挂液滴通过虚拟弹簧和阻尼与线材末端连接，整个系统被视为一个对称的“质量-弹簧”系统。液滴的质量随时间线性增加，液滴的振荡遵循时变二阶微分方程。
实验验证：为了验证模型，研究团队进行了多层沉积实验。实验装置包括沉积系统和视觉系统。沉积系统由气体金属弧焊（Gas Metal Arc Welding, GMAW）电源和六轴工业机器人夹持的焊枪组成。视觉系统包括高速摄像机和红外滤光片，用于记录液滴的振荡过程。
数据采集与分析：通过高速摄像机记录液滴的振荡过程，测量液滴的位移和尺寸，并计算液滴的质量和速度。DOM的计算基于液滴的质量和振荡速度。此外，研究团队还使用手持3D扫描仪扫描WAAM制造部件的表面轮廓，分析表面粗糙度。
结果分析：研究结果表明，DOM模型的预测值与实验值吻合良好，DOM与表面粗糙度呈二次相关关系。液滴振荡动量对WAAM制造部件的表面成形质量有显著影响，DOM的减少可以降低熔池的几何变形，从而保持熔池几何形状的稳定性。
模型验证：DOM模型在多层沉积实验中得到了验证，预测值与实验值吻合良好。液滴振荡动量的最大幅度随着电流的增加而减小，液滴脱离时间随着电流的增加而减少。
表面粗糙度分析：研究团队通过3D扫描仪分析了WAAM制造部件的表面轮廓，发现随着电流的增加，表面粗糙度显著增加。液滴振荡动量与熔池波动距离和平均误差距离呈正相关关系，DOM的增加是导致熔池表面波动和变形的主要原因。
DOM与表面粗糙度的关系：研究团队通过回归分析发现，DOM与平均误差距离符合二次函数关系，这表明DOM可以作为描述WAAM制造部件表面成形质量的特征参数。
该研究首次提出了DOM模型，用于分析液滴振荡生长行为及其对熔池变形的影响。DOM模型充分考虑了线材运动对液滴位移的贡献，并提供了弹簧和阻尼系数的实验校正。DOM对WAAM制造部件的表面成形质量有显著影响，DOM的减少可以降低熔池的几何变形，从而保持熔池几何形状的稳定性。该模型能够有效预测表面粗糙度的发展，DOM与表面粗糙度符合二次函数关系。因此，DOM可以作为描述WAAM制造部件表面成形质量的特征参数。
该研究还讨论了DOM模型的局限性，例如未考虑高温下液滴密度的变化以及沉积过程中线材送进和电流波动对液滴振荡的影响。未来的研究可以进一步改进模型，以适应不同的液滴转移模式（如短路液滴转移），并扩展工艺参数窗口，以深入理解DOM对表面成形质量的影响机制。
该研究为WAAM制造过程中的液滴振荡动量分析提供了新的理论模型和实验方法，具有重要的科学价值和应用前景。